Кристално чисти: нашите вълноводи от силициев карбид и пътят към голямото фоново поле на Орион

0:00 / 0:00

Още през 2019 г. Орион екип подготви важна демонстрация за основателя и изпълнителния директор на Meta Марк Зукърбърг, демонстрирайки потенциални вълноводи за очила с добавена реалност-ключов момент, в който теоретичните изчисления на хартия се превръщат в реалност. И това беше демонстрация, която промени всичко.

"Носейки очилата със стъклени вълноводи и множество пластини, се чувствах като в дискотека", спомня си оптичният учен Паскуал Ривера. "Навсякъде имаше дъги и това беше толкова разсейващо - дори не гледахте съдържанието на AR. След това си сложихте очилата с силициев карбид вълноводи и сякаш бяхте на симфония и слушахте тихо, класическо произведение. Всъщност можеше да обърнеш внимание на пълното изживяване на това, което изграждахме. Това беше пълна промяна на играта."

И все пак, колкото и ясен да изглежда изборът на силициев карбид като субстрат днес, когато за първи път тръгнахме по пътят към AR очилата преди десетилетие, то беше всичко друго.

"Силициевият карбид обикновено е силно легиран с азот", казва Ривера. "Той е зелен, а ако стане достатъчно дебел, изглежда черен. Няма как да се направи оптична леща от него. Това е електронен материал. Има причина да е с този цвят и тя се дължи на електронните му свойства."

"Силициевият карбид съществува като материал от дълго време", съгласява се техническият ръководител на AR Waveguides Джузепе Калафиоре. "Основното му приложение е в мощната електроника. Вземете например електрическите превозни средства: Всички електромобили се нуждаят от чип - но този чип трябва да е способен и на много висока мощност, да движи колелата и да задвижва това нещо. Оказва се, че не можете да направите това с обикновения силициев субстрат, от който се правят чиповете, които използваме в нашите компютри и електроника. Необходима е платформа, която да позволява преминаването на високи токове, висока мощност, и този материал е силициев карбид."

Доскоро, когато дискусиите за възобновяемите енергийни източници започнаха да се разпалват, пазарът на тези мощни чипсети не се доближаваше до размера на пазара на чипове за потребителска електроника. Силициевият карбид винаги е бил скъп и не е имало голям стимул за намаляване на разходите, тъй като за размера на чипа, който се прави за автомобил, цената на субстрата е била поносима.

"Но се оказва, че силициевият карбид притежава и някои от свойствата, които са ни необходими за вълноводите и оптиката", казва Калафиоре. "Показателят на пречупване е ключовото свойство, което ни интересува. А силициевият карбид има висок коефициент на пречупване, което означава, че той е способен да канализира и извежда голямо количество оптични данни. Можете да си го представите като оптична честотна лента - точно както имате честотна лента за интернет и искате тя да е достатъчно голяма, за да можете да изпращате огромни количества данни по този канал. Същото важи и за оптичните устройства."

Колкото по-висок е коефициентът на пречупване на даден материал, толкова по-висока е неговата étendue, така че можете да изпращате повече оптични данни по този канал.

"Каналът в нашия случай е вълноводът, а по-големият етендюс води до по-голямо зрително поле", обяснява Калафиоре. "Колкото по-голям е показателят на пречупване на даден материал, толкова по-голямо зрително поле може да поддържа дисплеят."

Пътят към правилния индекс на пречупване

Когато Калафиоре се присъединява към тогавашната компания Oculus Research през 2016 г., най-високият показател на пречупване на светлината, с който екипът разполага, е 1,8 - което изисква подреждане на няколко плочи, за да се постигне желаното зрително поле. Като оставим настрана нежеланите оптични артефакти, монтажната линия ставаше все по-сложна, тъй като първите два вълновода трябваше да бъдат перфектно подравнени, а след това този стек трябваше да бъде перфектно подравнен с трети вълновод.

"Не само, че беше скъпо, но и веднага стана ясно, че не може да има три парчета стъкло на леща в чифт очила", спомня си Калафиоре. "Бяха твърде тежки, а дебелината им беше непосилно голяма и грозна - никой нямаше да ги купи. Така че се върнахме в изходна позиция: опитахме се да увеличим показателя на пречупване на субстрата, за да намалим броя на необходимите пластини."

Първият материал, който екипът разгледа, беше литиев ниобат, чийто показател на пречупване е приблизително 2,3 - доста по-висок от този на стъклото - 1,8.

"Осъзнахме, че трябва да сложим само две плочи и може би ще се справим дори с една плоча, за да покрием зрителното поле", казва Калафиоре. "Почти успоредно с това започнахме да разглеждаме други материали - така заедно с нашите доставчици през 2019 г. разбрахме, че силициевият карбид в най-чистата си форма всъщност е много прозрачен. Също така се оказа, че той има най-високия индекс на пречупване, известен за оптично приложение, който е 2,7."

Това е увеличение със 17,4% спрямо литиевия ниобат и с 50% спрямо стъклото, за тези, които си водят сметките у дома.

"С няколко модификации на същото оборудване, което вече се използваше в индустрията, беше възможно да се получи прозрачен силициев карбид", казва Калафиоре. "Можете просто да промените процеса, да бъдете много по-внимателни и вместо да оптимизирате за електронни свойства, да оптимизирате за оптични свойства: прозрачност, равномерност на индекса на пречупване и т.н."

Потенциалната цена на компромиса

По онова време екипът на Reality Labs е първият, който дори се опитва да премине от непрозрачни пластини от силициев карбид към прозрачни. И тъй като силициевият карбид е един от най-твърдите познати материали, за рязането или полирането му са необходими основно диамантени инструменти. В резултат на това еднократните инженерни разходи бяха много високи, така че полученият субстрат беше доста скъп.

Макар че съществуват по-рентабилни алтернативи, както при всяка технология, всяка от тях има компромиси. С увеличаването на зрителното поле към водещото в индустрията зрително поле на Orion от приблизително 70 градуса възникват нови проблеми като призрачни изображения и дъги.

"Намирането на оптималното решение за AR дисплей с широко зрително поле е свързано с компромиси между производителност и разходи", обяснява научният директор на отдела за научни изследвания Бари Силвърстайн. "Разходите често могат да бъдат намалени, но ако производителността не е достатъчна, разходите в крайна сметка няма да имат значение."

Призрачните изображения са като визуално ехо на основното изображение, което се прожектира върху дисплея. Дъгите са цветни светлинни ивици, които се създават, когато околната светлина се отразява от вълновода. "Да речем, че шофирате през нощта с движещи се светлини на колите около вас", казва Силвърстайн. "Ще имате дъги, които също се движат. Или ако сте на плажа и играете волейбол, а слънцето грее, ще получите дъгова ивица, която се движи заедно с вас и ще пропуснете удара си. И едно от чудодейните свойства на силициевия карбид е, че той се отървава от тези дъги."

"Другото предимство на силициевия карбид, което никой от другите материали не притежава, е топлопроводимостта", добавя Калафиоре. "Пластмасата е ужасен изолатор. Стъклото, литиевият ниобат - същото. Преминавате към силициев карбид и той е прозрачен, прилича на стъкло и познайте какво: провежда топлина."

Така през юли 2020 г. екипът определя, че силициевият карбид е оптималният избор поради три основни причини: Той води до подобряване на форм-фактора, тъй като изисква само една плоча и по-малки монтажни структури, има по-добри оптични свойства и е по-лек от стъклото с две плочи.

Тайната на наклоненото гравиране

След като материалът беше готов, следващият проблем беше изработката на вълноводите - и по-специално нетрадиционна техника за решетки, наречена наклонено гравиране.

"Решетката е наноструктурата, която свързва и изключва светлината от лещата", обяснява Калафиоре. "А за да работи силициевият карбид, решетката трябва да бъде наклонена. Вместо да са вертикални, линиите на решетката трябва да са наклонени по диагонал."

"Ние бяхме първите, които направиха наклонено ецване директно върху устройствата", казва ръководителят на изследванията Нихар Моханти. "Цялата индустрия разчиташе на наноотпечатъци, които не работят за субстрати с толкова висок коефициент на пречупване. Ето защо никой друг в света не се беше сетил да направи това със силициев карбид."

Но тъй като наклоненото ецване е незряла технология, повечето доставчици и заводи за полупроводникови чипове не разполагат с необходимите инструменти.

"През 2019 г. заедно с тогавашния ми ръководител Мат Колбърн създадохме собствено предприятие, тъй като в света нямаше нищо, което да произвежда гравирани вълноводи от силициев карбид и където да можем да докажем технологията извън лабораторните мащаби", обяснява Моханти. "Това беше огромна инвестиция и там създадохме целия конвейер. Инструменталната екипировка беше изработена по поръчка от нашите партньори, а процесът беше разработен в Мета, въпреки че нашите системи са от изследователски клас, защото там нямаше системи от производствен клас. Работихме с производствен партньор, за да разработим инструменти и процеси за наклонено ецване от производствен клас. И сега, след като показахме какво е възможно със силициев карбид, искаме другите в индустрията да започнат да произвеждат свои собствени инструменти."

Колкото повече компании инвестират в оптичен силициев карбид и разработват оборудване, толкова по-силна ще стане категорията на потребителските очила за разширена реалност.

Вече не преследваме дъги

Докато технологичната неизбежност е мит, звездите със сигурност изглежда се подреждат в полза на силициевия карбид. И въпреки че екипът продължава да проучва алтернативи, има силното усещане, че правилните хора са се събрали в точното време при правилните пазарни условия, за да създадат очила за разширена реалност, използвайки този материал.

"Orion доказа, че силициевият карбид е жизнеспособна опция за очила за AR", казва Силвърстайн, "и сега виждаме интерес по веригата за доставки на три различни континента, където те усилено търсят тази възможност. Силициевият карбид ще излезе начело. Според мен това е само въпрос на време."

За това време могат да се случат много неща - подобно на начина, по който се обърнаха нещата, откакто отгледахме първите кристали от прозрачен силициев карбид.

"Всички тези производители на силициев карбид бяха увеличили масово предлагането в отговор на очаквания бум на електромобилите", отбелязва Калафиоре. "В момента има свръхкапацитет, който не съществуваше, когато изграждахме Orion. Така че сега, тъй като предлагането е голямо, а търсенето - малко, цената на субстрата започна да се понижава."

"Доставчиците са много развълнувани от новата възможност за производство на оптичен силициев карбид - в края на краищата всяка вълноводна леща представлява голямо количество материал в сравнение с електронния чип и всички техни съществуващи възможности се прилагат в това ново пространство", добавя Силвърстайн. "Запълването на фабриката е от съществено значение, а увеличаването на мащаба на фабриката е мечтата. Размерът на пластината също е от значение: Колкото по-голяма е пластината, толкова по-ниска е цената, но сложността на процеса също се увеличава. Въпреки това видяхме, че доставчиците преминават от 4-инчови към 8-инчови пластини, а някои работят по прекурсори за 12-инчови пластини, които биха дали експоненциално повече чифта очила за AR."

Тези постижения трябва да спомогнат за по-нататъшно намаляване на разходите. Все още е рано, но бъдещето се очертава.

"В началото на всяка нова технологична революция се изпробват много неща", казва Калафиоре. "Вижте телевизията: Започнахме с катодно-лъчеви тръби, след това преминахме към плазмените телевизори със светодиоди, а сега и към микросветкавиците. Преминахме през няколко различни технологии и архитектури. Когато търсите пътя, много пътища не свършват никъде, но има някои, към които се връщате като към най-обещаващи. Не сме в края на пътя и не можем да се справим сами, но силициевият карбид е чудесен материал, който си заслужава инвестицията."

"Светът вече е буден", добавя Силвърстайн. "Успешно показахме, че силициевият карбид може да се използва в електрониката и фотониката. Това е материал, който може да има бъдещи приложения в квантовите изчисления. И виждаме признаци, че е възможно значително да се намали цената. Предстои ни още много работа, но потенциалът ни е огромен."

Научете повече за силициевия карбид в Photonics Spectra.

За повече информация за Orion разгледайте тези публикации в блога: