Nouvelle génération de lasers RVB à émission périphérique pour la réalité augmentée

Les lasers rouges, verts et bleus à émission par la tranche, d'une puissance de sortie de l'ordre du milliwatt et d'une efficacité exceptionnelle, sont destinés à des applications de réalité augmentée. - PAR MARCO ROSSETTI, MARCO MALINVERNI ET ANTONINO CASTIGLIA DE indie (anciennement EXALOS)

Il y a de nombreuses raisons

... Pourquoi vous attendez peut-être avec impatience la révolution de la réalité augmentée (RA). Vous voulez peut-être mettre la main sur cette technologie ou vous attendez avec impatience la hausse des ventes de dispositifs émettant de la lumière qu'elle entraînera.

À ce stade, toutefois, il est préférable de tempérer votre enthousiasme. En effet, il faudra attendre quelques années pour que soient surmontés un certain nombre d'obstacles technologiques qui permettront aux écrans portables et aux lunettes intelligentes d'être acceptables pour l'adoption par les consommateurs. Des progrès ont toutefois été accomplis : des diodes laser rouges, vertes et bleues sont apparues sous la forme de moteurs optiques miniaturisés, capables de combler certaines lacunes importantes liées à la conception et aux performances des écrans.

L'équipe d'indie, un fabricant bien établi de sources lumineuses à semi-conducteurs basé en Suisse, joue un rôle clé dans cette entreprise. Récemment, nous avons mis au point des diodes laser visibles qui ouvrent de nouvelles perspectives en matière de faibles courants d'entraînement et de consommation d'énergie minimale. Ces atouts, demandés pour les écrans AR de la prochaine génération, donnent à nos lasers les qualifications nécessaires pour rivaliser dans ce secteur avec les VCSEL, qui sont sans aucun doute prometteurs mais moins matures.

Les quatre exigences clés pour un moteur de lumière dans un affichage monté sur la tête de type grand public pour des applications de réalité augmentée sont la luminosité, l'efficacité, une faible consommation d'énergie et l'ultra-compacité. Au cours des dernières années, des progrès considérables ont été réalisés pour relever ces défis, mais tant que toutes ces exigences ne seront pas satisfaites simultanément, il est incroyablement improbable que les lunettes intelligentes de réalité augmentée soient prêtes pour le grand public. Si les micro-écrans conventionnels déployés dans la grande majorité des architectures de RA existantes ont bien répondu à certaines exigences clés, ils ne répondent pas aux besoins en termes de poids, de dimensions et de facteur de forme global. Il est possible que des progrès soient réalisés, mais il existe des limites intrinsèques.

Heureusement, il est possible de répondre à toutes les exigences clés des affichages montés sur la tête grâce aux architectures d'affichage à balayage par faisceau laser, qui gagnent du terrain. Plusieurs grands noms sont actifs dans ce domaine, notamment Microsoft, Intel, Bosch et Google/North. Ces entreprises de haute technologie sont les premières à utiliser des diodes laser dans le matériel de réalité augmentée, et d'autres entreprises devraient les suivre.

Dans ces architectures de balayage par faisceau laser, on a tendance à utiliser un moteur optique formé de micro-optiques, de lasers et de miroirs MEMS. La sortie des lasers rouge, vert et bleu est combinée et collimatée par des micro-optiques, avant d'être dirigée vers des miroirs MEMS qui sont balayés en deux dimensions pour générer une image focalisée en permanence. Outre l'intégration et la miniaturisation, l'utilisation d'un triumvirat de lasers permet d'obtenir une image nette et une large gamme de couleurs.

Guide d'ondes et projection

Les lunettes intelligentes AR transparentes peuvent être divisées en deux catégories principales. La première combine une structure de guide d'ondes, utilisant la réflexion interne totale pour coupler la lumière à une lentille, avec un réseau d'extraction qui fournit des images à l'œil de l'utilisateur. L'alternative la plus courante consiste à projeter la lumière dans l'espace libre et à la réfléchir sur la lentille. Comme nous allons le voir, les deux présentent des avantages et des inconvénients (voir figure 1).

L'un des mérites de l'approche par guide d'ondes est qu'elle peut être conçue pour offrir un bon niveau de confort visuel, grâce à de grandes boîtes oculaires - grâce à elles, lorsque la pupille se déplace, il n'y a pas de difficulté à voir l'image. Toutefois, l'utilisation de guides d'ondes pose un certain nombre de problèmes liés à la qualité de l'image et à l'efficacité de l'affichage. Cette architecture pose des problèmes qui se traduisent par une expérience de RA peu satisfaisante, en raison d'une combinaison de dispersion chromatique et d'artefacts liés à la structure du guide d'ondes et aux grilles d'extraction.

Un autre inconvénient des guides d'ondes est qu'ils peuvent produire un couplage de la lumière à l'œil avec une perte extrême, avec des efficacités de 1 % ou moins, ce qui n'est pas rare. En raison de l'importante perte optique du système, les sources lumineuses doivent compenser en fournissant une puissance optique par couleur allant de quelques dizaines de mW à 100 mW. Une telle puissance augmente la consommation d'énergie et entraîne une augmentation de la taille du projecteur, nécessaire pour gérer la dissipation de la chaleur. Cet état de fait empêche de répondre au souhait du consommateur de voir se développer des lunettes fines dont le poids ne dépasserait pas 70 grammes.

Les points forts des écrans réfléchissants en espace libre sont une conception optique plus simple, la génération d'images de meilleure qualité et une efficacité exceptionnelle dans le relais de la lumière du projecteur vers la rétine de l'utilisateur ; grâce à cela, ils nécessitent une puissance beaucoup plus faible de la part des sources lumineuses. Malgré une boîte oculaire plus petite, la conception simplifiée et la consommation d'énergie fortement réduite font de cette option un excellent candidat pour les lunettes AR de type grand public. Dans ce cas, la puissance optique requise de chaque diode laser n'est qu'une fraction de milliwatt, qui passe à quelques milliwatts si l'on tient compte de la perte optique de l'unité de projection et de l'élément réfléchissant.

Est-il possible de répondre à ces exigences avec des diodes laser rouges, vertes et bleues ? Il y a de l'espoir, grâce à l'évolution majeure, au cours des deux dernières décennies, des diodes laser bleues et, en particulier, des diodes laser vertes basées sur le GaN et ses alliages. Au cours de cette période, des percées technologiques fondamentales ont été réalisées dans le domaine du dopage efficace de type p et de la réalisation de régions actives de haute qualité émettant dans le vert. En outre, de nombreux efforts ont été déployés pour mettre au point des dispositifs fiables offrant des puissances de sortie toujours plus élevées pour les applications industrielles et les écrans de grande taille. Cependant, les régimes de faible puissance avec une consommation d'énergie réduite restent largement inexplorés. Cela explique pourquoi les diodes laser disponibles dans le commerce ne répondent pas encore aux exigences des smartglasses AR en espace libre.

Ces dernières années, de nombreux travaux ont été consacrés à combler cette lacune en développant des VCSELs visibles. Des résultats prometteurs ont été obtenus avec des VCSELs rouges, basés sur l'AlGaInP, et des cousins bleus et verts formés à partir du système de matériaux AlInGaN. Toutefois, ces dispositifs en sont au stade de la preuve de concept, et certains défis majeurs freinent leur commercialisation. Le processus de fabrication est complexe et il existe des problèmes techniques liés à la production de bons miroirs multicouches et de régions actives efficaces. Jusqu'à présent, ces défis pèsent lourdement sur le rendement de la production et l'homogénéité des performances.

Courants de seuil minuscules

Nous sommes les champions d'une alternative au VCSEL grâce à notre développement d'une gamme de lasers à émission par la tranche avec des courants de seuil très bas. Ces dispositifs, fabriqués à l'aide d'outils conventionnels de traitement des tranches de semi-conducteurs, comblent l'écart de performance en fournissant quelques milliwatts de puissance optique à une fraction du courant d'entraînement requis pour la diode laser typique d'aujourd'hui. Nos diodes laser bleues et rouges de faible puissance ont des courants de seuil proches de 5 mA et fonctionnent en dessous de 10 mA ; nos variantes vertes commencent à émettre des leds vers 15 mA et fonctionnent entre 20 mA et 30 mA (voir figure 2). Les tensions de fonctionnement au seuil sont respectivement de 2,3 V, 3,7 V et 5,5 V pour nos diodes laser rouges, bleues et vertes, et les chiffres correspondants pour la consommation électrique à une puissance de sortie optique de 3 mW sont d'environ 25 mW, 35 mW et 160 mW.

Ces chiffres montrent clairement que les performances des lasers émettant dans le vert sont inférieures à celles des lasers émettant dans le rouge et le bleu. Une grande partie de l'optimisation doit encore porter sur la qualité cristalline des couches actives. Nous espérons progresser sur ce front dans les mois à venir, grâce à des améliorations de la croissance épitaxiale par MOCVD.

En plus d'offrir d'excellentes performances, nos nouvelles diodes laser présentent une grande stabilité et une fiabilité à long terme. Les courbes de durée de vie, obtenues en fonctionnement à courant constant et à onde continue, révèlent que pendant plus de 1 000 heures de fonctionnement à une puissance de sortie proche de 5 mW, il n'y a que peu ou pas de baisse de puissance, ce qui indique que ces dispositifs sont très prometteurs pour un déploiement dans des applications d'affichage grand public (voir figure 3).

Pour ceux qui ne connaissent pas les composés de nitrure III, cette durée de vie pour les diodes laser bleues et vertes peut sembler un résultat de routine - mais ce n'est pas le cas, il s'agit en fait d'une réalisation majeure. Notre succès est le fruit d'un travail acharné, fondé sur les percées que nous avons réalisées avec nos diodes laser à 405 nm, dont la durée de vie prévue est d'environ 5 000 heures.

La stabilité à court et à long terme des diodes laser GaN est affectée par de nombreux mécanismes. Pour obtenir des dispositifs fiables, chaque menace doit être traitée de manière à garantir des performances élevées.
Un problème bien connu des diodes laser GaN est le niveau élevé de défauts, qui dégrade les performances. Comme beaucoup de nos pairs, nous produisons nos dispositifs sur des substrats de GaN de haute qualité et à faible densité de dislocation, ce qui nous permet d'éviter les imperfections cristallines, en particulier dans les puits quantiques à base d'InGaN.

Un autre défi associé à la production de diodes laser à base de nitrure III est la réalisation du dopage p. Notre approche consiste à introduire des atomes de magnésium à des niveaux de dopage soigneusement contrôlés. Notre approche consiste à introduire des atomes de magnésium à des niveaux de dopage soigneusement contrôlés. Nous prenons soin d'éviter un niveau de magnésium trop élevé, car cela pourrait augmenter les pertes optiques dans la puce, et pourrait éventuellement générer des grappes et des défauts si les densités cristallines dépassent quelques 1019 cm-3. Il est essentiel de ne pas aller trop loin dans l'autre sens : si les concentrations de magnésium sont trop faibles, la résistance en série augmente en même temps que la tension de fonctionnement de l'appareil, ce qui nuit à sa fiabilité.

Outre les considérations liées à la croissance cristalline, tous les fabricants de lasers à guide d'ondes à crête doivent s'assurer que les miroirs diélectriques ont des pertes d'absorption et de diffusion très faibles et que le dispositif est doté d'un boîtier approprié. Il est impératif que l'atmosphère de l'emballage soit inerte et exempte de contaminants, afin d'éviter la dégradation du miroir de sortie par les processus de dépôt photo-induits qui peuvent se produire en cours de fonctionnement.

Bien que la production de diodes laser rouges soit plus avancée que celle des variantes bleues et vertes, le succès ne doit pas être considéré comme acquis. La production s'appuie sur une technologie GaAs plus mature, dont l'épitaxie, le traitement des plaquettes et l'emballage sont maîtrisés depuis plus de 15 ans. Cependant, même si la fiabilité à long terme n'est pas une préoccupation majeure, il est important de prêter attention à l'apparition potentielle de défaillances soudaines. Si la grande longueur d'onde d'émission, qui correspond à une énergie photonique plus faible, réduit la probabilité de processus de dégradation photo-induits, il reste nécessaire d'optimiser soigneusement les miroirs de sortie des diodes laser. Si l'on n'en tient pas compte, on risque une dégradation soudaine due à un endommagement catastrophique des miroirs optiques, un mécanisme de défaillance courant dans les lasers AlGaInP.
L'une des caractéristiques prometteuses des diodes laser de faible puissance mises au point par notre équipe est que les trois couleurs produisent un modèle de sortie similaire à mode latéral unique. Cette absence de variation simplifie considérablement l'intégration des lasers rouges, verts et bleus avec des optiques de collimation communes. L'émission des facettes clivées de nos lasers à émission par le bord a la forme elliptique typique, avec une divergence qui dépend du confinement optique de la lumière dans la puce.

Dans le cas des lasers à émission par la tranche, un rôle important est joué par l'architecture bidimensionnelle de l'indice de réfraction, définie sur une section transversale de la structure du guide d'ondes en forme de crête. Le long de la direction de croissance épitaxiale, la divergence angulaire du faisceau est déterminée par l'épaisseur et la composition des couches de cœur et de gaine qui assurent le guidage des ondes. Dans la direction parallèle à la surface de croissance, la divergence dépend de la largeur du guide d'ondes, de la profondeur de gravure et de l'indice de réfraction de la couche diélectrique qui assure l'isolation électrique de chaque côté de l'arête.

L'optimisation minutieuse de ces paramètres permet de contrôler dans une large mesure la forme de l'émission lumineuse. Grâce à cette approche, nous avons réalisé des modèles lumineux extrêmement similaires pour les diodes laser rouges, vertes et bleues, en dépit de leurs différentes technologies de semi-conducteurs. Pour les trois couleurs, la divergence typique de l'axe lent, définie en termes de largeur à mi-maximum, est de l'ordre de 9-10 ° ; la divergence angulaire de l'axe rapide est de 20 ° pour le vert, 22 ° pour le bleu et 24 ° pour le rouge (voir figure 4).

Pour l'émetteur de bord rouge, qui présente une divergence légèrement plus importante le long de la direction de croissance, la géométrie conventionnelle cœur/cladding est dérivée de celle utilisée précédemment pour les structures épitaxiales SLED. Nous pensons qu'en optimisant davantage les conceptions futures, nous pourrons ajuster le confinement optique de manière à ce que la divergence de l'axe rapide rouge soit encore plus proche de celle des équivalents vert et bleu.

Nos diodes laser établissent de nouvelles normes pour la fourniture de quelques milliwatts de puissance optique à une très faible consommation d'énergie, et elles ouvrent la voie à des pico-projecteurs efficaces et compacts pour les technologies de réalité augmentée. Dans ces systèmes, les sources rouge, verte et bleue doivent être intégrées à des micro-optiques afin de générer un faisceau de lumière blanche collinéaire et collimaté pour le scanner MEMS.

Nous disposons d'une grande expertise dans ce domaine, car nous pouvons nous appuyer sur notre expérience dans la production de lasers accordables et de sources SLED à combinaison spectrale, qui utilisent des processus d'assemblage robotisés hautement automatisés pour positionner les filtres optiques et les lentilles avec une précision inférieure au micron. Nous réalisons actuellement des prototypes de moteurs lumineux ultracompacts basés sur des lasers rouges, verts et bleus d'un volume d'environ 50 mm3 (voir figure 5), afin de permettre la fabrication de la prochaine génération de lunettes intelligentes AR.

Lors de la conférence Digital Optical Technologies de cette année, qui s'est tenue en juin, nous avons présenté un module de 4,4 mm de long, 4,15 mm de large et 2,9 mm de haut. Avec un mélange parfait de semi-conducteurs et de technologies d'emballage, nous avons un bel avenir devant nous.

Expertise en matière dindie

indie a plus de vingt ans d'expérience dans le domaine des sources lumineuses avancées basées sur des dispositifs semi-conducteurs composés. Son expertise porte notamment sur les systèmes de matériaux, tels que ceux basés sur l'InP, le GaAs et le GaN. Depuis 2003, l'entreprise a livré plus de 500 000 dispositifs dont l'émission de lumière s'étend de l'UV-visible (405 nm) au proche infrarouge (1700 nm) (voir la figure ci-dessous).

Les technologies clés sont les diodes superluminescentes (SLED) et les lasers à cavité externe, qui sont largement utilisés dans l'imagerie médicale et industrielle, la navigation, la détection optique, la métrologie et les applications scientifiques. indie s'est constitué une large base de clients dans différents domaines d'application, a fait ses preuves en matière de réussite commerciale et fait preuve d'un fort esprit d'innovation. Forte de cette base, l'entreprise s'est naturellement tournée vers les applications grand public à plus grand volume.

Depuis 2018, indie a été particulièrement active dans le domaine de la RA, fournissant des sources SLED rouges, vertes et bleues et des solutions personnalisées à de multiples acteurs. Ces dispositifs combinent la cohérence spatiale et la sortie en forme de faisceau des diodes laser avec la grande largeur de bande spectrale et la faible cohérence temporelle des LED. Grâce à ces attributs, les SLED permettent une projection presque sans chatoiement et sans artefact - des caractéristiques hautement souhaitables pour les solutions de RA qui incluent l'utilisation de guides d'ondes.

indie affirme être, à ce jour, la seule entreprise sur le marché capable de fournir des SLED rouges, vertes et bleues. Ces dispositifs ont beaucoup de points communs avec les diodes laser à émission périphérique. C'est pourquoi indie se dit en excellente position pour franchir une nouvelle étape en fournissant des lasers à faible consommation d'énergie pour les combinateurs AR en espace libre. Cela correspond parfaitement à sa stratégie d'innovation et lui permet de tirer parti de son savoir-faire en matière de semi-conducteurs composés.

La fabrication de bonnes diodes électroluminescentes nécessite la maîtrise de multiples aspects techniques qui sont extrêmement similaires à ceux nécessaires à la fabrication de diodes laser. Les dispositifs sont basés sur une architecture de guide d'ondes à crête qui émet de la lumière à partir d'une facette cristalline clivée. La combinaison de couches semi-conductrices obtenues par croissance épitaxiale nécessaire à l'émission de lumière et au guidage d'ondes vers le point de sortie est également incroyablement similaire, et les techniques avancées de fabrication de plaquettes pour la production d'émetteurs en grandes quantités s'appuient sur les mêmes technologies de lithographie, de gravure et de dépôt de couches minces. L'obtention d'une faible consommation d'énergie record pour les lasers à émission par la tranche implique un contrôle parfait de toutes ces étapes de production.

Pour en savoir plus

• T. Zhan et al. "Augmented Reality and Virtual Reality Displays : Perspectives et défis", iScience 23 101397 (2020)
• S. Nakamura et al. "The Blue Laser Diode : The Complete Story", Springer Science & Business Media (2000)
• A. Khan "Laser diodes go green", Nature Photon 3 432 (2009)
• K. Terao et al. "Blue and green GaN-based vertical-cavity surface-emitting lasers with AlInN/GaN DBR", Proc. SPIE 11686 (2021)
• A. Castiglia et al. "GaN-based superluminescent diodes with long lifetime", Proc. SPIE 9748 (2016)
• N. Primerov et al. "Ultracompact RGB laser diode module for near-to-eye displays", SPIE Digital Optical Technologies paper 11788-22 (2021).

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