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De retour en 2019, la Orion a préparé une démonstration importante pour le fondateur et PDG de Meta, Mark Zuckerberg, en présentant des guides d'ondes potentiels pour les produits de l lunettes de réalité augmentée-un moment charnière où les calculs théoriques sur papier ont pris vie. Cette démonstration a tout changé.
"En portant les lunettes dotées de guides d'ondes en verre et de plaques multiples, on avait l'impression d'être dans une discothèque", se souvient Pasqual Rivera, chercheur en optique. "Il y avait des arcs-en-ciel partout, et c'était tellement distrayant que vous ne regardiez même pas le contenu AR. Ensuite, vous avez mis les lunettes avec carbure de silicium et c'était comme si vous étiez à la symphonie en train d'écouter un morceau classique et calme. Vous pouviez réellement prêter attention à l'expérience complète de ce que nous étions en train de construire. Cela a totalement changé la donne.
Pourtant, même si le choix du carbure de silicium comme substrat semble aujourd'hui évident (jeu de mots), lorsque nous avons commencé à suivre la voie de l'innovation, nous n'avons pas pu nous empêcher d'utiliser le carbure de silicium comme substrat. La route vers les lunettes AR il y a dix ansmais ce n'était pas du tout le cas.
"Le carbure de silicium est normalement fortement dopé à l'azote", explique M. Rivera. "Il est vert et, s'il devient suffisamment épais, il devient noir. Il est impossible d'en faire une lentille optique. C'est un matériau électronique. Il y a une raison pour laquelle il a cette couleur, et c'est à cause des propriétés électroniques."
"Le carbure de silicium est un matériau qui existe depuis longtemps", reconnaît Giuseppe Calafiore, responsable technique d'AR Waveguides. "Sa principale application est l'électronique de haute puissance. Prenons l'exemple des véhicules électriques : Tous les véhicules électriques ont besoin d'une puce, mais cette puce doit également être capable de fournir une puissance très élevée, de faire bouger les roues et de faire fonctionner l'engin. Il s'avère que l'on ne peut pas le faire avec un substrat de silicium ordinaire, qui sert à fabriquer les puces que nous utilisons dans nos ordinateurs et nos appareils électroniques. Il faut une plate-forme qui permette de passer par des courants et des puissances élevés, et ce matériau, c'est le carbure de silicium.
Jusqu'à ce que les discussions sur les sources d'énergie renouvelables commencent à s'intensifier, le marché de ces puces à haute puissance était loin d'atteindre la taille du marché des puces pour l'électronique grand public. Le carbure de silicium a toujours été cher, et il n'y avait pas beaucoup d'incitation à réduire les coûts parce que, pour la taille de puce que l'on fabrique pour une voiture, le prix du substrat était tolérable.
"Mais il s'avère que le carbure de silicium possède également certaines des propriétés dont nous avons besoin pour les guides d'ondes et l'optique", explique M. Calafiore. "L'indice de réfraction est la propriété clé qui nous intéresse. Le carbure de silicium a un indice de réfraction élevé, ce qui signifie qu'il est capable de canaliser et d'émettre une grande quantité de données optiques. On peut considérer qu'il s'agit d'une bande passante optique - tout comme vous avez une bande passante pour l'internet, et vous voulez qu'elle soit suffisamment grande pour que vous puissiez envoyer d'énormes quantités de données à travers ce canal. Il en va de même pour les dispositifs optiques.
Plus l'indice de réfraction d'un matériau est élevé, plus son indice de réfraction est élevé. étendueafin de pouvoir envoyer davantage de données optiques par ce canal.
"Dans notre cas, le canal est notre guide d'ondes, et une étendue plus grande se traduit par un champ de vision plus large", explique M. Calafiore. "Plus l'indice de réfraction d'un matériau est élevé, plus le champ de vision de l'écran est grand.
Le chemin vers le bon indice de réfraction
Lorsque Calafiore a rejoint ce qui était alors Oculus Research en 2016, le verre à l'indice de réfraction le plus élevé dont disposait l'équipe était de 1,8 - ce qui nécessitait d'empiler plusieurs plaques pour obtenir le champ de vision souhaité. Outre les artefacts optiques indésirables, la chaîne de montage devenait de plus en plus compliquée, car les deux premiers guides d'ondes devaient être parfaitement alignés, puis cette pile devait être parfaitement alignée avec un troisième guide d'ondes.
"Non seulement c'était cher, mais il a tout de suite été évident qu'on ne pouvait pas avoir trois morceaux de verre par lentille dans une paire de lunettes", se souvient M. Calafiore. "Elles étaient trop lourdes, et l'épaisseur était prohibitive et laide - personne ne les achèterait. Nous sommes donc revenus à la case départ : essayer d'augmenter l'indice de réfraction du substrat pour réduire le nombre de plaques nécessaires".
La première matière que l'équipe a examinée était niobate de lithiumqui a un indice de réfraction d'environ 2,3, un peu plus élevé que celui du verre (1,8).
"Nous avons réalisé qu'il suffisait d'empiler deux plaques et que nous pouvions peut-être même nous contenter d'une seule plaque pour couvrir le champ de vision", explique M. Calafiore. "C'est ainsi que nous avons découvert, avec nos fournisseurs en 2019, que le carbure de silicium, dans sa forme la plus pure, est en fait très transparent. Il se trouve également qu'il possède l'indice de réfraction le plus élevé connu pour une application optique, à savoir 2,7."
Cela représente une augmentation de 17,4% par rapport au niobate de lithium et de 50% par rapport au verre, pour ceux qui comptent les points à la maison.
"En apportant quelques modifications à l'équipement déjà utilisé dans l'industrie, il était possible d'obtenir du carbure de silicium transparent", explique M. Calafiore. "Il suffisait de modifier le processus, d'être beaucoup plus prudent et, au lieu d'optimiser les propriétés électroniques, d'optimiser les propriétés optiques : transparence, uniformité de l'indice de réfraction, etc.
Le coût potentiel du compromis
À l'époque, l'équipe de Reality Labs était la première à tenter de passer de plaquettes de carbure de silicium opaques à des plaquettes transparentes. Et comme le carbure de silicium est l'un des matériaux connus les plus durs, il faut essentiellement un outillage en diamant pour le couper ou le polir. Par conséquent, les coûts d'ingénierie non récurrents étaient très élevés, et le substrat obtenu était donc très coûteux.
Bien qu'il existe des solutions plus rentables, comme pour toute technologie, elles présentent toutes des inconvénients. Et au fur et à mesure que le champ de vision augmente pour atteindre le champ de vision d'Orion d'environ 70 degrés, de nouveaux problèmes apparaissent, comme les images fantômes et les arcs-en-ciel.
"Trouver la solution optimale pour un écran AR à large champ de vision est une tâche ardue qui nécessite des compromis entre les performances et les coûts", explique Barry Silverstein, directeur de la recherche scientifique. "Il est souvent possible de réduire les coûts, mais si les performances ne sont pas au rendez-vous, les coûts n'auront finalement pas d'importance.
Les images fantômes sont comme des échos visuels de l'image principale projetée sur l'écran. Les arcs-en-ciel sont des traînées de lumière colorées créées lorsque la lumière ambiante se reflète sur le guide d'ondes. "Supposons que vous conduisiez la nuit avec des phares de voiture en mouvement autour de vous", explique Silverstein. "Vous aurez également des arcs-en-ciel en mouvement. Ou si vous jouez au volley-ball sur la plage et que le soleil brille, vous aurez un arc-en-ciel qui se déplacera avec vous et vous manquerez votre coup. L'une des propriétés miraculeuses du carbure de silicium est qu'il élimine ces arcs-en-ciel".
"L'autre avantage du carbure de silicium, qu'aucun des autres matériaux ne possède, est la conductivité thermique", ajoute M. Calafiore. "Le plastique est un très mauvais isolant. Le verre, le niobate de lithium, c'est la même chose. Le carbure de silicium est transparent, il ressemble au verre, et devinez quoi : il conduit la chaleur.
En juillet 2020, l'équipe a donc déterminé que le carbure de silicium était le meilleur choix pour trois raisons principales : Il a permis d'améliorer le facteur de forme en ne nécessitant qu'une seule plaque et des structures de montage plus petites, il présente de meilleures propriétés optiques et il est plus léger que le verre à double plaque.
Le secret de la gravure oblique
Une fois le matériau en tête, il fallait passer à la fabrication des guides d'ondes, et plus précisément à une technique de réseau non conventionnelle appelée "slant etch" (gravure en biais).
"Le réseau est la nanostructure qui couple et découple la lumière de la lentille", explique M. Calafiore. "Pour que le carbure de silicium fonctionne, le réseau doit être gravé en biais. Au lieu d'être verticales, les lignes du réseau doivent être inclinées en diagonale".
"Nous avons été les premiers à effectuer une gravure en biais directement sur les appareils", explique Nihar Mohanty, directeur de recherche. "Toute l'industrie s'appuyait sur la nano-impression, qui ne fonctionne pas pour les substrats ayant un indice de réfraction aussi élevé. C'est pourquoi personne d'autre au monde n'avait pensé à faire du carbure de silicium".
Mais comme la gravure en creux est une technologie immature, la plupart des fournisseurs de puces semi-conductrices et des usines ne disposent pas des outils nécessaires.
"En 2019, mon directeur de l'époque, Matt Colburn, et moi-même avons créé notre propre installation, car il n'y avait rien au monde qui puisse produire des guides d'ondes en carbure de silicium gravés et où nous pourrions tester la technologie au-delà de l'échelle du laboratoire", explique M. Mohanty. "L'investissement a été énorme et nous avons mis en place toute la chaîne de production sur place. L'outillage a été fabriqué sur mesure par nos partenaires, et le processus a été développé en interne à Meta, bien que nos systèmes soient de qualité recherche parce qu'il n'existait pas de systèmes de qualité industrielle. Nous avons travaillé avec un partenaire industriel pour développer un outillage et des processus de gravure oblique de qualité industrielle. Maintenant que nous avons montré ce qu'il est possible de faire avec le carbure de silicium, nous voulons que d'autres acteurs de l'industrie commencent à fabriquer leurs propres outils.
Plus les entreprises investiront dans le carbure de silicium de qualité optique et développeront des équipements, plus la catégorie des lunettes AR grand public se renforcera.
Ne plus courir après les arcs-en-ciel
Tandis que l'inéluctabilité technologique est un mytheLes étoiles semblent certainement s'aligner en faveur du carbure de silicium. Bien que l'équipe continue d'étudier d'autres solutions, on a le sentiment que les bonnes personnes se sont réunies au bon moment et dans les bonnes conditions de marché pour fabriquer des lunettes de réalité augmentée à partir de ce matériau.
"Orion a prouvé que le carbure de silicium est une option viable pour les lunettes AR", déclare M. Silverstein, "et nous constatons aujourd'hui un intérêt de la part de la chaîne d'approvisionnement sur trois continents différents, qui s'intéressent de près à cette opportunité. Le carbure de silicium finira par s'imposer. Selon moi, ce n'est qu'une question de temps.
Et beaucoup de choses peuvent se produire dans ce laps de temps, à l'image de la façon dont les choses ont évolué depuis que nous avons produit nos premiers cristaux clairs de carbure de silicium.
"Tous ces fabricants de carbure de silicium avaient augmenté massivement l'offre en réponse au boom attendu des véhicules électriques", note M. Calafiore. "Aujourd'hui, il y a une surcapacité qui n'existait pas lorsque nous construisions Orion. Aujourd'hui, l'offre étant élevée et la demande faible, le coût du substrat a commencé à baisser".
"Les fournisseurs sont très enthousiastes à l'idée de fabriquer du carbure de silicium de qualité optique - après tout, chaque lentille de guide d'ondes représente une grande quantité de matériau par rapport à une puce électronique, et toutes leurs capacités existantes s'appliquent à ce nouvel espace", ajoute M. Silverstein. "Il est essentiel de remplir l'usine, et le rêve est de la faire évoluer. La taille de la plaquette a également son importance : Plus la plaquette est grande, plus le coût est bas, mais la complexité du processus augmente également. Cela dit, nous avons vu des fournisseurs passer de plaquettes de 4 à 8 pouces, et certains travaillent sur des précurseurs de plaquettes de 12 pouces, qui permettraient d'obtenir un nombre exponentiel de paires de lunettes AR."
Ces progrès devraient permettre de continuer à réduire les coûts. Il est encore tôt, mais l'avenir se dessine.
"Au début de toute nouvelle révolution technologique, on essaie un tas de choses", explique M. Calafiore. "Prenons l'exemple de la télévision : Nous avons commencé avec les tubes cathodiques, puis nous sommes passés aux téléviseurs plasma à LED et maintenant aux microLED. Nous sommes passés par plusieurs technologies et architectures différentes. Lorsque l'on cherche un chemin, il y en a beaucoup qui n'aboutissent à rien, mais il y en a certains auxquels on revient sans cesse parce qu'ils sont les plus prometteurs. Nous ne sommes pas au bout du chemin, et nous ne pouvons pas y arriver seuls, mais le carbure de silicium est un matériau merveilleux qui vaut bien l'investissement".
"Le monde est maintenant éveillé", ajoute M. Silverstein. "Nous avons réussi à démontrer que le carbure de silicium peut s'adapter à l'électronique et à la photonique. C'est un matériau qui pourrait avoir des applications futures dans l'informatique quantique. Et nous voyons des signes indiquant qu'il est possible de réduire le coût de manière significative. Il reste encore beaucoup de travail à faire, mais le potentiel de croissance est énorme.
En savoir plus sur le carbure de silicium Photonics Spectra.
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