Introduction
De fleste holografiske display teknologier, såsom pixeleret lys ventiler samt MEMS-enheder og bulk-bølge akustisk-optiske modulatorer, er for komplekse til at give mulighed for bred deltagelse i deres udvikling. Pixelerede modulatorer, især dem med filterlag og aktive ryg fly kan kræve dusinvis af mønsterdannende trin til at bygge fem og kan begrænses ved fan-out 6. Jo større antallet af mønster trin højere enhedens kompleksitet, og strammere fabrikation protokollen skal være at opnå en rimelig enhed udbytte 7. Bulk-bølge akustisk-optiske modulatorer ikke egner sig til wafer baserede processer 8,9. Anisotropisk utæt tilstand modulatorer kræver imidlertid kun to mønsterdannende trin til at fremstille og udnytte relativt standard microfabrication teknikker 10,11. Tilgængeligheden af disse processer gør det muligt for enhver institution med beskedne fabrikationsfaciliteter til at deltage i udviklingen af holographic video display teknologi 12.
Enkeltheden enhed fabrikation kan være morsomme, men som den korrekte funktion af enhederne er stærkt afhængig af bølgeledere, som skal være omhyggeligt målt og justeret for at opnå den ønskede enhed karakteristika. For eksempel, hvis bølgelederen er for dybt, enhedens operationelle båndbredde vil blive indsnævret 13. Hvis den bølge guide er for lavvandet, kan enheden ikke arbejde for rød belysning. Hvis bølgelederen udglødes for længe, vil formen af bølgelederen dybde profil blive forvrænget, og de røde, grønne og blå overgange kan ikke sidde tilstødende i frekvensdomænet 14. I dette arbejde forfatterne præsentere de værktøjer og teknikker til at udføre denne karakteristik.
Den utætte tilstand modulator består af en proton udvekslet bølgeleder indiffused på overfladen af en piezoelektrisk, x-cut lithiumniobat substrat 15,16. I den ene endeaf bølgelederen er en aluminium interdigital transducer, se figur 1. Lys indføres i bølgelederen ved anvendelse af en prisme kobler 17. Transduceren derefter lancerer akustiske overfladebølger, som interagerer contralinearly med lys i bølgelederen langs y-aksen. Denne interaktion par guidede lys ind i en utæt mode, som siver ud af bølgelederen i bulk og endelig forlader underlaget fra kanten står 18,19. Denne interaktion også roterer polariseringen fra TE polariseret guidet lys til TM polariseret utætte tilstand lys. Overfladen akustiske bølge mønster er hologrammet, og det er i stand til at scanne og forme output lys til dannelse af et holografisk billede.
Bølgelederen er skabt af proton udveksling. Først aluminium aflejret på substratet. Derefter aluminium er mønstret foto-litografisk og ætset for at blotlægge regioner af substratet for at blive bølgelederkanalerne. Den resterende aluminium fungerer som en hårdmaske. Substratet er nedsænket i en smelte af benzoesyre som ændrer overfladen indeks i de eksponerede områder. Enheden fjernes, renses og udglødet i en muffelovn. Den endelige dybde af bølgelederen bestemmer antallet af utætte funktionsovergange. Den waveguide dybde bestemmer også hyppigheden af hver guidede-til-tilstand overgange for hver farve 4.
Aluminium transducere dannes ved liftoff. Efter bølgeledere er dannet, en E-beam modstå er spundet på substratet. En interdigital transducer er mønstret med en elektronstråle til at danne en pibende transducer designet til at reagere på 200 MHz-båndet er ansvarlig for kontrollen farve i waveguide enheder. Fingeren bestemmes af Λƒ = v hvor Λ, er den finger periode, v, er hastigheden af lyd i underlaget og, ƒ, er den radiofrekvens (RF). Transduceren vil have en impedans, der skal matches til 75 ohm for effektiv drift 20.
<p class = "jove_content"> Den guidet til utætte tilstand interaktion forekommer ved forskellige frekvenser for forskellige bølgelængder af belysningslys og som et resultat rød, grøn og blå lys kan styres i frekvensdomænet. Overfladen akustiske bølge mønster frembringes af et RF-signal sendes til interdigital transducer. RF af indgangssignalet oversætte til rumlige frekvenser på overfladen akustiske bølge mønster. Bølgelederen kan være fremstillet således, at lavfrekvente signaler styrer vinkelpositionen sweep og amplitude af rødt lys, mens midterste frekvenser styre grønt lys og høje frekvenser styre blåt lys. Forfatterne har identificeret et sæt waveguide parametre, der tillader alle tre af disse interaktioner at være adskilt og støder i frekvensdomænet, således at alle tre farver kan styres med en enkelt 200 MHz signal, som er den maksimale båndbredde af råvare grafiske processorer ( GPU'er).Ved at sammenholde båndbredden af en GPU kanaltil, at en utæt tilstand modulator, bliver systemet fuldt parallelle og meget skalerbar. Ved at tilføje båndbredde matchede par af GPU'er og utætte tilstand modulator kanaler, kan man konstruere holografiske skærme af vilkårlig størrelse.
Når enheden er oprettet, er det omhyggeligt karakteriseret at kontrollere, at de frekvenser, for guidede-til-utæt tilstand overgang er passende for frekvensstyring af farver. Først placeringen af de guidede tilstande bestemt af en kommerciel prisme kobling at bekræfte, at waveguide har passende dybde og det korrekte antal guidede modes. Så efter enhederne er monteret og pakket, placeres de i en brugerdefineret prisme kobling der kortlægger input frekvenser af det scannede output lys. De resulterende data giver frekvensen input respons og den kantede output respons for rød, grøn og blå lys for enheden, der skal testes. Hvis enheden er blevet fremstillet korrekt, vil enheden input respons adskilles ifrekvens og output svar vil være overlappende i vinkel. Når dette er bekræftet, at enheden er klar til brug i en holografisk videoskærm.
De første målinger finde sted før enheden er blevet pakket. Bølgelederen dybde er bestemt af en kommerciel prisme kobler. Dette kan opnås med kun én belysningsbølgelængde (typisk 632 nm rød), men forfatterne har ændret deres kommercielle prisme kobling til at tillade den at indsamle tilstand oplysninger for rød, grøn og blå lys. Efter pakning indretningen undergår en anden måling i en brugerdefineret prisme kobling som registrerer afrettet output lys som en funktion af input RF. En detaljeret beskrivelse af disse målinger følger. Fabrikationstrin er også givet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Indledende forberedelse
Bemærk: Begynd med en ny X-cut lithiumniobat wafer. Det bør være optisk kvalitet, 1 mm tyk, ren, med intet aflejret på overfladen, begge sider poleret, og den øverste side mærket.
- Under anvendelse af en elektronstråle Fordamper eller tilsvarende maskine ved et vakuum på 50 μTorr, fordampe 200 nm af aluminium på waferen ved 5 Å / sek. For at kopiere de præsenterede resultater, placere wafer konstellation 65 cm over aluminium smeltedigel.
- Spin på 30 dråber af en positiv fotoresist, såsom AZ3330, ved 3000 rpm i 60 sek. Softbake resisten ved 90 ° C i 60 sek. Bemærk: For en detaljeret beskrivelse af mekanikken i spinning polymer film ser det arbejde, som CJ Lawrence 21.
- Brug den korrekte maske, såsom "Mask 1. Proton Exchange Mask.dxf" fil leveres i tillægget, udsætte wafer ved hjælp af en maske aligner med en 350 W kviksølv pære eller tilsvarende for 10 sek pr maskine specifications. Sikre, at skiven er justeret således, at bølgelederne er parallel med y-aksen.
- Udvikle modstå i en positiv fotoresist udvikler for 60 sek. Hard bage waferen i 60 sekunder ved 110 ° C. Etch væk den eksponerede aluminium fuldstændigt ved nedsænkning det i 2 minutter i en 1 L opløsning aluminium etch opvarmet til 50 ° C.
ADVARSEL: Aluminium etch er giftigt, ætsende og skadeligt. Se sikkerhedsdatablad for korrekt håndtering og opbevaring af dette kemikalie. Brug korrekt personlige værnemidler til syre ved håndtering af dette kemikalie. - Fjern fotoresist maske med en skylning acetone efterfulgt af isopropylalkohol (IPA).
- Ved hjælp af en 0,016 i. Tyk diamantklinge med en eksponering dybde 0,165 i. På en automatisk udskæringssav, skære wafer i 10 x 15 mm 2 enheder med den lange dimension parallel med y-aksen.
Bemærk: Klingen vil ikke skære hele vejen gennem substratet. For at adskille hver enhed, blot understrege hvert snit foretaget af udskæringssav. Hver 10 x 15 mm 2 Enheden vil individuelt gå gennem de resterende trin i protokollen.
2. Proton Exchange
- Placer en enkelt enhed i et reagensglas med et lille hul jorden i bunden for at muliggøre kontakt mellem enheden og alle flydende bade.
- Protonudveksling indretningen ved nedsænkning i en 1 L smelte af 99% ren benzoesyre ved 240 ° C. Brug en sættetid på 10 min og 10 sek for at nå målet dybde på 0,4504 um.
Bemærk: proton udveksling sættetid er dikteret af diffusionskoefficienten, D, der for forfatternes smelte er i øjeblikket D = 0,2993. Proton udveksling sættetid beregnes under anvendelse af forholdet T = d2 / (4 D). I denne ligning, T er udveksling i timer, d er waveguide dybde i mikron, og D er diffusionskoefficienten. For en detaljeret beskrivelse af mekanikken i proton udveksling se det arbejde, som JL Jackel 1Fem. - Fjern enheden, og lad den køle af i 5 min, eller indtil cool at røre ved. Rens off enhver benzoesyre resten med en skylning af acetone og derefter IPA.
3. Anneal
- Placer enheden på en almindelig reagensglas og wrap røret i alufolie. Glasset anbringes i en muffelovn i 45 min ved 375 ° C. Fjern enheden, og lad den køle af i 5 min, eller indtil cool at røre ved.
4. Rengør
- Rengør aluminium maske fra enheden ved hjælp af aluminium etch for omkring 2 minutter ved 50 ° C. Rengør enheden i sure piranha etch at fjerne eventuelle organiske rester.
ADVARSEL: Sur Piranha etch er giftigt, ætsende og skadeligt. Se sikkerhedsdatablad for korrekt håndtering og opbevaring af disse kemikalier. Brug korrekt personlige værnemidler til syre, når håndtering af disse kemikalier. - Skyl anordningen i acetone, derefter IPA og tør med komprimeret nitrogen.
5. Bølgeleder Målinger
- Bruge kommercielle waveguide analysator foranstaltning karakteristika proton udvekslet bølgeleder.
Bemærk: En god enhed vil have 2 guidede tilstande ved hjælp af en 633 nm laser. Se figur 2 for et eksempel på ønskede resultater. Hvis enheden viser mere end to ledede svingningstyper for rød belysning så udvekslingen tid i trin 2.2 skal reduceres. Ligeledes hvis enheden viser mindre end to guidede modes udvekslingen tid bør øges.
6. Tilføj Modstå
- Spin på 4 dråber af en Lift Off Resist (LOR) ved 3.000 rpm i 60 sek og derefter bages ved 200 ° C i 1 time. Fjern og lade enheden køle af i 5 min, eller indtil cool at røre ved. Spin på 4 dråber af en 3: 1 opløsning af polymethylmethacrylat (PMMA) og anisol ved 3000 rpm i 60 sek og derefter bages ved 150 ° C i 15 min.
- Fjern og lade enheden køle af i 5 min, eller indtil cool at røre ved. Spin på 2 dråber af en ledende polymer ved 1.000 rpm i60 sek, derefter spinde ved 6.000 rpm i 4 sek for at fjerne overskydende.
7. Mønster
- Brug et elektronmikroskop forbedret med en bjælke Blanker at muliggøre skrivning eller en tilsvarende maskine at eksponere anordningen.
- Under et vakuum på 50 μTorr, eksponere det ledende lag til en elektronstråle med et areal dosis på 30 pC / cm2, der scanner mønstret af interdigitale transducere. For at gentage resultaterne bruge en målt stråle strøm på 410 pA.
- Skriv mønsteret fra en Dxf eller tilsvarende fil på elektronmikroskop som pr maskinens specifikationer.
Bemærk: For en detaljeret beskrivelse af E-Beam litografi proces se det arbejde, som RE Fontana 22.
8. Udvikle
- Fjern det ledende lag ved at skylle enheden i en kontinuerlig strøm af deioniseret vand i 5 sek. Fjern den udsatte PMMA ved at dyppe indretningen i 1: 3 opløsning af methyl isobutyl keton (MIBK) og IPA i 45 sekunder.
- Fjerne fra 1: 3 opløsning af MIBK: IPA og skyl med IPA i 5 sek. Tør enheden med komprimeret nitrogen.
- Gentag trin 8.1-8.1.1 som nødvendige for fuldt ud at udvikle PMMA.
Bemærk: Dog udsætte enheden til løsning af MIBK: IPA på kun 5 sek intervaller. Komplet udvikling bør afsløre LOR under PMMA og kan identificeres ved en ensartet farve i hele den udviklede område omgivet af skarpe kanter og hjørner.
Bemærk: Over udvikling af PMMA fører til små træk blowout og kan helt slette de interdigitale transducer fingre forlader en enkelt stor udviklet blok. Ligeledes under udvikling blade uensartede rester, der vil nedsætte virkningen af liftoff proces, der følger. - Fjern LOR i belyste område ved at dyppe indretningen i en 1: 1 opløsning af en passende udvikler og deioniseret vand i 25 sek. Fjerne fra 1: 1 opløsning af en appropriate udvikler og deioniseret vand. Skyl med IPA i 5 sek.
- Tør med komprimeret nitrogen. Gentag trin 8.3 som nødvendigt for fuldt ud at udvikle LOR.
Bemærk: Dog udsætte enheden til løsningen af en passende udvikler og demineraliseret vand i 2 sek intervaller kun. Fuldstændig udvikling skulle afsløre overfladen af substratet under LOR. Det kan identificeres ved ensartet hvid farve i hele den udviklede område, samtidig med at skarpe kanter og hjørner. Manglende udvikle LOR ordentligt også fører til de omtalte problemer i 8.2.3.1. Se figur 3 for et eksempel LOR udviklingsproces.
Bemærk: Skift til et lavere forhold mellem en passende udvikler til deioniseret vand såsom 1: 2 eller 1: 3 er nyttigt som enheden nærmer komplet udvikling for at tillade de fine funktioner til at udvikle sig uden at blæse ud af enheden. Det er imidlertid ikke fordelagtigt at starte med disse doser som total forøges og overstiger det optimale tidspunkt i developer.
- Tør med komprimeret nitrogen. Gentag trin 8.3 som nødvendigt for fuldt ud at udvikle LOR.
9. Depositum Aluminium
- Under anvendelse af en elektronstråle Fordamper eller tilsvarende maskine ved et vakuum på 50 μTorr, fordampe 200 nm af aluminium på waferen ved 5 Å / sek.
10. Liftoff Aluminium
- Fyld en stor glasskål med 750 ml vand på en varm plade ved 90 ° C. Indsæt en plastik buffer i vandet fad. I en separat lille glasbeholder nedsænkes i en 100 ml opløsning af N-methyl-2-pyrrolidon (NMP).
- Beholderen anbringes i NMP-opløsning indeholdende indretningen på plasten buffer sikre, at vandet ikke overstiger højden af beholderen i NMP. Dæk og lad sidde på 3 til 4 timer, eller indtil aluminium liftoff er færdig. Fjern enheden fra NMP.
Bemærk: Det er en fordel at rense ud store dele af aluminium fra enheden, før du fjerner den fra NMP badet. Gør dette ved hjælp af en pipette fyldt med NMP at sprøjte enheden end banke ned alle resterende store bidder af uønsket aluminium. - Skyl anordningen i IPA og tør med komprimeret nitrogen. Under et mikroskop, kontrollere, at liftoff er komplet. Hvis uønsket resterende aluminium forbliver, våd enheden med acetone og meget forsigtigt børste med en renrum vatpind belagt i acetone til at fjerne.
- Skyl i IPA, tør med komprimeret nitrogen, og igen under mikroskopet. Gentag 10.3 og 10.4 efter behov.
11. Polsk End
- Coat enheden i en beskyttende film, såsom et lag af positiv fotoresist. Spænd enheden så enden med transducerne er eksponeret til polering. Anvender de rette polering procedurer 23, langsomt polere enden af indretningen til en overfladeruhed på mindre end 100 nm, således at der ikke overfladedefekter interferere med lys, som udsendes af enheden.
- Fjern enheden fra klemmen og rense ud i beskyttende film. Hvis fotoresist blev anvendt som en beskyttende film, en generøsskylles i acetone og derefter IPA vil fjerne det. Tør prøven efter behov med komprimeret nitrogen.
12. Mount på en Breakout Board
- Hvis nogen samling er nødvendig for RF breakout board, samle breakout bord i henhold til dens specifikationer.
- Byg, ud af objektglas, til et monterings platform holde fast både RF breakout bord og enheden. Bemærk: monteringsplatform er bygget i en U-form ud af tre glasplader: en 75 x 50 x 1 mm 3 og to 75 x 25 x 1 mm 3.
- Placer en generøs perle af superlim over længst til venstre fjerdedel af den store rutsjebane. Placer en af de mindre glider over vulsten af superglue således at yderste venstre kant og den nederste kant flugter med de tilsvarende kanter på store rutschebane.
- Påfør fast og samme tryk på de to objektglas indtil superlim sæt, ca. 15 sek. Gentag processen for den yderste højre fjerdedel af den store rutschebane.
- Monter device til toppen af monteringsplatformen med dobbeltklæbende tape. Sørg for enden af indretningen udhæng i slutningen af monteringsplatformen således at monteringsplatform ikke interfererer med lys, som udsendes enden af indretningen.
- Monteres RF breakout bord til monteringsplatformen så den ikke er i strålebanen af lys, som udsendes af enheden. En simpel måde at gøre dette er at løfte breakout bord med tyk tape, så bunden af breakout bord er over toppen af enheden.
- Wire obligation puder på enheden til deres respektive steder på RF breakout bord. Brug en 27 nH serie spole til impedanstilpasning hver transducer til de breakout board indgange.
13. Prism Kobling
- Vælg en rutil prisme til koble lys ind i indretningen. Polariseringen af lyset (Transverse Electric) skal være parallelt med den optiske akse af rutil den optiske akse (Z-akse) af X-cut lithiumniobat.
- Clean than kontaktflader både enheden og prismet grundigt med IPA. Placer prisme, så den er centreret på kanalen, der skal testes.
- Tryk på bunden af prisme fast mod toppen af enheden med en spændemekanisme. Bemærk: Stram ikke som overdreven pres vil knække underlaget og beskadige koblingen prisme.
- Hvis det lykkes, observere en våd plet vises.
Bemærk: En våd plet er en region af frustrerede total intern refleksion på grænsefladen mellem prisme og prøven. For et eksempel på korrekt prisme kobling se figur 4.
14. Mount i Karakterisering Apparatus
- Monter enheden på den roterende platform Frequency division farve karakterisering apparater til anisotrope utætte tilstand lys modulatorer drøftet af A. Henrie 4.
Bemærk: En skematisk af Karakterisering Apparatus leveres i figur 5.
- Tænd laseren. For at kopiere resultaterne i dette papir brug 5 V for 638 nm, 5,5 V for 532 nm, og 6,5 V for 445 nm.
- Dæmpe strålen, indtil intensiteten af det spredte lys er behageligt for øjet. Kontroller laser polarisering.
- Placer en polarisator i strålegangen efter halv bølge pladen, så at den blokerer vandret polariseret lys. Drej halv bølge plade til at opnå maksimal dæmpning af laserlyset. Fjern polarisatoren.
- Manuelt dreje platformen, så at vinklen mellem laseren og den øverste overflade af anordningen er indstillet til den korrekte indgang vinkel.
Bemærk: Den korrekte vinkel kan findes i tabel 1 ifølge den ønskede bølgelængde og tilstand testning. - Juster prisme ved hjælp af de lineære oversættelse stadier, når omdrejningspunktet for laseren passerer gennem 90 ° hjørne af prisme. Bemærk: Øget laser scAtter forårsaget af hjørnet af prismet kan undertiden ses.
- På dette punkt skal lyset være kobling ind i indretningen som kan verificeres enten af den karakteristiske lysstribe forårsaget af spredning i bølgelederen eller af de karakteristiske funktionsmåde linjer kommer ud af enden af indretningen 24 (se figur 6).
Bemærk: Hvis du bruger tilstand linjer til at kontrollere koblingen, er det nyttigt at fjerne power meter fra strålegangen. I stedet indsætte en ensartet spredning objekt, såsom et ark hvidt papir, strålegangen ind. - Hvis der ikke registreres kobling, langsomt rotere enheden samtidig med at koblingen kanten af prisme i omdrejningspunktet for laseren. Hvis der efter fem grader rotation i begge retninger kan påvises nogen kobling, fjerne enheden fra den roterende platform, fjerne prisme og vende tilbage til trin 13.
- På dette punkt skal lyset være kobling ind i indretningen som kan verificeres enten af den karakteristiske lysstribe forårsaget af spredning i bølgelederen eller af de karakteristiske funktionsmåde linjer kommer ud af enden af indretningen 24 (se figur 6).
- Når koblingen er opdaget, finjustere de roterende platform og lineær oversættelse faser for at maxiMize koblingen af lyset.
16. Fastgør RF Input og Vedlæg Device
- Udskift power meter, der blev fjernet under tilpasning. Fjern også eventuelle forhindringer til strålegangen bruges til justering formål.
- Fastgør RF input til enheden breakout bord og tænd for RF-signal generator. Sørg for, at forstærkeren er tændt. Bemærk: For at beskytte enheden fra udbrændthed, bør den elektriske strøm af signalet nå enheden ikke overstige 1 W.
- Fjern eventuelle dæmpning anvendt til sikkerhed under tilpasning. Laseren er nu på de optiske effektniveauer anvendes til testning. Omslutte hele systemet i en optisk isolerende kasse.
17. Kør Forudsat Testing Program
- Anskaf en laboratorieudstyr manager til at køre karakterisering enhed, såsom LabView fil AutomatedDeviceCharacterization.vi leveres i tillægget.
- Sæt alle brugerparametre ind i test software om kontrol computer. Bemærk: Figur 7 leveres til dem, der bruger den medfølgende eksperiment kontrol fil. Det indikerer med en gul kasse de felter, der skal opdateres før hver automatiseret test køres, for det medfølgende analytisk program til at køre ordentligt i trin 19.
- For at kopiere resultaterne i dette papir bruge følgende test parametre: Indledende Frekvens: 100 MHz, Final Frekvens: 800 MHz, Frekvens Step: 10, Rough udgangsposition: 0, Rough slutstilling: 25, og Position Trin: 1. Gør sikker på "Output til fil" der trykkes på knappen.
- Kør testprogrammet.
Bemærk: Den angivne program driver en power meter langs en lineær bane med brugerdefinerede intervaller. Ved hver position RF indgangssignalet fejede gennem et sæt af udvalgte frekvenser og effektmålinger foretages. En måling er også lavet med RF-indgang på sit laveste frekvens indstilling og laveste udgangseffekt, som har været eksperimenterendely bestemt som svarer til noget indgangssignal 4. Disse målinger bliver så tegnes i realtid i en 3D interaktiv diagram.- Overhold de fire output-filer: * config.csv beskriver eksperimentet, * data.csv indeholder magt læsning ved hver frekvens, * no_stim.csv indeholder baggrundsstøjen læsning, og * graph.jpeg indeholder en kopi af grafen på brugeren grænseflade af programmet, som det var, da programmet sluttede. Se figur 8.
- Gentag sektioner 15-17 for hver bølgelængde og TE1 tilstand beskrevet i tabel 1.
18. Analyser hyppighed og Kantede Output Profiler
- Anskaf en statistisk analyse program eller download CompareWDMmodes.m Matlab kode, i tillægget.
- I mappen (hvor programmet er placeret), oprette en undermappe, "Sample nummer" ind i "Sample Number" ind i test programmet. Prøven nummer er denenhed identifikationsnummer.
- I denne folder, "Sample nummer," oprette tre undermapper. Navngiv hver mappe som følger, "Sample nummer" _ "Color" _M1_ "Transducer". Navnene i "fed og kursiv" er værdier indgået testprogrammet af brugeren. (F.eks A16_BLUE_M1_T1, C5_RED_M1_T13 eller D35_GREEN_M1_T18).
- Ind i hver undermappe, kopiere de fire filer skabt af test-software, der svarer til den pågældende bølgelængde, tilstand og transducer.
- Åbn den analytiske program og ændre brugerdefinerede variabler i toppen til at afspejle den brugerdefinerede værdier input til test-software.
Bemærk: Hvis du bruger det medfølgende analytisk program og brugerdefinerede værdier i testprogrammet er "Sample Number" = A16, "Guided Mode" = 1, ville "Transducer" = 1 den analytiske kode ændres til følgende:
; % Brugerdefinerede variabler
serien = 'A';
prøve = 16;
modes = [1];
transducer = »T1«; - Kør analytiske program.
Bemærk: Hvis du bruger den medfølgende analytisk kode, blandt andet det skaber et tal, der sammenligner normaliserede frekvens respons og den kantede output for rød, grøn og blå lys. Filen det skaber er placeret i "Sample nummer" undermappe. Se figur 9 et eksempel på outputtet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
De vigtigste resultater af forskrift ovenfor er den styrede mode måling fra kommercielle prisme kobling vist i figur 2, den enkelt frekvens, rå input / output-data indsamlet fra den tilpassede prisme kobling vist i figur 8 og flerfarvet kurverne vist i figur 9. i de følgende afsnit diskuterer vi de handlingsrettede oplysninger, som hver af disse udgange.
Den guidede tilstand oplysninger og erfaringer fra den kommercielle prisme kobler anvendes primært, at etablere waveguide dybde, men antallet af tilstande og deres indbyrdes afstand indeholde andre nyttige oplysninger er relevante for utæt mode operation. For den utætte tilstand enhed til at arbejde som designet, skal det have en automatiseret-til-utætte tilstand overgang for hver farve, og eksperimenter har vist, at dette er sandt, når der findes mindst to ledede svingningstyper for hver illumination bølgelængde. Dette er særlig relevant for rød, da det har de færreste guidede transportformer de tre vise farver. Det proton udveksling trin 2 skal øges eller mindskes for at sikre, at der er to røde tilstande. Generelt har to tilstande i rød indikerer, at der også i det mindste to tilstande i grøn og blå. Enheder optimeret til frekvens division multiplexing af farver har vist to tilstande i rød, tre tilstande i grøn og fire tilstande i blåt. Færre tilstande kan forekomme for grøn og blå, hvis udglødning er for lang. Hvis færre end det optimale antal modes vises for grønt og blåt lys, så udglødning tid i trin 3 kan være nødvendigt at blive udvidet. Lange annealer vil imidlertid også reducere den effektive indeks af de ledede svingningstyper.
Den rå output af brugerdefinerede prisme kobling som vist i figur 8 giver en en god kvalitativ mening for en række vigtige parametre indretning, såsom RF båndbredde, kantet sweep,scan linearitet, spot størrelse, stående bølge periode og omtrentlige diffraktion effektivitet. Fremskrivningen af data på Y-aksen giver frekvensgang den enhed, som vi kan læse i centrum frekvens og den omtrentlige båndbredde på driften. Fremskrivningen af data på X-aksen giver span af diffrakterede lysudbytte. Denne position er næsten proportional med den vinkelmæssige feje af indretningen output så fremspringet på denne akse er en god indikator for den vinkelmæssige sweep af indretningen. Hældningen af data på XY-planet af grafen giver os en følelse af lineariteten af scanningen samt hastigheden af scanningen med input frekvens. Hvis X-aksen er samplet med tilstrækkelig høj opløsning, derefter et tværsnit langs X-aksen vil give strålen profil. Hvis Y-aksen er samplet med tilstrækkelig høj opløsning, derefter overflade akustiske stående bølge mønstre kan blive apparent- hvis de er fremtrædende, kan det være fordelagtigt at tilføje en akustisk absorber tilenhed til frembringelse af en glat, jævn scanning. Absolut diffraktionseffektiviteten måles ikke, men når man sammenligner én enhed til en anden, signal-støj-forholdet tjener som en god indikator for relativ diffraktion effektivitet. Denne rå data giver en betydelig mængde information, men det er relevant at kun en belysning bølgelængde.
At afgøre, om enheden er i stand til frekvensstyring af farve, er rå data behandles i flere eksperimenter med alle tre bølgelængder at danne grafer som den i figur 9. X- og Y-akse fremskrivninger først indsamles for TE1 guidede tilstande for alle tre farver. Så disse fremspring er overlejret af vinklen og frekvens akser henholdsvis at danne en flerfarvet frekvens og kantet respons som vist. Hvis svaret for hver farve er tilstødende i frekvens og overlapning i vinkel, så indretningen er egnet til frekvensstyring af farver.
Figur 1:. Leaky tilstand Modulator Som det ses til venstre, lys ind i indretningen gennem en rutil prisme som udklingende par lys ind i en bølgeleder indiffused på substratets overflade. Som den guidede lys udbreder mod den fjerneste ende af enheden det støder overflade akustiske bølger, som outcouple lyset fra bølgelederen og rotere dens polarisering. Fremdriften diagram for denne interaktion er givet til højre. ge.jpg "target =" _ blank "> Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2:. Prøve Waveguide data Lyset fra laseren kobles til prismet. Derefter reflekteres fra overfladen af indretningen, og på en effekt sensor. Når en guidet tilstand er til stede, i stedet for at reflekteres indretningen lyset føres gennem substratet og ud enden af indretningen. Det er således styret væk fra power-sensoren og en skarp "dip" forekommer i plottet. Der er to tilstande er identificeret i dette plot. Den gradvist stigende magt læsning fra venstre til højre, kan forklares med den gradvist stigende sendeeffektivitet på luft til prisme grænse. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3:. Sample LOR Development Process Billeder af det samme område af en enhed som LOR er udviklet. Billedet yderst til venstre blev taget under et mikroskop efter den indledende 25 sek udviklingstid. Billederne, der følger er et udsnit af de ændringer gennem den iterative proces. Det endelige billede er et nærbillede af de finere funktioner på enheden efter LOR udvikling for at vise de rene kanter og eksponeringen i det underliggende substrat. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4: En Prism Coupled Device monteret på en breakout Board. En korrekt koblet, udfyldt monteret til sin breaKout bord. På den korrekte vinkel, som på dette billede, den våde plet afspejler en regnbue af farver. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5: Karakterisering Apparatur Skematisk Grundlæggende diagram af karakteriseringen apparat.. Laseren sendes gennem en række optiske komponenter inden de kobles ind i indretningen gennem et prisme. Når inde i en tilstand i waveguide SAW bølger produceret af interdigitale transducere og en RF-signal banke lyset i utætte modes som exit enheden ved en frekvens kontrollerbar vinkel. En lineær aktuator driver power meter gennem en række positioner, mens signalgeneratoren løber gennem en række frekvenser skaber multivariable grafer, der beskriver styrbarhed og udsat af enheden. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 6:. Identifikation Teknikker til Korrekt Light Kobling Korrekt kobling kan identificeres ved enten tilstedeværelsen af den karakteristiske lysstribe forårsaget af spredning i bølgelederen, som vist til venstre, eller ved de karakteristiske linier tilstand ud for enden af den enhed, som viser til højre. klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 7:. Brugergrænseflade til LabView Test Software Brugeren inter ansigt herunder alle brugerdefinerede variabler. Elementer boxed i gult skal opdateres før hver automatiseret test køres, for den analytiske program til at køre ordentligt. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 8:. Sample Frekvens vs Position Graph Mens RF input og power meter placering scannes lineært, eksperimentet software bygger og viser denne interaktive 3D graf af de indsamlede data. Ved afslutningen den aktuelle visning gemmes til hurtig reference. Klik her for at se en større version af dette tal.
/53889fig9.jpg "/>
Figur 9: Sample tilstand Sammenligning data frekvensrespons de tre bølgelængder er vist til venstre.. Indretningen har en båndbredde på 200 MHz med individuel kontrol for hver bølgelængde. På højre er outputtet vinkel respons for hver enhed. Der er god kantet overlap til 5-7 °. Klik her for at se en større version af dette tal.
| Bølgelængde | Mode | Vinkel |
| 638 nm | TE0 | 23 ° |
| TE1 | 28 ° | |
| 532 nm | TE0 | 26 ° |
| TE1 | 31 ° | |
| TE2 | 32 ° | </ Tr>|
| 445 nm | TE0 | 31 ° |
| TE1 | 36 ° | |
| TE2 | 38 ° | |
| TE3 | 39 ° |
Tabel 1:. Tilstand Excitation Parametre Angle og bølgelængde parametre for ønskede excitationer den TE1 tilstand for de enheder, der omtales i dette dokument.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Udformningen af hver enhed har to kritiske trin, proton udveksling og udvikling af LOR. Af de to, proton udveksling tid bestemmer dybden af bølgelederen, som igen bestemmer antallet af guidet til utætte tilstand overgange, den styrbare frekvens båndbredde, og hver tast designparameter for hver farve af lys. To guidede modes i rød ønskes. Hvis mere eksisterer derefter båndbredde ofres. Hvis mindre eksisterer så ikke guidet til utætte tilstand overgang er garanteret. Følg noten i trin 2.2.1 at rette proton exchange gange for at opnå det ønskede resultat.
Korrekt LOR udvikling nødvendig for korrekt liftoff og dermed korrekt funktion af de interdigitale transducere. Det er et skridt bedst mestrer gennem erfaring. En ikke-fortyndet opløsning af fremkalder vil blæse ud fingrene på transducerne i 7 sek, mens en 50% opløsning vil gøre det samme i ca. 35 sek. Det nøjagtige tidspunkt varierer fra enhed til enhed, der skaber behovetat udvikle indretningen til 25 sekunder i en 50% opløsning efterfulgt af gentagne hurtige eksponeringer til mere fortyndede opløsninger. Hvis blowout sker formindskelse udviklingstid eller opløsningskoncentration at opnå de ønskede resultater.
I den karakterisering, prisme kobling og tilpasning er de kritiske trin. Hvis enheden er dårligt prisme koblede eller dårligt justeret intet lys vil komme ind i bølgeleder gør det umuligt at måle resultater. Justering opnås bedst med små justeringer. Variationer i det spredte lys kan indikere tilgang til en tilstand linje eller vise nærhed af interdigital transducer. Erfaring er den bedste lærer.
Denne protokol er beregnet til fremstilling af en enkelt enhed. Som sådan skalerbarhed er begrænset og små variationer vil være til stede fra enhed til enhed. Men forfatterne arbejder aktivt for udviklingen af en wafer drevet fremstilling proces, der vil overvinde denne udfordring. En anden limitation af denne karakteristik protokollen er afhængigheden af en aktiv testprocessen. De interdigitale transducere skal have en stor båndbredde til at rumme ændringer i waveguide dybde og tilstand overgange. Når overgangen frekvenser bestemmes en smallere båndbredde transducer kan udformes. En god model for processen ville fjerne behovet for dette trin. Endelig er test-protokollen ikke er helt automatisk, kræver menneskelige justeringer mellem ændringer i bølgelængde og enheder.
Når en enhed viser både gode kantede overlapning og frekvens kontrol, så det er i stand til at blive brugt i sådanne applikationer som 3D holovideo display 1. Disse enheder kræver kun 2 mønsterdannende trin til at fabrikere hvilket er en stor forbedring i forhold til de fælles skærmteknologier i dag, såsom pixeleret lys ventiler, MEMS enheder og bulk-bølge akustisk-optiske modulatorer. Det er forfatternes håb, at have adgang til denne fremstilling, måling, og characterization protokol vil tilskynde bredere deltagelse i electroholographic display forskning.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har intet at afsløre.
Acknowledgments
Forfatterne takker for finansiel støtte fra Air Force Research Laboratory kontrakt FA8650-14-C-6571 og fra DAQRI LLC.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| X-Cut Lithium Niobate | Gooch and Housego | 99-00630-01 | Lithium Niobate 3″ Diameter X-CUT Wafer 1 mm 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 |
| 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 12 V 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-1,000 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 500 pW. |
| Linear Actuator Controller | Newport | ESP7000 | With linear actuator model MFN25PP. Any equivalent equipment would suffice. Needs 0.1 mm 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. , MIT. MASS. (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. , Pan Stanford. Boca Raton. (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. , Marcel Dekker. New York. (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. , DM2A-2 (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. , IET. London. (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. , Springer Science & Business Media. Heidelberg. (1990).
- Proklov, V., Korablev, E. Multichannel waveguide devices using collinear acousto-optic interaction. Proc. SPIE. 1932, 298-311 (1993).
- Li, R. Circuit Design. , John Wiley & Sons. Hoboken. (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).
