RealHolo - Más de lo que parece

RealHolo es un proyecto financiado por la UE cuyo objetivo es fabricar un modulador de luz espacial reflectante con una matriz de microespejos para "allanar el camino hacia entornos de realidad mixta de uso generalizado", según se cita textualmente en el sitio web del proyecto. Sin embargo, si abrimos el capó y miramos dentro, descubriremos que, con las especificaciones y objetivos técnicos ya alcanzados, RealHolo es mucho más de lo que parece a simple vista.

Echemos un vistazo primero a las especificaciones y luego profundicemos en por qué este pequeño componente podría convertirse en algo importante para varias aplicaciones interesantes.

1. 4000 por 2400 píxeles con dimensiones individuales de 4μm por 6μm
2. Frecuencia de imagen > 1 kHz. Sin embargo, la placa base CMOS ofrece un ancho de banda de 200 Gbits/s
3. Rango de desviación de 0 a 350 nm.
4. Resolución analógica, 8 bits
5. Inclinación del microespejo < 0,1º

Entonces, ¿qué podríamos hacer con una especificación como ésta? Veamos algunas de las aplicaciones en las que RealHolo competirá y posiblemente incluso destacará.

Laser Direct Write Lithography – Digital Scanners

A principios del siglo XXI, la tecnología de moduladores espaciales de luz (SLM) estaba en boca de todos. El gigante de la industria ASML, el primero en adoptarla, y Micronic lideraban amplios proyectos en este campo. Al mismo tiempo, el mercado de las pantallas electrónicas se debatía: ¿debía pivotar hacia los televisores de retroproyección o abrazar los LCD?

Moreover, we witnessed an aggressive push towards finer features in integrated circuits, all striving to keep up with Moore’s Law. By the mid or late 2000s, the technology pivoted toward E-Beam, especially given the promise of multi-beam systems to address capacity concerns and the interest in this technology subsided.

Una década más tarde, parece que el péndulo vuelve a inclinarse hacia los sistemas ópticos de escritura directa. Nikon, por ejemplo, trabaja actualmente en un sistema que utiliza una SLM de desplazamiento de fase binaria, algo así como un híbrido entre la DLP de Texas Instruments y la PLV de Silicon Light Machines. Este sistema se caracteriza por su iluminación simplificada y un modelo de coste de propiedad más atractivo.

Entre en RealHolo. ¿Qué lo hace atractivo para esta aplicación? Para empezar, RealHolo ofrece un ancho de banda de datos muy respetable. Aunque puede que no compita con el rendimiento de un stepper ASML, que puede procesar 200 obleas por hora, sigue siendo un caso de uso comercialmente viable.

Reflecting on ASML’s innovations two decades ago, they pioneered a tilt-mirror SLM capable of emulating an alternating phase-shifting mask. It also supported gray-scaling in a system which used a traditional partially coherent setup and an ArF excimer laser. This modulator utilized an impressive micro-mirror array—11 million mirrors ticking at 6 kHz—with plans to integrate multiple such arrays in one machine. By the era’s metrics, it was a groundbreaking achievement. Yet, today, such a design might struggle to find a justifiable business case.

Los SLM de fase única aportan otra dimensión. Hipotéticamente, se podrían fusionar dos o cuatro espejos para sintetizar cualquier fase y amplitud deseadas, una funcionalidad con innegables aplicaciones. Sin embargo, para los sistemas de escritura directa que aspiran a alcanzar los límites teóricos de resolución y, al mismo tiempo, mantener bajo control los tiempos de escritura, el uso de varios microespejos para un píxel compuesto singular, con la consiguiente reducción de dos a cuatro veces de la capacidad de escritura, es sencillamente inaceptable.

Sin embargo, existe un camino intermedio que captura las ventajas de resolución de las máscaras de cambio de fase alternativo sin sacrificar la velocidad de escritura mediante la combinación de píxeles. Este camino intermedio trata todo el modulador como una unidad coherente y el precio a pagar por todas las ventajas que ofrece es encontrar las fases para cada espejo individual que produzcan la imagen deseada. Por suerte, la imagen coherente es un problema lineal y, aunque el número de variables puede ser grande, existen soluciones que proyectan imágenes de valor real (es decir, dependientes del cuadrado de la CD con el enfoque) y pueden calcularse sin recurrir a métodos de búsqueda iterativos que pueden tener resultados impredecibles. En el caso de las imágenes parcialmente coherentes, el problema ya no es lineal y la solución coherente sólo puede servir como punto de partida de un enfoque iterativo. No obstante, es muy valioso disponer de un punto de partida que, en el límite de pequeñas aberturas de iluminación, sea correcto.

The key difference between the approaches of Nikon and RealHolo lies in the quality of the generated patterns. Nikon’s binary modulator cannot be calibrated and relies on averaging to enhance pattern quality. However, this method has diminishing returns, since the improvement in image quality like line edge roughness, scales with the square root of the number of images. Additionally, general patterns need at least 4 phases which a binary modulator cannot generate. In contrast, RealHolo provides a significant advantage with its analoge comb-drive technology. The comb drive, with its near straight electro-optical response is a true enabler to writing high-quality patterns with this device and the 8-bit resolution that its CMOS offers. There is one catch though, which is that each micro mirrors needs proper, 1 nm accurate calibration.

Aquí es donde la aplicación WaveMe aporta un valor añadido real. Calibrar 9.600.000 microespejos con una precisión de 1 nm exige una implementación eficaz de la interferometría de desplazamiento de fase para lograr tal exactitud. Esta eficiente implementación no sólo garantiza la precisión, sino que además es rentable, lo que permite incluirla en todos los sistemas. Permite la caracterización automatizada frecuente de cada microespejo, con lo que la calidad de la imagen producida por 9.600.000 espejos se reduce a un único componente, el desplazador de fase.

Telecomunicaciones y conmutadores selectivos de longitud de onda (WSS)

Aunque esta encarnación concreta de RealHolo carece del rango de deflexión necesario para ser útil en telecomunicaciones, cambiar los MEMS para adaptarlos a otras longitudes de onda suele ser un reto menor, aunque en el momento de escribir estas líneas, el proyecto RealHolo no ha ofrecido ninguna respuesta definitiva a esta cuestión.

Los conmutadores selectivos de longitud de onda (WSS) son componentes integrales de las redes de comunicaciones ópticas modernas, especialmente en el ámbito de la multiplexación por división de longitud de onda densa (DWDM). La DWDM es una tecnología que permite enviar varias longitudes de onda (o canales) de datos a través de una única fibra óptica, maximizando su capacidad de transporte de datos. Un WSS puede enrutar, bloquear o atenuar cualquiera de estas longitudes de onda individuales sin afectar a las demás, y hacerlo sin pasos de demodulación y modulación. Esta flexibilidad permite una reconfiguración dinámica y transparente de las redes ópticas, optimizando el ancho de banda y garantizando el reencaminamiento de los datos en caso de fallo o congestión de los enlaces. La importancia del WSS no radica sólo en su capacidad para gestionar eficazmente el flujo de datos, sino también en su contribución a la construcción de redes ópticas adaptables y autorregenerables. En una época en la que el consumo de datos alcanza cotas sin precedentes y la demanda de comunicaciones fiables y de alta velocidad es cada vez mayor, no se puede exagerar la importancia de componentes como el WSS, que facilita la creación de redes ópticas ágiles y resistentes. Se espera que este mercado crezca a una saludable tasa anual de 8% a 12%, aproximadamente una duplicación cada 7 años, lo que debería ofrecer posibilidades para un dispositivo que resuelva muchos de los problemas que acechan a la tecnología actual.

El componente central de un sistema de conmutación selectiva de longitud de onda (WSS) que permite la función de conmutación suele ser el modulador de fase de cristal líquido sobre silicio (LCoS). El modulador de fase LCoS permite manipular la fase de la luz entrante y, cuando se combina con otros elementos ópticos como lentes y rejillas de difracción, puede dirigir selectivamente longitudes de onda individuales (o canales) a puertos de salida específicos. Esta reconfigurabilidad dinámica que ofrece el modulador de fase CoS es lo que permite al WSS dirigir distintas longitudes de onda a varios destinos sin necesidad de movimientos mecánicos, con lo que se consigue la función de conmutación deseada en los sistemas DWDM.

However, with LCoS, there are some aspects of its use that have consequences on the design of a WSS system. Liquid crystal panels will suffer degradation when subject to a DC bias. Therefore, whether digital or analog, device manufacturers use different techniques to introduce polarity switching to keep the device’s performance in check. This, however, introduces a time variation of the diffraction properties which is difficult to keep in check, especially when the panel is used for both beam steering and attenuation. Although the ability of provide attenuation is desirable, its effect on increasing power fluctuation is of fundamental nature which pushes the requirements on phase stability about an order of magnitue further down. The phase stability problem is additionally exacerbated by the elevated temperatures where the LCoS is supposed to perform its magick.

Otro inconveniente de los sistemas basados en LCoS es que el panel requiere luz polarizada. Aunque esto puede conseguirse, por ejemplo, con un prisma de Wollaston, tiene el coste de aumentar la complejidad del diseño óptico, no sólo por el prisma, sino porque ahora hay que hacer pasar dos trayectorias de luz separadas, una para cada polarización, a través del sistema óptico, lo que duplica su tamaño e introduce los problemas habituales relacionados con el fuera de eje. Algunos de estos problemas se anulan, ya que la polarización se intercambia a la vuelta, pero esto sólo se aplica a las aberraciones de orden impar (como el coma) y empeora el astigmatismo. Ahora bien, los sistemas WSS ya son todo un origami óptico, pero evitar tener que encajar dos haces separados espacialmente en lugar de dos polarizaciones que comparten el mismo espacio físico ofrecerá un alivio sustancial de diseño y fabricación, al tiempo que eliminará el problema del parpadeo de fase.

Con el RealHolo, que sustituye al LCoS, desaparecen los problemas de polarización y fluctuación de potencia y, además, ofrece tiempos de conmutación prácticamente instantáneos y sin efectos de campo de franja que se suman a los problemas de polarización. El caso de uso de RealHolo en este espacio es muy sencillo. Esperemos que Fraunhofer IPMS encuentre la forma de ampliar la gama de longitudes de onda de RealHolo a longitudes de onda de telecomunicaciones.

From Citroën’s Innovations to Ultra-Precise Light Steering in Blizzard Conditions

Cuando Citroën introdujo en 1955 los faros delanteros del DS, no sólo hizo girar las luces, sino también bastantes cabezas. Se trataba de una característica espectacular que destacaba especialmente en el modelo DS21 Pallas de los años sesenta. Los faros giratorios mejoraban la visibilidad nocturna, especialmente en carreteras sinuosas, lo que supuso un importante avance para garantizar la seguridad vial durante las horas de oscuridad. Pero imagínese si pudiéramos llevar esto al siguiente nivel.

¿Has conducido alguna vez de noche bajo una ventisca? Entonces sabes que la visibilidad no va mucho más allá de la nieve que hay justo delante de los faros, y la ley del cuadrado inverso tampoco nos hace ningún favor. Bueno, normalmente no lo hace, pero en este caso es realmente mala porque el espectáculo que no queremos ver se lleva la mayor parte de la luz. Pero, ¿y si tuviéramos la posibilidad de no iluminar los copos de espectáculo que tenemos justo delante? Elegir los 1000 peores y asegurarnos de que no se iluminan más. Sería un truco del que hasta Gandalf estaría orgulloso.

This isn’t mere science fiction; with the rapid advancements in light phase control and high-speed sensors, we are inching closer to a future where headlights will not just illuminate our path, but do so with a finesse and precision that would have seemed unimaginable during the time of the Citroën DS.

Aunque esta aplicación está obviamente cerca de los objetivos del proyecto RealHolo, creo que es un concepto tan interesante que no podía dejar de mencionarlo.