RealHolo – Più di quanto possa apparire a prima vista

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.

Laser Direct Write Lithography – Digital Scanners

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?

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 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.

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

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.

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.

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.