RealHolo È un progetto finanziato dall’UE che mira a realizzare un array di micro-oggetti riflettenti e modulatori spaziali di luce, con l’obiettivo di “aprire la strada per ambienti di realtà mista di uso comune”, citando il sito del progetto a parole. Tuttavia, se apriamo il cofano e guardiamo dentro, scopriamo che, con le specifiche e gli obiettivi tecnici già raggiunti, RealHolo è molto più di quanto possa sembrare a prima vista.

Innanzitutto diamo un’occhiata alle specifiche, e poi approfondiamo il motivo per cui questo piccolo componente potrebbe rivelarsi fondamentale per diverse applicazioni interessanti.

1. 4000 x 2400 pixel con dimensioni individuali di 4 μm per 6 μm
2. Frequenza di campionamento > 1 kHz. Tuttavia, il backplane CMOS offre una larghezza di banda di 200 Gbit/s
3. Gamma di deflessione da 0 a 350 nm.
4. Resoluzione analogica, 8 bit
5. Inclinazione del micro-specchio < 0,1º

Quindi, cosa possiamo fare con una specifica del genere? Andiamo a vedere alcune delle applicazioni in cui RealHolo potrà competere e forse addirittura eccellere.

Litografia a laser diretto – Scanner digitali

All'inizio del XXI secolo, il clamore relativo alla tecnologia dei modulatori spaziali di luce (SLM) era evidente. L'industria gigante ASML, che fu tra i primi ad adottare questa tecnologia, e Micronic conducevano progetti di ampio respiro in questo ambito. Allo stesso tempo, il mercato degli schermi elettronici era immerso in un dibattito: doveva orientarsi verso i televisori a retroproiezione o puntare sui LCD?

Inoltre, abbiamo assistito a un’accelerazione degli sforzi per integrare sempre più funzionalità nei circuiti integrati, tutti intenti a stare al passo con la Legge di Moore. A metà o alla fine degli anni 2000, la tecnologia si è orientata verso l’E-Beam, soprattutto in considerazione della promessa di sistemi multi-beam per risolvere i problemi di capacità e l’interesse per questa tecnologia è diminuito.

Passiamo un decennio e il trend sembra tornare verso i sistemi ottici di scrittura diretta. Nikon, ad esempio, sta attualmente lavorando su un sistema che utilizza un SLM a scorrimento a fase binaria, un tipo di sistema ibrido tra il DLP di Texas Instruments e il PLV di Silicon Light Machines. Questo sistema si caratterizza per una illuminazione semplificata e un modello di costi di proprietà più conveniente.

Entriamo nel mondo di RealHolo. Cosa lo rende interessante per questa applicazione? Innanzitutto, RealHolo offre una larghezza di banda dei dati molto elevata. Anche se potrebbe non competere con la velocità di un stepper di ASML, che può processare 200 wafer all'ora, rappresenta comunque un caso d'uso commercialmente pratico.

Riflettendo sulle innovazioni di ASML due decenni fa, la società fu pioniera nella realizzazione di un sistema SLM a specchio inclinabile in grado di emulare una maschera a fase di scorrimento alternata. Inoltre, supportava la risoluzione a grana in un sistema che utilizzava un setup tradizionale a fase parziale e un laser ArF excimer. Questo modulatore utilizzava un impressionante array di micro-specchi – 11 milioni di specchi che funzionavano a 6 kHz – e prevedeva l’integrazione di più di questi array in una singola macchina. Secondo i parametri dell’epoca, si trattava di un risultato rivoluzionario. Oggi, tuttavia, tale design potrebbe avere difficoltà a trovare una giustificazione commerciale.

I SLM a fase unica apportano un'ulteriore dimensione alla tecnologia. In teoria, è possibile combinare due o quattro specchi per sintetizzare qualsiasi fase e ampiezza desiderata: una funzionalità dalle applicazioni indiscutibili. Tuttavia, per i sistemi di scrittura diretta che mirano ai limiti teorici di risoluzione mantenendo al tempo stesso sotto controllo i tempi di scrittura, l'utilizzo di più micro-specchi per un singolo pixel composto, che comporta una riduzione della capacità di scrittura da due a quattro volte, è semplicemente inaccettabile.

Esiste tuttavia una strada di mezzo che combina i vantaggi della risoluzione offerti dalle maschere a fase variabile con la possibilità di scrivere velocemente, combinando i pixel. Questa strada media tratta l’intero modulatore come una singola unità coerente e il prezzo da pagare per tutti i vantaggi offerti è trovare le fasi per ciascun specchio individuale che produca l’immagine desiderata. Fortunatamente, l’imaging coerente è un problema lineare e, sebbene il numero di variabili possa effettivamente essere elevato, esistono soluzioni che proiettano immagini a valori reali (cioè una dipendenza quadrata della CD con il fuoco), che possono essere calcolate senza ricorrere a metodi di ricerca iterativi che possono produrre risultati imprevedibili. Per l’imaging parzialmente coerente, il problema non è più lineare e la soluzione coerente può servire solo come punto di partenza per un approccio iterativo. Tuttavia, è prezioso avere un punto di partenza che, al limite delle aperture di illuminazione piccole, sia corretto.

La principale differenza tra i sistemi Nikon e RealHolo risiede nella qualità dei pattern generati. Il modulator binario di Nikon non può essere calibrato e si basa sull’averraglio per migliorare la qualità dei pattern. Tuttavia, questo metodo presenta un rendimento diminuito, poiché il miglioramento della qualità dell’immagine, come la rugosità delle linee, è proporzionale alla radice quadrata del numero di immagini. Inoltre, i pattern generali necessitano di almeno 4 fasi, che un modulator binario non può generare. In contrasto, RealHolo offre un vantaggio significativo grazie alla sua tecnologia analogica a comb drive. Il comb drive, con la sua risposta elettro-ottica quasi lineare, è un vero e proprio abilitatore per la realizzazione di pattern di alta qualità con questo dispositivo e la risoluzione a 8 bit offerta dal suo CMOS. Tuttavia, c’è un inconveniente: ogni micro mirror richiede una corretta calibrazione precisa di 1 nm.

È qui che l’applicazione WaveMe aggiunge un reale valore. Calibrare 9.600.000 micro-mirrors con una precisione di 1nm richiede un’implementazione efficiente dell’interferometria a fase-shift per raggiungere tale precisione. Questa implementazione efficiente non solo garantisce precisione, ma è anche conveniente, consentendo la sua inclusione in ogni sistema. Permette inoltre la caratterizzazione automatizzata frequente di ciascun micro-mirror, tracciando la qualità dell’immagine prodotta da 9.600.000 di micro-mirrors fino a un singolo componente, il fase shifter.

Telecom e commutatori selettivi per lunghezze d’onda (WSS)

Sebbene questa particolare versione di RealHolo non disponga della portata di diffusione necessaria per essere utilizzabile nel settore delle telecomunicazioni, cambiare i MEMS per adattarli ad altre lunghezze d’onda è solitamente una sfida più facile, sebbene al momento del lancio del progetto RealHolo non siano state fornite risposte definitive a questa domanda.

I commutatori selettivi per lunghezze d’onda (WSS) sono componenti fondamentali nelle moderne reti di comunicazione ottica, soprattutto nel campo del Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM). Il DWDM è una tecnologia che consente di inviare più lunghezze d’onda (o canali) di dati attraverso una singola fibra ottica, massimizzando la capacità di trasporto dei dati. Un WSS può indirizzare, bloccare o attenuare qualsiasi di queste lunghezze d’onda individuali senza compromettere le altre, senza alcun passaggio di demodulazione e modulazione. Questa flessibilità consente una riconfigurazione dinamica e trasparente delle reti ottiche, ottimizzando la larghezza di banda e garantendo che i dati possano essere reindirizzati in caso di guasti o congestione del collegamento. L’importanza dei WSS risiede non solo nella sua capacità di gestire efficacemente il flusso dei dati, ma anche nel suo contributo alla costruzione di reti ottiche adattive e autosollevanti. In un’epoca in cui il consumo di dati è ai massimi livelli e la richiesta di una comunicazione affidabile e ad alta velocità è in costante crescita, l’importanza di componenti come WSS, che facilita la realizzazione di reti ottiche agili e resilienti, non può essere sottostimata. Si prevede che questo mercato crescerà a un ritmo di crescita annuo sano tra l’8% e il 12%, ovvero un raddoppio ogni 7 anni, il che dovrebbe offrire possibilità per un dispositivo in grado di risolvere molti dei problemi che affliggono la tecnologia odierna.

La componente principale di un sistema Wavelength Selective Switch (WSS) che consente la funzione di commutazione è spesso il modulatore di fase Liquid Crystal on Silicon (LCoS). Il modulatore di fase LCoS consente di manipolare la fase della luce in ingresso e, quando combinato con altri elementi ottici come lenti e griglie di diffrazione, può orientare selettivamente singoli lunghezze d’onda (o canali) verso specifici ingressi. Questa dinamica reconfigurabilità offerta dal modulatore di fase LCoS è ciò che consente al WSS di indirizzare diverse lunghezze d’onda verso destinazioni specifiche senza la necessità di movimenti meccanici, ottenendo così la funzione di commutazione desiderata nei sistemi DWDM.

Tuttavia, con il LCoS ci sono alcuni aspetti dell’utilizzo che hanno delle conseguenze sul design di un sistema WSS. I pannelli a cristalli liquidi subiscono una degradazione quando sottoposti a una polarità DC. Pertanto, sia che si utilizzi tecnologia digitale che analogica, i produttori di dispositivi adottano tecniche diverse per introdurre la commutazione della polarità per mantenere sotto controllo le prestazioni del dispositivo. Ciò, tuttavia, introduce una variazione temporale delle proprietà di diffrazione che è difficile da controllare, soprattutto quando il pannello viene utilizzato sia per la sterzata del fascio che per l’attenuazione. Sebbene la capacità di fornire attenuazione sia auspicabile, il suo effetto sull’aumento delle fluttuazioni di potenza è di natura fondamentale e spinge ulteriormente i requisiti di stabilità di fase. Il problema della stabilità di fase è ulteriormente aggravato dalle elevate temperature in cui il LCoS dovrebbe svolgere le sue funzioni.

Un altro inconveniente dei sistemi basati su LCoS è che il pannello richiede luce polarizzata. Sebbene questo possa essere ottenuto utilizzando, ad esempio, un prisma Wollaston, comporta l’aumento della complessità del design ottico, non solo a causa del prisma ma anche perché è necessario comprimere due percorsi di luce separati, uno per ciascuna polarizzazione, attraverso il sistema ottico, il che duplica la sua dimensione e introduce i consueti problemi legati all’off-axis. Alcuni di questi problemi sono ben gestibili poiché la polarizzazione si sposterà di posto durante il ritorno, ma ciò vale solo per le aberrazioni di ordine dispari (come la coma), peggiorando invece l’astigmatismo. Ora, i sistemi WSS sono già una vera e propria origami ottico, ma evitare di dover montare due fasci di luce separati anziché due polarizzazioni che condividono lo stesso spazio fisico offre un notevole vantaggio in termini di progettazione e produzione, eliminando al tempo stesso il problema del flicker di fase.

Con l’utilizzo del RealHolo al posto del LCoS, si eliminano sia i problemi di polarizzazione che di fluttuazione della potenza, oltre a offrire tempi di commutazione praticamente istantanei e senza effetti di campo di fringing che aggravano i problemi di polarizzazione. L’utilizzo di RealHolo in questo ambito è molto semplice. Speriamo che Fraunhofer IPMS trovi il modo di estenderne l’utilizzo al range di lunghezza d’onda del RealHolo fino alle lunghezze d’onda delle telecomunicazioni.

Dai innovativi sistemi di illuminazione di Citroën alle luci di guida ultra-precise in condizioni di nebbia

Quando nel 1955 Citroën introdusse la capacità di attirare l’attenzione dei conducenti con i fari DS, non solo illuminò la strada, ma anche diverse persone. Era una caratteristica davvero spettacolare che si evidenziava particolarmente nel modello DS21 Pallas degli anni ’60. I fari girevoli miglioravano la visibilità notturna, soprattutto su strade tortuose, segnando un significativo passo avanti nel garantire la sicurezza stradale nelle ore buie della giornata. Ma immaginate se potessimo portare questa tecnologia al livello successivo.

Hai mai guidato in una tempesta di neve di notte? Allora sai che la visibilità non si estende molto oltre la neve proprio davanti ai fari, e la legge inversa del quadrato non ci aiuta neanche. Beh, di solito non aiuta, ma in questo caso è davvero negativa perché lo spettacolo che non vogliamo vedere riceve la maggior parte della luce. Ma cosa succederebbe se avessimo la possibilità di non illuminare immediatamente gli scaglie dello spettacolo davanti a noi? Prendiamo le 1000 peggiori e assicuriamoci che non vengano più illuminate. Sarebbe un trucco di cui anche Gandalf sarebbe orgoglioso.

Non si tratta di pura fantascienza; grazie ai rapidi progressi nella tecnologia di controllo della fase della luce e nei sensori ad alta velocità, ci stiamo avvicinando a un futuro in cui i fari non solo illumineranno il nostro percorso, ma lo faranno con una precisione e una raffinatezza che sembrerebbero impensabili nel periodo della Citroën DS.

Sebbene questa applicazione sia ovviamente piuttosto vicina agli obiettivi del progetto RealHolo, credo che sia un concetto così entusiasmante che non poteva mancare di essere menzionato.