RealHolo - Plus qu'un simple coup d'œil

RealHolo est un projet financé par l'UE qui vise à produire un modulateur spatial de lumière réfléchissant à matrice de micro-miroirs, dans le but "d'ouvrir la voie à des environnements de réalité mixte grand public", pour reprendre mot pour mot le site du projet. Cependant, si nous ouvrons le capot et jetons un coup d'œil à l'intérieur, nous découvrirons qu'avec les spécifications et les objectifs techniques déjà atteints, RealHolo est beaucoup plus qu'il n'y paraît.

Jetons d'abord un coup d'œil à la spécification, puis nous verrons pourquoi ce petit composant pourrait devenir un élément important pour plusieurs applications intéressantes.

1. 4000 par 2400 pixels avec des dimensions individuelles de 4μm par 6μm.
2. Fréquence d'images > 1 kHz. Cependant, le fond de panier CMOS offre une bande passante de 200 Gbits/s
3. Plage de déflexion de 0 à 350 nm.
4. Résolution analogique, 8 bits
5. Inclinaison du micro-miroir < 0,1º.

Alors, que pouvons-nous faire avec une telle spécification ? Entrons dans le vif du sujet et voyons quelques-unes des applications pour lesquelles RealHolo rivalisera, voire excellera.

Laser Direct Write Lithography – Digital Scanners

Au début du 21e siècle, l'engouement pour la technologie des modulateurs spatiaux de lumière (SLM) était palpable. Le géant de l'industrie ASML, le premier à l'avoir adoptée, et Micronic menaient de vastes projets dans ce domaine. Parallèlement, le marché de l'affichage électronique était en plein débat : devait-il s'orienter vers les téléviseurs à rétroprojection ou adopter les écrans à cristaux liquides ?

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.

Une décennie plus tard, le pendule semble revenir vers les systèmes optiques à écriture directe. Nikon, par exemple, travaille actuellement sur un système utilisant une SLM à défilement à phase binaire uniquement, une sorte d'hybride entre la DLP de Texas Instruments et la PLV de Silicon Light Machines. Ce système se caractérise par une illumination simplifiée et un modèle de coût de possession plus attractif.

C'est là qu'intervient RealHolo. Qu'est-ce qui le rend intéressant pour cette application ? Tout d'abord, RealHolo offre une largeur de bande de données très respectable. Même s'il ne rivalise pas avec le débit d'un stepper ASML, qui peut traiter 200 plaquettes à l'heure, il constitue un cas d'utilisation commercialement 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.

Les SLM à phase seule apportent une autre dimension à la table. Hypothétiquement, on pourrait fusionner deux ou quatre miroirs pour synthétiser la phase et l'amplitude souhaitées, une fonctionnalité aux applications indéniables. Toutefois, pour les systèmes d'écriture directe qui visent les limites théoriques de la résolution tout en contrôlant les temps d'écriture, l'utilisation de plusieurs micro-miroirs pour un pixel composé singulier, qui se traduit par une réduction de deux à quatre fois de la capacité d'écriture, est tout simplement inacceptable.

Il existe cependant une voie médiane qui permet d'exploiter les avantages en termes de résolution des masques à déphasage alternatif sans sacrifier les vitesses d'écriture en combinant les pixels. Cette voie intermédiaire considère l'ensemble du modulateur comme une unité cohérente et le prix à payer pour tous les avantages qu'elle offre est de trouver les phases pour chaque miroir individuel qui produisent l'image souhaitée. Heureusement, l'imagerie cohérente est un problème linéaire et, bien que le nombre de variables puisse être important, il existe des solutions qui projettent des images à valeur réelle (c'est-à-dire une dépendance au carré du CD avec la mise au point) et qui peuvent être calculées sans recourir à des méthodes de recherche itératives dont les résultats peuvent être imprévisibles. Pour l'imagerie partiellement cohérente, le problème n'est plus linéaire et la solution cohérente ne peut servir que de point de départ à une approche itérative. Il est toutefois précieux de disposer d'un point de départ qui, dans la limite des petites ouvertures d'illumination, est correct.

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.

C'est là que l'application WaveMe apporte une réelle valeur ajoutée. L'étalonnage de 9 600 000 micro-miroirs avec une précision de 1 nm exige une mise en œuvre efficace de l'interférométrie à déphasage pour une telle précision. Cette mise en œuvre efficace garantit non seulement la précision, mais elle est également rentable, ce qui permet de l'inclure dans tous les systèmes. Elle permet une caractérisation automatisée fréquente de chaque micro-miroir, en faisant remonter la qualité de l'image produite par 9 600 000 miroirs jusqu'à un seul composant, le déphaseur.

Télécommunications et commutateurs sélectifs de longueur d'onde (WSS)

Bien que cette version particulière de RealHolo ne dispose pas d'une plage de déflexion suffisante pour être utile dans le domaine des télécommunications, la modification des MEMS pour les adapter à d'autres longueurs d'onde constitue généralement un défi moins important, bien qu'au moment de la rédaction du présent document, le projet RealHolo n'ait pas apporté de réponses définitives à cette question.

Les commutateurs sélectifs de longueur d'onde (WSS) font partie intégrante des réseaux de communication optique modernes, en particulier dans le domaine du multiplexage dense par répartition en longueur d'onde (DWDM). Le DWDM est une technologie qui permet d'envoyer plusieurs longueurs d'onde (ou canaux) de données sur une seule fibre optique, maximisant ainsi sa capacité de transport de données. Un WSS peut acheminer, bloquer ou atténuer n'importe laquelle de ces longueurs d'onde individuelles sans affecter les autres, et ce sans étapes de démodulation et de modulation. Cette flexibilité permet une reconfiguration dynamique et transparente des réseaux optiques, optimisant la bande passante et garantissant que les données peuvent être réacheminées en cas de défaillance ou d'encombrement des liaisons. L'importance du WSS ne réside pas seulement dans sa capacité à gérer efficacement le flux de données, mais aussi dans sa contribution à la construction de réseaux optiques adaptatifs et auto-réparateurs. À une époque où la consommation de données n'a jamais été aussi élevée et où la demande de communications fiables et à haut débit ne cesse de croître, on ne saurait trop insister sur l'importance de composants tels que le WSS, qui facilite la mise en place de réseaux optiques agiles et résilients. On s'attend à ce que ce marché connaisse un taux de croissance annuel de 8% à 12%, soit un doublement tous les sept ans, ce qui devrait offrir des possibilités pour un dispositif qui résoudra bon nombre des problèmes qui hantent la technologie d'aujourd'hui.

Le composant central d'un système de commutation sélective en longueur d'onde (WSS) qui permet la fonction de commutation est souvent le modulateur de phase à cristaux liquides sur silicium (LCoS). Le modulateur de phase LCoS permet de manipuler la phase de la lumière entrante et, lorsqu'il est associé à d'autres éléments optiques tels que des lentilles et des réseaux de diffraction, il peut diriger sélectivement des longueurs d'onde individuelles (ou canaux) vers des ports de sortie spécifiques. Cette reconfigurabilité dynamique fournie par le modulateur de phase LCoS permet au WSS d'acheminer différentes longueurs d'onde vers diverses destinations sans qu'aucun mouvement mécanique ne soit nécessaire, réalisant ainsi la fonction de commutation souhaitée dans les systèmes 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.

Un autre inconvénient des systèmes à base de LCoS est que le panneau nécessite une lumière polarisée. Bien que cela soit possible en utilisant, par exemple, un prisme de Wollaston, cela a pour conséquence d'augmenter la complexité de la conception optique, non seulement à cause du prisme, mais aussi parce que nous devons maintenant faire passer deux chemins lumineux séparés, un pour chaque polarisation, à travers le système optique, ce qui double sa taille et introduit les problèmes habituels liés à l'absence d'axe. Certains de ces problèmes sont bien annulés puisque la polarisation change de place au retour, mais cela ne s'applique qu'aux aberrations d'ordre impair (comme la coma) tout en aggravant l'astigmatisme. Les systèmes WSS sont déjà de véritables origamis optiques, mais le fait de ne plus avoir à adapter deux faisceaux séparés dans l'espace au lieu de deux polarisations qui partagent le même espace physique offrira un allègement substantiel de la conception et de la fabrication, tout en éliminant le problème du scintillement de la phase.

Le RealHolo remplaçant le LCoS, les problèmes de polarisation et de fluctuation de puissance disparaissent. En outre, il offre des temps de commutation pratiquement instantanés et ne présente pas d'effets de champ de frange qui aggravent les problèmes de polarisation. Le cas d'utilisation de RealHolo dans cet espace est très facile à réaliser. Espérons que le Fraunhofer IPMS trouvera un moyen d'étendre la gamme de longueurs d'onde de RealHolo aux longueurs d'onde des télécommunications.

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

Lorsqu'en 1955, Citroën a introduit les phares de la DS pour faire tourner les têtes, cela n'a pas seulement fait tourner les faisceaux, mais aussi pas mal de têtes. Il s'agit d'une caractéristique spectaculaire qui se distingue particulièrement sur le modèle DS21 Pallas des années 1960. Les phares pivotants amélioraient la visibilité nocturne, en particulier sur les routes sinueuses, marquant ainsi une avancée significative en matière de sécurité routière pendant les heures d'obscurité. Mais imaginez que l'on puisse aller plus loin.

Vous avez déjà traversé une tempête de neige la nuit ? Vous savez alors que la visibilité ne s'étend guère au-delà de la neige qui se trouve juste devant les phares, et que la loi de l'inverse du carré ne nous fait pas non plus de cadeaux. En général, ce n'est pas le cas, mais dans ce cas-ci, c'est vraiment mauvais parce que le spectacle que nous ne voulons pas voir reçoit la plus grande partie de la lumière. Mais que se passerait-il si nous avions la possibilité de ne pas éclairer les flocons de spectacle qui se trouvent juste devant nous ? Il suffit de choisir les 1000 pires d'entre eux et de s'assurer qu'ils ne sont plus éclairés. Ce serait un tour dont même Gandalf serait fier.

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.

Bien que cette application soit évidemment assez proche des objectifs du projet RealHolo, je pense qu'il s'agit d'un concept tellement passionnant qu'il fallait le mentionner.