各向异性泄漏模调制器在全息视频中的表征

摘要

本研究描述了用于全息视频的各向异性泄漏模式调制器的制备与表征。

摘要

全息视频显示基于能够弯曲光线的空间光调制器。一种此类空间光调制器是各向异性泄漏模式调制器。这种调制器特别适用于全息视频实验，因其制造相对简单且成本较低^1-3。泄漏模式器件的一些其他优势包括：较大的总带宽、信号光与噪声之间的偏振分离、较大的角度偏转以及对颜色的频率控制¹。为了实现这些优势，必须能够充分表征这些器件，因为其工作性能强烈依赖于波导和换能器参数⁴。为了表征这些调制器，作者使用商用棱镜耦合器以及自行设计的表征装置，以识别导波模式、计算波导厚度，并最终绘制泄漏模式调制器的频率输入与角度输出关系图。本研究详细描述了适用于全彩全息视频的泄漏模式调制器的测量与表征方法。

引言

大多数全息显示技术，例如像素化光阀、MEMS 器件以及体波声光调制器，结构过于复杂，难以广泛参与其研发过程。像素化调制器，特别是带有滤光层和有源背板的器件，可能需要数十道图形化步骤才能制备⁵，且可能受限于扇出能力⁶。图形化步骤越多，器件复杂度越高， fabrication 工艺必须更加严格，才能获得合理的器件产率⁷。体波声光调制器则难以适用于晶圆级工艺^8,9。然而，各向异性泄漏模调制器仅需两步图形化工艺即可制备，并采用相对标准的微加工技术^10,11。这些工艺的可及性使得任何具备基本 fabrication 设施的机构都有可能参与全息视频显示技术的开发¹²。

尽管器件制备过程看似简单，但器件的正常功能在很大程度上依赖于波导，而波导必须经过精确测量和调整，才能实现所需的器件特性。例如，如果波导过深，器件的工作带宽将变窄¹³。如果波导过浅，器件可能无法在红光照明下工作。如果波导退火时间过长，其深度轮廓的形状将发生畸变，导致红、绿、蓝三色在频率域中的过渡区域无法相邻排列¹⁴。在本研究中，作者介绍了用于完成此类表征的工具与技术。

漏模调制器由质子交换波导构成，该波导扩散于压电性x切型铌酸锂基底表面^15,16。在波导的一端设有铝制叉指换能....

方案

1. 初始准备

注意：请从一块新的X切型铌酸锂晶圆开始。该晶圆应为光学级，厚度为1 mm，表面洁净，无任何沉积物，双面抛光，且正面有标记。

1. 使用电子束蒸发仪或同等设备，在50 µTorr的真空度下以5 Å/sec的速率在晶圆上蒸镀200 nm厚的铝膜。为复现本文所述结果，请将晶圆阵列置于铝坩埚上方65 cm处。
2. 在晶圆上滴加30滴正性光刻胶（如AZ3330），以3,000 rpm转速旋涂60秒。随后在90 °C下软烘60秒。注：有关旋涂聚合物薄膜机理的详细描述，请参见C. J. Lawrence²¹的研究。
3. 使用合适的掩模版，例如附录中提供的"Mask 1. Proton Exchange Mask.dxf"文件，采用带有350 W汞灯或同等光源的掩模对准仪，按照设备规格曝光10秒。确保晶圆对准，使波导方向与y轴平行。
4. 将光刻胶在正性光刻胶显影液中显影60秒。随后在110 °C下坚膜烘烤60秒。将样品浸入加热至50 °C的1 L铝刻蚀液中2分钟，彻底去除暴露的铝层。
   警告：铝刻蚀液具有毒性、腐蚀性且有害。请查阅材料安全数据表（MSDS）以了解该化学品的正确操作与储存方法。处理该化学品时需佩戴适当的酸性物质防护个人装备。
5. 用丙酮冲洗，随后用异丙醇（IPA）清洗，以去除光刻胶掩模。
6. 使用厚度为0.016英寸、切割深度为0.165英寸的金刚石刀片，在....

结果

上述方案的主要结果包括：商用棱镜耦合器测得的导模数据（如图2所示）、定制棱镜耦合器采集的单频原始输入/输出数据（如图8所示），以及如图9所示的多色曲线。在下文段落中，我们将讨论这些输出结果所提供的可操作信息。

商用棱镜耦合器获取的导模信息主要用于确定波导深度，但导模的数量及其间距还包含与泄漏模工作相关的其他有用信息。为了使泄漏模器件按设计工作，必须确保每种颜色都存在从导模到泄漏模的转换，实验表明，当每个照明波长下至少存在两个导模时，这一条件即可满足。这一点对红光尤其重要，因为在三种显示颜色中，红光的导模数量最少。应增加或减少第二步中的质子交换时间，以确保存在两个红光导模。通常情况下，红光中存在两个导模意味着绿光和蓝光中也至少各有两个导模。针对颜色频分复用优化的器件表现出在红光中有两个导模、绿光中有三个导模、蓝光中有四个导模。如果退火时间过长，绿光和蓝光.......

讨论

每种器件的设计包含两个关键步骤：质子交换和LOR的形成。在这两个步骤中，质子交换时间决定了波导的深度，而波导深度又决定了导模到泄漏模转换的次数、可调控的频率带宽，以及每种颜色光对应的所有关键设计参数。对于红光，期望存在两个导模。如果导模数量过多，则会牺牲带宽；如果过少，则无法保证发生导模到泄漏模的转换。请遵循步骤2.2.1中的说明，调整质子交换时间以达到理想结果。

正确的LOR显影对于叉指换能器的正常抬离及其功能至关重要。该步骤最好通过实践经验来掌握。使用未稀释的显影液会在7秒内导致换能器指状电极被冲蚀，而使用50%浓度的显影液则约需35秒。具体显影时间因器件而异，因此建议先在50%浓度的显影液中显影25秒，随后多次短暂暴露于更稀释的溶液中进行进一步处理。若出现冲蚀现象，应减少显影时间或降低溶液浓度，以获得理想结果。

在表征过程中，棱镜耦合与对准是关键步骤。如果器件的棱镜耦合效果不佳或对准不准确，将没有光进入波导，从而无法测量结果。最佳对准效果可通过微小调整实现。散射光的变化可指示接近模式线的情况，或显示叉指换能器的临近位置。.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
X切型铌酸锂	Gooch and Housego	99-00630-01	直径3″的X切型铌酸锂晶圆，抛光/抛光，厚度1 mm
正性光刻胶1	EMD Performance Materials	AZ 3330 F Photoresist	用于制备质子交换掩模
光刻胶显影液	EMD Performance Materials	AZ MIF 300	用于显影AZ3330和LOR 3A
铝	International Advanced Materials	AL13	纯度99.999%
铝刻蚀液	Transene	Type A Aluminum Etchant
苯甲酸	Sigma Aldrich	109479-500G	纯度99%
丙酮	Fisher Chemical	UN1009
异丙醇（IPA）	Fisher Chemical	UN1219	纯度99.5%的异丙醇
酸性piranha刻蚀液	Cyantek Corperation	Nanostrip
底层剥离胶	Micro Chem	LOR 3A	用于剥离工艺的底层胶
正性光刻胶	Micro Chem	950 PMMA A9	用于剥离工艺的顶层胶
苯甲醚	Micro Chem	A Thinner
导电聚合物水溶液	Mitsubishi Rayon Company	AquaSAVE
MIBK（4-甲基-2-戊酮）	Sigma Aldrich	360511	用于显影PMMA
NMP（1-甲基-2-吡咯烷酮）	Sigma Aldrich	328634	用于剥离工艺
电子束蒸发仪	Denton Vacuum	Integrity 20	任何功能相当的设备均可替代。
薄膜匀胶机	Laurell Technologies Corporation	WS-400A-6NPP-LITE	任何功能相当的设备均可替代。
掩模对准仪	Karl Suss America Inc.	MA 150 CC	任何功能相当的设备均可替代。
自动划片机	Disco Corperation	Disco Dad 320	任何功能相当的设备均可替代。
马弗炉	Thermo Scientific	FB1415M	任何功能相当的设备均可替代。
电子显微镜	FEI	XL30 ESEM	任何功能相当的设备均可替代。
脱水烘箱	Lab-Line Instruments	Ultra-Clean 100  (3497M-3)	任何功能相当的设备均可替代。
加热板	Thermo Scientific	SP131325	任何功能相当的设备均可替代。
抛光机	Ultra Tec Mfg., Inc.	Ultrapol End & Edge Polisher	任何功能相当的设备均可替代。
IIIb类12 V红绿蓝激光器：波长（nm）：638、532和445			二手购得，可能取自激光投影仪。任何功能相当的设备均可替代。
信号发生器	Agilent	8648D	现由Keysight提供，已停产。任何功能相当的设备均可替代。需具备9 kHz–1,000 MHz频率扫描功能。
信号放大器	Mini-Circuits	TB-17	仅用于克服信号发生器的输出限制。
功率计控制器	ThorLabs	PM100D	配合S130C型号功率计使用。任何功能相当的设备均可替代。需具备500 pW的灵敏度。
线性执行器控制器	Newport	ESP7000	配合MFN25PP型号线性执行器使用。任何功能相当的设备均可替代。需具备0.1 mm的定位精度。
AutomatedDeviceCharacterization.vi	LabView	由杨百翰大学（BYU）开发的实验控制软件	见附录
CompareWDMmodes.m	MATLab	由杨百翰大学（BYU）开发的分析软件	见附录