Характеристика анизотропными Дырявом режима модуляторы для Holovideo
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
Большинство голографические технологии отображения, такие как Pixelated световые клапаны, а также MEMS устройств и объемной волны акустооптических модуляторов, слишком сложны, чтобы обеспечить широкое участие в их развитии. Неровной модуляторы, особенно с фильтрующими слоями и активных задних плоскостей может потребоваться несколько десятков шагов кучность построить 5 и может быть ограничено разветвления 6. Чем больше число шагов кучность, чем выше сложность устройства, и тем плотнее протокол изготовление должен быть для достижения разумного выхода устройства 7. Bulk-волновые акустооптических модуляторов не поддаются полупроводниковой пластине процессов на основе 8,9. Анизотропные модуляторы негерметичных режим, однако, требуют только два формирования паттерна шаги для изготовления и использования относительно стандартных методов микротехнологий 10,11. Доступность этих процессов позволяют любое учреждение со скромными установками для изготовления участвовать в разработке чТехнология дисплея olographic видео 12.
Простота изготовления устройства может быть заманчиво, тем не менее, поскольку правильное функционирование устройств сильно зависит от волноводов, которые должны быть тщательно измеряется и регулируется для достижения желаемых характеристик устройства. Например, если волновод слишком глубоко, оперативной пропускной способности устройства будет сужен 13. Если волновод слишком мелкой, устройство не может работать на красной подсветкой. Если волновод отжигают слишком долго, форма глубины профиля волновода будет искажена, а красный, зеленый и синий переходы не могут сидеть смежными в частотной области 14. В данной работе авторы представляют инструменты и методы для выполнения этой характеристики.
Негерметичных режим модулятора состоит из протона обмениваются волновод indiffused на поверхности пьезоэлектрика, Х-среза ниобата лития субстрат 15,16. На одном концеволновода представляет собой встречно- штыревой преобразователь алюминия, рисунок 1. Свет вводится в волновод с помощью призмы ответвитель 17. Преобразователь затем запускает поверхностные акустические волны, которые взаимодействуют с contralinearly света в волноводе вдоль оси у. Это взаимодействие пары управляемые свет в дырявой режим , который просачивается из волновода в объеме и , наконец , выходит из подложки от края сталкиваются с 18,19. Это взаимодействие также поворачивает поляризацию от TE-поляризованного света направленной на ТМ поляризованный свет вытекающей режима. Узор на поверхностных акустических волнах является голограмма, и он способен сканировать и формировать выходной свет, чтобы сформировать голографическое изображение.
Волновод создается путем протонного обмена. Во-первых, алюминий осаждается на подложку. Затем алюминий структурируют фото-фотолитографии и травлению выставить регионы подложки, чтобы стать волноводных каналов. Оставшийся алюминий действует как жесткиймаска. Подложку погружают в расплав бензойной кислоты, которая приводит к изменению индекса поверхности в облученные области. Устройство удаляется, очищают и отжигают в муфельной печи. Конечная глубина волновода определяет количество вытекающей режима переходов. Глубина волновода также определяет частоту каждого направляемого к режиме переходов для каждого цвета 4.
Алюминиевые преобразователи образованы старту. После того, как образованы волноводы, Е-луч сопротивление формуют на подложку. Встречно-штыревой преобразователь структурируют с электронным пучком для формирования ЛЧМ-преобразователь, предназначенный для ответа на полосе 200 МГц отвечает за управление цветом в волноводных устройств. Период палец определяется Λƒ = V, где Λ, является периодом палец, V, является скорость звука в подложке и, ƒ, является радиочастотный (RF). Преобразователь будет иметь импеданс , который должен быть согласован с 75 Ом для эффективной работы 20.
<р класс = "jove_content"> Управляемая уплотнении взаимодействия мод происходит при различных частотах для разных длин света подсветки, и в результате красный, зеленый и синий свет можно управлять в частотной области. Поверхность модели акустическая волна генерируется РЧ-сигнала, посылаемого на межпальцевых преобразователя. Радиочастотный входного сигнала перевести на пространственных частот на структуру поверхностной акустической волны. Волновод может быть изготовлен так, что низкочастотные сигналы управления угловую развертки и амплитуды красного света, в то время как средние частоты контролировать зеленый свет и высокие частоты управления синим светом. Авторы определили набор параметров волновода, которые позволяют все три из этих взаимодействий, чтобы быть отдельными и смежными в частотной области, так что все три цвета можно управлять с помощью одного сигнала 200 МГц, который является максимальная пропускная способность единиц товарных графических процессоров ( Графические процессоры).Путем сопоставления пропускной способности канала GPUк тому, что из дырявой режима модулятора, система становится полностью параллельной и высокой степенью масштабируемости. При добавлении к пропускной способности соответствуют пары графических процессоров и негерметичных каналов в режиме модулятора, можно построить голографические дисплеи произвольного размера.
После того, как устройство будет создан, он тщательно характеризуется, чтобы убедиться, что частоты для управляемой к вытекающей режиме перехода подходят для регулирования частоты цвета. Во-первых, расположение волноводных мод определяются коммерческой призмы ответвитель, чтобы подтвердить, что волновод имеет соответствующую глубину и правильное число волноводных мод. Затем, после того, как эти устройства установлены и упакованы, они помещаются в пользовательской призмы ответвитель, преобразующий входные частоты сканированного выходного света. Полученные данные дает ответ входной частоты и угловой выходной отклик для красного, зеленого и синего света для устройства, подлежащего испытанию. Если устройство было изготовлено правильно, то ответ устройство ввода будет отделено вчастота и отклик на выходе будет перекрытие в угле. Когда это подтверждается, устройство готово к использованию в голографическом дисплее видео.
Первые измерения проводятся до того, как устройство было упаковано. Глубина волновод определяется коммерческой призм ответвитель. Это может быть достигнуто только с одной длиной волны освещения (как правило, 632 нм красный), но авторы изменили их коммерческой призмы ответвитель, чтобы позволить ему собрать информацию о режиме для красного, зеленого и синего света. После того, как упаковка, устройство проходит второе измерение в пользовательском призм ответвитель, который записывает преломленного выходного света в зависимости от входного сигнала RF. Подробное описание этих измерений следующим образом. также приведены шаги изготовления.
Protocol
Representative Results
Discussion
Конструкция каждого устройства имеет два важных шагов, обмена протонов и развитие LOR. Из этих двух протонной обменной время определяет глубину волновода, который, в свою очередь, определяет количество направляется в негерметичных режиме переходов, ширина полосы частот контролируемой,…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы выражают признательность за финансовую поддержку со стороны военно-воздушных сил Научно-исследовательской лаборатории контракта FA8650-14-C-6571 и от 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).
