توصيف متباين الخواص راشح الوضع المغيرون في الموجة الكهرومغناطيسية للHolovideo
Summary
This work describes fabrication and characterization of anisotropic leaky mode modulators for holographic video.
Abstract
Holovideo displays are based on light-bending spatial light modulators. One such spatial light modulator is the anisotropic leaky mode modulator. This modulator is particularly well suited for holographic video experimentation as it is relatively simple and inexpensive to fabricate1-3. Some additional advantages of leaky mode devices include: large aggregate bandwidth, polarization separation of signal light from noise, large angular deflection and frequency control of color1. In order to realize these advantages, it is necessary to be able to adequately characterize these devices as their operation is strongly dependent on waveguide and transducer parameters4. To characterize the modulators, the authors use a commercial prism coupler as well as a custom characterization apparatus to identify guided modes, calculate waveguide thickness and finally to map the device’s frequency input and angular output of leaky mode modulators. This work gives a detailed description of the measurement and characterization of leaky mode modulators suitable for full-color holographic video.
Introduction
معظم تقنيات العرض الثلاثية الأبعاد، مثل صمامات ضوء منقطة وكذلك أجهزة ممس وموجة السائبة جهري صوتية البصرية، هي من التعقيد بحيث لا تسمح لمشاركة واسعة في تنميتها. قد تتطلب جهري منقطة، ولا سيما مع طبقات المرشح والطائرات الظهر النشطة العشرات من الخطوات الزخرفة في بناء 5 ويمكن أن تقيدها مروحة من 6. وكلما زاد عدد من الزخرفة الخطوات وارتفاع تعقيد الجهاز، وأكثر إحكاما يجب أن يكون بروتوكول تلفيق لتحقيق عائد معقول جهاز 7. موجة السائبة جهري صوتية البصرية لا تصلح لرقاقة العمليات المستندة 8،9. متباين الخواص جهري وضع المتسرب، ومع ذلك، تتطلب خطوتين فقط الزخرفة لصنع واستخدام تقنيات التصنيع الدقيق قياسية نسبيا 10،11. إمكانية الوصول إلى هذه العمليات تجعل من الممكن لأية مؤسسة مع مرافق تصنيع المتواضعة للمشاركة في تطوير حتكنولوجيا العرض olographic فيديو 12.
بساطة تصنيع الجهاز يمكن أن يكون الخدعة، ولكن، كما في وظيفة مناسبة من الأجهزة تعتمد بقوة على الدليل الموجي الذي يجب أن تقاس بدقة وتعديلها لتحقيق خصائص الجهاز المطلوب. على سبيل المثال، إذا كان الدليل الموجي هو عميق جدا، سيتم تضييق عرض النطاق الترددي التشغيلي للجهاز 13. إذا كان دليل موجة ضحلة جدا، قد لا يعمل الجهاز لإضاءة حمراء. إذا كان صلب الدليل الموجي فترة طويلة جدا، وسوف تكون مشوهة شكل الدليل الموجي الشخصية العمق، والتحولات الأحمر والأخضر والأزرق قد لا يجلس المجاور في مجال التردد 14. في هذا العمل تمثل المؤلفين الأدوات والتقنيات اللازمة لتنفيذ هذا التوصيف.
يتكون وضع المغير المتسرب من بروتون وتبادل الدليل الموجي indiffused على سطح إجهادي، X-قطع الليثيوم niobate الركيزة 15،16. في نهاية واحدةمن الدليل الموجي هو بين الأصابع محول الألومنيوم، انظر الشكل 1. يتم إدخال الضوء إلى الدليل الموجي باستخدام مقرنة موشور 17. محول ثم تطلق السطح الموجات الصوتية التي تتفاعل مع الضوء contralinearly في الدليل الموجي على طول المحور الصادي. هذه الأزواج التفاعل الموجهة الضوء إلى وضع المتسرب الذي تسرب من الدليل الموجي في الجزء الأكبر ومخارج الركيزة من على حافة النهاية تواجه 18،19. كما يدور هذا التفاعل الاستقطاب من الشركة المصرية للاتصالات ضوء تسترشد الاستقطاب لTM الاستقطاب ضوء الوضع المتسرب. نمط الموجة الصوتية السطحية هو صورة ثلاثية الأبعاد، وأنها قادرة على مسح وتشكيل ضوء الإخراج إلى تشكيل صورة الثلاثية الأبعاد.
يتم إنشاء الدليل الموجي عن طريق تبادل البروتون. أولا، وتودع الألومنيوم على الركيزة. ثم يتم منقوشة على الألومنيوم الصور lithographically ومحفورا لفضح مناطق الركيزة لتصبح قنوات الدليل الموجي. يتصرف الألومنيوم المتبقية على النحو الثابتقناع. مغمورة الركيزة في ذوبان حمض البنزويك الذي يغير مؤشر على سطح الأرض في المناطق المكشوفة. تتم إزالة الجهاز وتنظيفها ومطوع في فرن دثر. عمق النهائي من الدليل الموجي يحدد عدد من التحولات وضع تتسرب منها المياه. يحدد عمق الدليل الموجي أيضا وتيرة كل التحولات الموجهة إلى وضع لكل لون 4.
تتشكل محولات الألومنيوم من قبل الاقلاع. بعد أن يتم تشكيل الدليل الموجي، ونسج على الركيزة لشعاع E يقاوم. هو نمط من محول بين الأصابع مع شعاع الالكترون لتشكيل محول زقزق تهدف إلى الرد على الفرقة 200 ميغاهيرتز المسؤولة عن مراقبة اللون في الأجهزة الدليل الموجي. يتم تحديد فترة الإصبع التي كتبها Λƒ = ت حيث Λ، هي الفترة إصبع، والخامس، هو سرعة الصوت في الركيزة و، ƒ، هو تردد الراديو (RF). سوف محول لديهم مقاومة التي يجب أن تكون مطابقة ل75 أوم لكفاءة تشغيل 20.
<الطبقة ص = "jove_content"> وجهت إلى التفاعل وضع راشح يحدث على ترددات مختلفة للموجات مختلفة من الضوء الإضاءة ونتيجة لذلك الأحمر والأخضر، والأزرق الفاتح يمكن التحكم في مجال التردد. يتم إنشاء سطح نمط الموجة الصوتية عن طريق إشارة الترددات اللاسلكية إرسالها إلى محول بين الأصابع. الترددات اللاسلكية من إشارة الدخل تترجم إلى الترددات المكانية على سطح نمط الموجة الصوتية. الدليل الموجي يمكن أن تكون ملفقة بحيث إشارات التردد المنخفض السيطرة على الاجتياح الزاوي واتساع الضوء الأحمر، في حين تسيطر الترددات المتوسطة الضوء الأخضر والترددات العليا للرقابة على ضوء الأزرق. وقد حدد الكتاب مجموعة من المعلمات الدليل الموجي التي تسمح كل ثلاثة من هذه التفاعلات أن تكون منفصلة والمجاور في مجال التردد حتى يتسنى لجميع الألوان الثلاثة يمكن السيطرة عليها مع واحدة 200 إشارة ميغاهيرتز الذي هو عرض النطاق الترددي الحد الأقصى من وحدات معالجة الرسومات السلع ( وحدات معالجة الرسومات).ما يناسبها من عرض النطاق الترددي للقناة GPUإلى أن من وضع المغير المتسرب، يصبح النظام الموازي تماما وتدرجية عالية. بإضافة عرض النطاق الترددي أزواج متماثلة لوحدات معالجة الرسومات وقنوات طريقة المغير المتسرب، يمكن للمرء أن بناء يعرض الثلاثية الأبعاد من حجم التعسفي.
بعد إنشاء الجهاز، ويتميز بدقة للتحقق من أن الترددات لموجهة إلى راشح الانتقال الوضع مناسبة للسيطرة على تردد اللون. أولا، ويتم تحديد موقع وسائط تسترشد مقرنة منظور تجاري للتأكد من أن الدليل الموجي لديه عمق مناسب والعدد الصحيح من وسائط الموجهة. ثم، بعد هي التي شنت الأجهزة وتعبئتها، يتم وضعها في مقرنة موشور مخصصة التي تقوم بتعيين ترددات مدخلات الانتاج ضوء الممسوحة ضوئيا. البيانات الناتجة يعطي استجابة تردد الإدخال والإخراج استجابة الزاوي للضوء الأحمر والأخضر، والأزرق للجهاز لفحصها. إذا كان قد تم ملفقة الجهاز بشكل صحيح، سيتم فصل استجابة جهاز الإدخال فيوتردد والاستجابة الناتج تكون متداخلة في زاوية. عندما يتم تأكيد ذلك، فإن الجهاز جاهزا للاستخدام في عرض الفيديو ثلاثي الأبعاد.
القياسات الأولى تتم قبل أن يتم تعبئتها الجهاز. يتم تحديد عمق الدليل الموجي من قبل مقرنة منظور تجاري. ويمكن تحقيق ذلك مع واحد فقط الإضاءة الطول الموجي (عادة 632 نانومتر الأحمر) ولكن الكتاب قد عدلت مقرنة منظور تجاري للسماح لجمع المعلومات واسطة للضوء الأحمر والأخضر والأزرق. بعد التعبئة والتغليف، والجهاز يخضع لقياس الثاني في مقرنة منظور العرف الذي يسجل ضوء الناتج نحيد بوصفها وظيفة من RF الإدخال. وفيما يلي وصف مفصل لهذه القياسات. وترد أيضا خطوات التصنيع.
Protocol
Representative Results
Discussion
تصميم كل جهاز لديه اثنين من الخطوات الحاسمة، وتبادل البروتون وتطوير LOR. من اثنين، وقت صرف بروتون يحدد عمق الدليل الموجي، والذي بدوره يحدد عدد الموجهة إلى التحولات راشح الوضع، وعرض نطاق التردد يمكن السيطرة عليها، وكل معلمة التصميم الرئيسية لكل لون الضوء. هو المطلوب و?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
والكتاب الامتنان على الدعم المالي من مختبر أبحاث سلاح الجو العقد FA8650-14-C-6571 ومن DAQRI LLC.
Materials
| X-Cut Lithium Niobate | Gooch and Housego | 99-00630-01 | Lithium Niobate 3″ Diameter X-CUT Wafer 1mm Polish/Polish |
| Positive Photo Resist 1 | EMD Performance Materials | AZ 3330 F Photoresist | Used in the creation of the proton exchange mask. |
| Photoresist Developer | EMD Performance Materials | AZ MIF 300 | Develops AZ3330 and LOR 3A |
| Aluminium | International Advanced Materials | AL13 | 99.999% Pure |
| Aluminium Etch | Transene | Type A Aluminum Etchant | |
| Benzoic Acid | Sigma Aldrich | 109479-500G | 99% Pure |
| Acetone | Fisher Chemical | UN1009 | |
| IPA | Fisher Chemical | UN1219 | 99.5% pure Isopropyl Alcohol |
| Acidic Piranha etch | Cyantek Corperation | Nanostrip | |
| Under Layer Resist | Micro Chem | LOR 3A | Bottom layer used for liftoff. |
| Positive Photo Resist | Micro Chem | 950 PMMA A9 | Top layer used for liftoff |
| Anisole | Micro Chem | A Thinner | |
| Conductive polymer aqueous solution | Mitsubishi Rayon Company | AquaSAVE | |
| MIBK (4-Methyl-2-pentanone) | Sigma Aldrich | 360511 | Develops PMMA |
| NMP (1-methyl-2-pyrrolidone) | Sigma Aldrich | 328634 | Used for liftoff |
| Name of the Equipment | Company | Catalog Number | Comments/ Description |
| E-beam Evaporator | Denton Vacuum | Integrity 20 | Any equivalent equipment would suffice. |
| Thin Film Spinner | Laurell Technologies Corporation | WS-400A-6NPP-LITE | Any equivalent equipment would suffice. |
| Mask Aligner | Karl Suss America Inc. | MA 150 CC | Any equivalent equipment would suffice. |
| Automatic Dicing Saw | Disco Corperation | Disco Dad 320 | Any equivalent equipment would suffice. |
| Muffle Furnace | Thermo Scientific | FB1415M | Any equivalent equipment would suffice. |
| Electron Microscope | FEI | XL30 ESEM | Any equivalent equipment would suffice. |
| Dehydration Oven | Lab-Line Instruments | Ultra-Clean 100 (3497M-3) | Any equivalent equipment would suffice. |
| Hot Plate | Thermo Scientific | SP131325 | Any equivalent equipment would suffice. |
| Polisher | Ultra Tec Mfg., Inc. | Ultrapol End & Edge Polisher | Any equivalent equipment would suffice. |
| Class IIIb 12V RBG Lasers: Wavelengths(nm): 638, 532, and 445 | Bought second-hand. Probably pulled from a laser projector. Any equivalent equipment would suffice. | ||
| Signal Generator | Agilent | 8648D | Now found at Keysight. Obsolete. Any equivalent equipment would suffice. Needed Frequency sweep 9 KHz-1000 MHz. |
| Signal Amplifier | Mini-Circuits | TB-17 | Necessary only to overcome the limitations of the signal generator. |
| Power Meter Controller | ThorLabs | PM100D | With power meter model S130C. Any equivalent equipment would suffice. Needed sensitivity 500pW |
| Linear Actuator Controller | Newport | ESP7000 | With linear actuator model MFN25PP. Any equivalent equipment would suffice. Needs 0.1mm accuracy. |
| AutomatedDeviceCharacterization.vi | LabView | Experimental Control Software by BYU | Found in the appendix |
| CompareWDMmodes.m | MATLab | Analytical Software by BYU | Found in the appendix |
References
- Smalley, D., Smithwick, Q., Bove, V., Barabas, J., Jolly, S. Anisotropic leaky-mode modulator for holographic video displays. Nature. 498 (7454), 313-317 (2013).
- Smalley, D., Smithwick, Q., Bove, V. Holographic video display based on guided-wave acousto-optic devices. Proc. SPIE. 6488, 64880L-64880L-7 (2007).
- Smalley, D. . Holovideo on a stick: integrated optics for holographic video displays. , (2013).
- Henrie, A., Haymore, B., Smalley, D. Frequency division color characterization apparatus for anisotropic leaky mode light modulators. Rev Sci Instrum. 86 (2), (2015).
- Lawes, R. . MEMS Cost Analysis: Basic Fabrication Processes. , (2014).
- Pearson, E. . Mems spatial light modulator for holographic displays. , (2001).
- Tabata, M. Risk and Mobility: A Case Study of the Thin-Film Transistor Liquid-Crystal Display Industry in East Asia. East Asian Science, Technology and Society. 9 (2), 151-166 (2015).
- Pape, D., Goutzoulis, A., Kulakov, S. . Design and fabrication of acousto-optic devices. , (1994).
- Chang, I., Lee, S. Efficient Wideband Acuosto-Optic Bragg Cells. Ultrasonics Symposium. , 427-430 (1983).
- Proklov, V., Korablev, E. Multichannel waveguide devices using collinear acousto-optic interaction. Proc. SPIE. 1932, 298-311 (1993).
- Ito, K., Kawamoto, K. An optical deflector using collinear acoustooptic coupling fabricated on proton-exchanged LiNbO 3. Jpn. J. Appl. Phys. 37 (9R), 4858 (1998).
- Smalley, D., Smithwick, Q., Barabas, J., Jolly, S., DellaSilva, C. Holovideo for everyone: a low-cost holovideo monitor. J Phys Conf Ser. 415 (1), 012055 (2013).
- McClaughlin, S., Leach, C., Henrie, A., Smalley, D., Jolly, S., Bove, V. Frequency Division of Color for Holovideo Displays using Anisotropic Leaky Mode Couplers. Optical Society of America, 2015. , (2015).
- McLaughlin, S., Leach, C., Henrie, A., Smalley, D. Optimized guided-to-leaky-mode device for graphics processing unit controlled frequency division of color. Appl. Opt. 54 (12), 3732-3736 (2015).
- Jackel, J., Rice, C., Veselka, J. Proton exchange for high-index waveguides in LiNbO3. Appl. Phys. Lett. 41 (7), 607-608 (1982).
- Wong, K. . Properties of lithium niobate. , (2002).
- Tien, P., Ulrich, R. Theory of prism-film coupler and thin-film light guides. JOSA. 60 (10), 1325-1337 (1970).
- Tsai, C. . Guided-wave acousto-optics: interactions, devices, and applications. , (1990).
- Proklov, V., Korablev, E. Multichannel waveguide devices using collinear acousto-optic interaction. Proc. SPIE. 1932, 298-311 (1993).
- Li, R. . Circuit Design. , (2012).
- Lawrence, C. The mechanics of spin coating of polymer films. Phys. Fluids. 31 (10), 2786-2795 (1988).
- Fontana, R., Katine, J., Rooks, M., Viswanathan, R., Lille, J., MacDonald, S., et al. E-beam writing: a next-generation lithography approach for thin-film head critical features. IEEE Trans. Magn. 38 (1), 95-100 (2002).
- Robertson, M. . Substrate Surface Preparation Handbook. , (2011).
- Monneret, S., Flory, F., et al. M-lines technique: prism coupling measurement and discussion of accuracy for homogeneous waveguides. J Opt A-Pure Appl Op. 2 (3), 188 (2000).
