0:00 / 0:00
Još 2019. godine, Orion Tim je pripremio važnu demonstraciju za osnivača i izvršnog direktora Mete, Marka Zuckerberga, predstavljajući potencijalne valovode za naočale proširene stvarnosti—prekretni trenutak kada su teorijski izračuni na papiru oživjeli. I bila je to demonstracija koja je sve promijenila.
„Noseći naočale sa staklenim valovodima i više ploča, osjećali ste se kao da ste u diskoteci“, prisjeća se optički znanstvenik Pasqual Rivera. „Duge su bile posvuda i to je bilo toliko ometajuće - niste čak ni gledali AR sadržaj. Zatim biste stavili naočale s…“ silicijev karbid valovode, i bilo je kao da ste u simfoniji i slušate tihi, klasični komad. Zapravo ste mogli posvetiti pozornost potpunom doživljaju onoga što smo gradili. To je bila potpuna promjena pravila igre.”
Pa ipak, koliko god jasan (namjerna igra riječi) bio izbor silicijevog karbida kao supstrata danas, kada smo prvi put krenuli put do AR naočala prije deset godina, bilo je sve samo ne to.
„Silicijev karbid je obično jako dopiran dušikom“, kaže Rivera. „Zelene je boje, a ako postane dovoljno gust, izgleda crno. Nema šanse da se od njega napravi optička leća. To je elektronički materijal. Postoji razlog zašto je te boje, a to je zbog elektroničkih svojstava.“
„Silicijev karbid postoji kao materijal već dugo vremena“, slaže se Giuseppe Calafiore, tehnički voditelj AR Waveguidesa. „Njegova glavna primjena je elektronika velike snage. Uzmimo za primjer električna vozila: sva električna vozila zahtijevaju čip - ali taj čip također mora biti sposoban za vrlo veliku snagu, pomicanje kotača i upravljanje ovom stvari. Ispada da to ne možete učiniti s običnom silicijskom podlogom, koja je ono što čini čipove koje koristimo u našim računalima i elektronici. Potrebna vam je platforma koja vam omogućuje prolazak kroz velike struje, veliku snagu, a taj materijal je silicijev karbid.“
Sve do relativno nedavnih rasprava o obnovljivim izvorima energije, tržište za ove visokosnažne čipove nije bilo ni blizu veličine tržišta za čipove za potrošačku elektroniku. Silicijev karbid oduvijek je bio skup i nije bilo puno poticaja za smanjenje troškova jer je, za veličinu čipa koji se proizvodi za automobil, cijena podloge bila podnošljiva.
„No ispada da silicijev karbid također ima neka svojstva koja su nam potrebna za valovode i optiku“, kaže Calafiore. „Indeks loma ključno je svojstvo koje nas zanima. A silicijev karbid ima visoki indeks loma, što znači da je sposoban kanalizirati i odašiljati veliku količinu optičkih podataka. Možete to smatrati optičkom propusnošću - baš kao što imate propusnost za internet i želite da bude dovoljno velika da možete slati ogromne količine podataka putem tog kanala. Isto vrijedi i za optičke uređaje.“
Što je indeks loma materijala veći, to je njegov produžetak, tako da možete poslati više optičkih podataka putem tog kanala.
„Kanal je u našem slučaju naš valovod, a veći étendue znači veće vidno polje“, objašnjava Calafiore. „Što je veći indeks loma materijala, to je veće vidno polje koje zaslon može podržati.“
Put do pravog indeksa loma
Kada se Calafiore prvi put pridružio tadašnjem Oculus Researchu 2016. godine, staklo s najvišim indeksom loma koje je tim imao na raspolaganju bilo je 1,8 - što je zahtijevalo slaganje više ploča kako bi se postiglo željeno vidno polje. Osim neželjenih optičkih artefakata, proizvodna traka postajala je sve kompliciranija jer su prva dva valovoda morala biti savršeno poravnata, a zatim taj snop morao biti savršeno poravnat s trećim valovodom.
„Ne samo da je bilo skupo, već je odmah bilo očito da se u naočalama ne mogu imati tri komada stakla po leći“, prisjeća se Calafiore. „Bile su preteške, a debljina pretjerano velika i ružna - nitko ih nije htio kupiti. Stoga smo se vratili na početak: pokušali smo povećati indeks loma podloge kako bismo smanjili broj potrebnih ploča.“
Prvi materijal koji je tim proučavao bio je litijev niobat, koji ima indeks loma od otprilike 2,3 - što je znatno više od stakla s 1,8.
„Shvatili smo da moramo složiti samo dvije ploče i da bismo možda čak mogli uspjeti s jednom pločom da i dalje pokrijemo vidno polje“, kaže Calafiore. „Gotovo paralelno, počeli smo istraživati i druge materijale - tako smo zajedno s našim dobavljačima 2019. godine shvatili da je silicijev karbid, u svom najčišćem obliku, zapravo vrlo proziran. Također ima najveći indeks loma poznat za optičku primjenu, koji iznosi 2,7.“
To je povećanje od 17,41 TP3T u odnosu na litijev niobat i porast od 501 TP3T u odnosu na staklo, za one koji vode računa kod kuće.
„Uz nekoliko modifikacija iste opreme koja se već koristila u industriji, bilo je moguće dobiti prozirni silicijev karbid“, kaže Calafiore. „Mogli ste jednostavno promijeniti proces, biti puno pažljiviji i umjesto optimizacije elektroničkih svojstava, optimizirati optička svojstva: prozirnost, ujednačenost indeksa loma itd.“
Potencijalni trošak kompromisa
U to vrijeme, tim Reality Labsa bio je prvi koji je uopće pokušao prijeći s neprozirnih na prozirne pločice silicij-karbida. A budući da je silicij-karbid jedan od najtvrđih poznatih materijala, za rezanje ili poliranje u biti je potrebna dijamantna obrada. Kao rezultat toga, jednokratni inženjerski troškovi bili su vrlo visoki, pa je rezultirajuća podloga bila prilično skupa.
Iako postoje isplativije alternative, kao i kod svake tehnologije, svaka od njih ima svoje nedostatke. Kako se vidno polje povećava prema Orionovom vodećem vidnom polju u industriji od približno 70 stupnjeva, pojavljuju se novi problemi poput slika duhova i duga.
„Pronalaženje optimalnog rješenja za AR zaslon sa širokim vidnim poljem prepuno je kompromisa između performansi i troškova“, objašnjava direktor istraživačke znanosti Barry Silverstein. „Troškovi se često mogu smanjiti, ali ako ih performanse ne smanje, troškovi u konačnici neće biti važni.“
Slike duhova su poput vizualnih odjeka primarne slike koja se projicira na zaslon. Duge su šarene pruge svjetlosti koje nastaju kada se ambijentalna svjetlost reflektira od valovoda. „Recimo da vozite noću s pokretnim svjetlima automobila oko vas“, kaže Silverstein. „Imat ćete i duge koje se pomiču. Ili ako ste na plaži i igrate odbojku, a sunce sja, dobit ćete duginu prugu koja se pomiče s vama i promašit ćete svoj udarac. A jedno od čudesnih svojstava silicijevog karbida je da uklanja te duge.“
„Druga prednost silicijevog karbida koju nijedan drugi materijal nema je toplinska vodljivost“, dodaje Calafiore. „Plastika je užasan izolator. Staklo, litijev niobat, ista stvar. Uzmete silicijev karbid i on je proziran, izgleda kao staklo i pogodite što: provodi toplinu.“
Stoga je u srpnju 2020. tim utvrdio da je silicijev karbid optimalan izbor iz tri glavna razloga: doveo je do poboljšanog faktora oblika jer je zahtijevao samo jednu ploču i manje montažne strukture, imao je bolja optička svojstva i bio je lakši od dvostrukog stakla.
Tajna kosog jetkanja
Imajući materijal na umu, sljedeći izazov bio je izrada valovoda - i to nekonvencionalna tehnika rešetke nazvana koso jetkanje.
„Rešetka je nanostruktura koja spaja i odvaja svjetlost iz leće“, objašnjava Calafiore. „A da bi silicijev karbid funkcionirao, rešetka mora biti koso nagrizena. Umjesto da bude okomita, želite da linije rešetke budu dijagonalno nagnute.“
„Bili smo prvi koji su izravno na uređajima izvodili koso jetkanje“, kaže voditeljica istraživanja Nihar Mohanty. „Cijela se industrija prije oslanjala na nano otisak, koji ne funkcionira za podloge s tako visokim indeksom loma. Zato nitko drugi na svijetu nije razmišljao o radu sa silicijevim karbidom.“
No, budući da je koso jetkanje nezrela tehnologija, većini dobavljača i tvornica poluvodičkih čipova nedostaju potrebni alati.
„Davne 2019. godine, moj tadašnji menadžer, Matt Colburn, i ja osnovali smo vlastiti pogon jer nije postojalo ništa na svijetu što bi moglo proizvoditi valovode od jetkanog silicijevog karbida i gdje bismo mogli isprobati tehnologiju izvan laboratorijskih razmjera“, objašnjava Mohanty. „Bila je to ogromna investicija i tamo smo uspostavili cijeli proces. Alat su nam po mjeri izradili naši partneri, a proces je razvijen interno u Meti, iako su naši sustavi istraživačke kvalitete jer nije bilo sustava proizvodne kvalitete. Surađivali smo s proizvodnim partnerom kako bismo razvili alate i procese za koso jetkanje proizvodne kvalitete. A sada kada smo pokazali što je moguće sa silicijevim karbidom, želimo da i drugi u industriji počnu izrađivati vlastite alate.“
Što više tvrtki ulaže u optički silicijev karbid i razvija opremu, to će jača postati kategorija AR naočala za potrošače.
Više ne jurim duge
Dok tehnološka neizbježnost je mit, zvijezde se svakako čini da se poravnavaju u korist silicijevog karbida. I premda tim nastavlja istraživati alternative, postoji snažan osjećaj da su se pravi ljudi okupili u pravo vrijeme pod pravim tržišnim uvjetima kako bi izgradili AR naočale koristeći ovaj materijal.
„Orion je dokazao da je silicijev karbid održiva opcija za AR naočale“, kaže Silverstein, „i sada vidimo interes u cijelom lancu opskrbe na tri različita kontinenta gdje to intenzivno koriste kao priliku. Silicijev karbid će se istaknuti. Po mom mišljenju, to je samo pitanje vremena.“
I mnogo se toga može dogoditi u tom vremenu - slično kao što se situacija okrenula otkako smo uzgojili naše prve kristale prozirnog silicijevog karbida.
„Svi ovi proizvođači silicijevog karbida znatno su povećali ponudu kao odgovor na očekivani procvat električnih vozila“, napominje Calafiore. „Trenutno postoji prekapacitet koji nije postojao kada smo gradili Orion. Dakle, sada, budući da je ponuda velika, a potražnja niska, cijena podloge počela je padati.“
„Dobavljači su vrlo uzbuđeni novom prilikom proizvodnje silicijevog karbida optičke kvalitete - uostalom, svaka leća valovoda predstavlja veliku količinu materijala u odnosu na elektronički čip, a sve njihove postojeće mogućnosti primjenjuju se na ovaj novi prostor“, dodaje Silverstein. „Popunjavanje vaše tvornice je ključno, a skaliranje vaše tvornice je san. Veličina pločice je također važna: što je pločica veća, to je niži trošak - ali složenost procesa također raste. Uz to, vidjeli smo dobavljače kako prelaze s pločica od četiri inča na osam inča, a neki rade na prekursorima pločica od 12 inča, što bi dalo eksponencijalno više parova AR naočala.“
Ovi napredci trebali bi pomoći u daljnjem smanjenju troškova. Još je rano, ali budućnost se nazira.
„Na početku svake nove tehnološke revolucije isprobavate hrpu stvari“, kaže Calafiore. „Pogledajte televiziju: Počeli smo s katodnim cijevima, zatim smo prešli na LED plazma televizore, a sada na mikroLED. Prošli smo kroz nekoliko različitih tehnologija i arhitektura. Dok tražite put, mnogi putevi ne završavaju nigdje, ali postoje neki na koje se jednostavno stalno vraćate kao na najperspektivnije. Nismo na kraju puta i ne možemo to učiniti sami, ali silicijev karbid je čudesan materijal u koji se isplati uložiti.“
„Svijet se sada probudio“, dodaje Silverstein. „Uspješno smo pokazali da se silicijev karbid može primjenjivati u elektronici i fotonici. To je materijal koji bi mogao imati buduću primjenu u kvantnom računarstvu. I vidimo znakove da je moguće značajno smanjiti troškove. Puno je toga još za napraviti, ali potencijalna prednost ovdje je ogroman.“
Saznajte više o silicijevom karbidu u Fotonski spektri.
Za više informacija o Orionu, pogledajte ove objave na blogu:
