Holovideo için Eşyönsüz Çatlak Modu Modülatörleri Karakterizasyonu
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
Böyle pikselli ışık vanalar yanı sıra MEM cihazlar ve toplu dalga acousto-optik modülatörleri olarak en holografik görüntü teknolojileri, onların gelişiminde geniş katılımlı sağlamak için çok karmaşık. Pikselli modülatörleri, filtre katmanları ve aktif arka uçakları ile özellikle 5 oluşturmak için desenlendirme adımlar onlarca gerektirebilir ve fan-out 6 ile sınırlı olabilir. Cihaz karmaşıklığı yüksek desen sayısı adımları büyüktür ve sıkı üretim protokolü makul cihaz verimi 7 ulaşmak olmalıdır. Toplu dalga acousto-optik modülatörler tabanlı süreçleri 8,9 gofret kendilerini ödünç yok. Anizotropik sızdıran mod modülatörleri Bununla birlikte, imal ve nispeten standart mikroimalat teknikleri 10,11 kullanmak için sadece iki desenleme adımlar gerektirir. mütevazı fabrikasyon tesisleri ile herhangi bir kurum h gelişimine katılmak için bu süreçlerin erişilebilirlik mümkün haleolographic video görüntü teknolojisi 12.
cihazların doğru fonksiyonu dikkatle ölçülmüş ve istenen aygıt özellikleri elde etmek için ayarlanmış olmalıdır dalga kılavuzları üzerine sıkı bir şekilde bağlıdır gibi aygıt fabrikasyon basitlik, ancak aldatıcı olabilir. Dalga çok derin Örneğin, cihazın operasyonel bant genişliği 13 daralmış olacaktır. dalga kılavuzu çok sığ ise, cihaz kırmızı aydınlatma çalışmayabilir. Dalga çok uzun tavlanır ise, dalga kılavuzu derinlik profilinin şekli bozuk olacak ve kırmızı, yeşil ve mavi geçişler frekans alanında 14 bitişik oturmak olmayabilir. Bu çalışmada yazarlar bu karakterizasyonu gerçekleştirmek için araçlar ve teknikler mevcut.
Bir proton lityum niobat substrat 15,16-kesim X bir piezoelektrik yüzeyinde indiffused dalga kılavuzu alışverişinde sızdıran modu modülatörü içerir. Sondan birincidalga kılavuzu bir alüminyum İnterdijital dönüştürücü değildir, bakınız Şekil 1. Işık prizma bağlayıcı 17 ile dalga kılavuzu sokulur. dönüştürücü sonra y ekseni boyunca dalga kılavuzundaki ışık ile contralinearly etkileşim akustik dalgalar yüzey başlattı. Toplu içine dalga kılavuzunun dışarı sızar ve nihayet kenarından alt tabakayı çıkar sızdıran moduna ışık güdümlü Bu etkileşim çiftler 18,19 karşıya. Bu etkileşim de TM sızdıran mod ışığı polarize TE polarize güdümlü ışıktan polarizasyon döner. Yüzey akustik dalga modeli bir hologram 'dır, ve tarama ve holografik bir görüntü oluşturmak için çıkış ışığı şekillendirme özelliğine sahiptir.
Dalga proton değişim tarafından oluşturulur. İlk olarak, alüminyum alt-tabaka üzerine bırakılır. Sonra alüminyum dalga kanalları olmak için substrat bölgeleri göstermek için fotoğraf lithographically ve kazınmış desenli. Geri kalan alüminyum sert olarak hareket edermaske. alt-tabaka maruz kalan bölgelerde yüzeye endeksi değiştirir benzoik asit eriyiği içine daldırılmaktadır. Cihaz çıkarılır temizlenmiş ve bir mufla fırınında tavlanmaktadır. dalga kılavuzunun derinliğine sızıntılı mod geçiş sayısını belirler. Dalga derinliği de her renk 4 her güdümlü to-mod geçişleri sıklığını belirler.
Alüminyum dönüştürücüler liftoff ile oluşturulmaktadır. dalga kılavuzu oluşturulur sonra, bir E-ışını substrat üzerine döndürülür karşı. Bir birlisme dönüştürücü dalga cihazlarda renk kontrol etmekten sorumlu 200 MHz bandında yanıt vermek için tasarlanmış bir şekilde daraltılmış dönüştürücüyü oluşturmak için bir elektron ışını ile desenli. Parmak süresi Λƒ = parmak dönemi, Λ v, v ile belirlenir, ƒ, radyo frekansı (RF) ise, alt-tabaka içinde ses hızı ve. Dönüştürücü verimli çalışması 20 75 ohm uygun olmalıdır bir empedans sahip olacaktır.
<sızdıran mod etkileşim güdümlü p class = "jove_content"> aydınlatma ışığı farklı dalga boylarında farklı frekanslarda ve kırmızı, yeşil ve mavi ışık frekans kontrol edilebilir bir sonucu olarak ortaya çıkar. Yüzey akustik dalga modeli interdijital dönüştürücüye gönderilir bir RF sinyali ile oluşturulur. Giriş sinyalinin RF yüzey akustik dalga deseni uzaysal frekansları çevirmek. düşük frekanslı sinyaller kırmızı ışık açısal süpürme ve genlik kontrol böylece orta frekansları yeşil ışık kontrol ve yüksek frekanslar mavi ışık kontrol ederken dalga kılavuzu, imal edilebilir. Yazarlar, bu etkileşimlerin, üç frekans, ayrı ve bitişik olmasını sağlar dalga kılavuzu bir parametre seti belirledik, böylece tüm üç renk meta grafik işleme birimlerinin maksimum bant (tek bir 200 MHz sinyal ile kontrol edilebilir GPU'lar).GPU kanalının bant genişliği eşleştirerekBir sızdıran mod modülatörü olduğu için sistem tamamen paralel ve yüksek ölçeklenebilir hale gelir. GPU ve sızan mod modülatör kanallarının bant genişliği eşleşen çiftleri ekleyerek, kimse keyfi boyutta holografik görüntüler inşa edebilir.
Cihaz oluşturulduktan sonra, dikkatli güdümlü-to-sızdıran mod geçiş için frekanslar renk frekans kontrolü için uygun olduğunu doğrulamak için karakterize edilir. İlk olarak, güdümlü modları yeri dalga uygun derinlik ve güdümlü modları doğru sayıda sahip olduğunu doğrulamak için ticari bir prizma coupler tarafından belirlenir. cihazlar monte edilen ve paketlenen sonra daha sonra, taranmış çıkış ışık giriş frekanslarını eşleştiren bir özel prizma bağlayıcı yerleştirilir. Elde edilen veriler frekans giriş tepkisi ve cihaz test edilecek için kırmızı, yeşil ve mavi ışık için açısal çıkış yanıtını verir. aygıt doğru imal edilmiştir, cihaz, giriş yanıtı ayrılacaktırfrekans ve çıkış tepkisi açıda üst üste olacak. Bu teyit edildiğinde, cihaz holografik video görüntüsüne kullanıma hazırdır.
Cihaz paketlenmeden önce ilk ölçümler yapılır. Dalga kılavuzu derinliği ticari bir prizma bağlayıcı ile belirlenir. Bu sadece bir aydınlatma dalga boyu ile gerçekleştirilebilir (tipik 632 kırmızı nm) ama yazarlar, kırmızı, yeşil ve mavi ışık modu bilgileri toplamak için izin ticari prizma kuplörünü değiştirdiniz. Doldurma işleminden sonra, cihaz, giriş RF bir fonksiyonu olarak kıvrılmış çıkış ışığı kaydeden bir özel prizma bağlayıcı ikinci bir ölçüm maruz kalır. Bu ölçümlerin ayrıntılı bir açıklaması aşağıdadır. Fabrikasyon adımları da verilmiştir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Her cihazın tasarımı iki kritik adım, proton değişim ve LOR gelişimi vardır. iki ki, proton değişim zamanı sırayla sızan mod geçişleri, kontrol frekans bant genişliği ve ışığın her renk için her tuş tasarım parametresi güdümlü sayısını belirler dalga kılavuzu, derinliğini belirler. kırmızı iki rehberli modu arzu edilir. daha sonra varsa bant genişliği kurban. az exist sonra hiçbir sızdıran mod geçiş güdümlü takdirde garanti edilir. istenilen sonucu elde etmek için proton de…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar minnetle Hava Kuvvetleri Araştırma Laboratuvarı sözleşme FA8650-14-C-6571 den ve DAQRI LLC mali destek kabul.
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).
