0:00 / 0:00
2019 m. Orion komanda "Meta" įkūrėjui ir generaliniam direktoriui Markui Zuckerbergui parengė svarbią demonstraciją, kurioje pristatė galimus bangolaidžius, skirtus papildytosios realybės akiniai-tai buvo esminis momentas, kai teoriniai skaičiavimai popieriuje tapo realybe. Tai buvo viską pakeitusi demonstracija.
"Dėvint akinius su stiklo bangolaidžiais ir keliomis plokštelėmis jausmas buvo tarsi diskotekoje", - prisimena optikos mokslininkas Pasqualas Rivera. "Visur matėsi vaivorykštės, ir tai blaškė dėmesį - net nežiūrėjote į AR turinį. Tada užsidėjote akinius su silicio karbidas bangolaidžius, ir jausmas buvo toks, tarsi būtumėte simfonijoje ir klausytumėtės ramaus klasikinio kūrinio. Iš tikrųjų galėjai atkreipti dėmesį į tai, ką kūrėme. Tai visiškai pakeitė žaidimą."
Tačiau, kad ir koks aiškus (kalambūras) šiandien atrodo silicio karbido, kaip substrato, pasirinkimas, kai pirmą kartą pradėjome eiti šiuo keliu. kelias į AR akinius prieš dešimtmetį, tai buvo ne kas kita.
"Silicio karbidas paprastai būna stipriai legiruotas azotu, - sako Rivera. "Jis yra žalias, o jei pakankamai storas, atrodo juodas. Iš jo niekaip negalima pagaminti optinio lęšio. Tai elektroninė medžiaga. Ne veltui ji yra tokios spalvos, ir tai lemia elektroninės savybės."
"Silicio karbidas kaip medžiaga naudojamas jau seniai, - pritaria "AR Waveguides" technikos vadovas Giuseppe Calafiore. "Pagrindinė jo paskirtis - didelės galios elektronika. Pavyzdžiui, elektrinės transporto priemonės: Visoms elektromobiliams reikia lusto, bet tas lustas taip pat turi būti labai didelės galios, judinti ratus ir vairuoti šį daiktą. Pasirodo, to neįmanoma padaryti naudojant įprastą silicio substratą, iš kurio gaminamos mikroschemos, kurias naudojame savo kompiuteriuose ir elektronikoje. Reikia platformos, kuri leistų praleisti dideles sroves, didelę galią, ir ta medžiaga yra silicio karbidas."
Kol pastaruoju metu nepradėta aktyviai diskutuoti apie atsinaujinančiuosius energijos šaltinius, šių didelės galios mikroschemų rinkinių rinka nė iš tolo neprilygo buitinės elektronikos mikroschemų rinkai. Silicio karbidas visada buvo brangus, ir nebuvo daug paskatų mažinti sąnaudas, nes tokio dydžio mikroschemų, kokios gaminamos automobiliams, substrato kaina buvo priimtina.
"Tačiau paaiškėjo, kad silicio karbidas taip pat pasižymi kai kuriomis savybėmis, reikalingomis bangolaidžiams ir optikai", - sako Calafiore'as. "Pagrindinė mums svarbi savybė yra lūžio rodiklis. O silicio karbidas turi didelį lūžio rodiklį, o tai reiškia, kad jis gali nukreipti ir perduoti didelį kiekį optinių duomenų. Galima tai laikyti optiniu dažnių juostos pločiu - panašiai kaip interneto dažnių juostos plotis, ir jūs norite, kad jis būtų pakankamai didelis, kad tuo kanalu galėtumėte siųsti didžiulius duomenų kiekius. Tas pats pasakytina ir apie optinius prietaisus."
Kuo didesnis medžiagos lūžio rodiklis, tuo didesnė jos étendue, todėl tuo kanalu galima siųsti daugiau optinių duomenų.
"Mūsų atveju kanalas yra mūsų bangolaidis, o didesnis etendue reiškia didesnį matymo lauką", - aiškina Calafiore'as. "Kuo didesnis medžiagos lūžio rodiklis, tuo didesnį matymo lauką ekranas gali išlaikyti."
Kelias į tinkamą lūžio rodiklį
Kai 2016 m. Calafiore'as pirmą kartą prisijungė prie tuometinių "Oculus Research" tyrimų, didžiausias komandos turimas lūžio rodiklis buvo 1,8 - tam, kad būtų pasiektas norimas regėjimo laukas, reikėjo sudėti kelias plokšteles. Be nepageidaujamų optinių artefaktų, surinkimo linija darėsi vis sudėtingesnė, nes pirmieji du bangolaidžiai turėjo būti tobulai suderinti, o paskui šis krūvis turėjo būti tobulai suderintas su trečiuoju bangolaidžiu.
"Tai buvo ne tik brangu, bet ir iš karto buvo aišku, kad akinių poroje negalima naudoti trijų stiklo gabalėlių vienam lęšiui", - prisimena Calafiore'as. "Jie buvo per sunkūs, o jų storis buvo pernelyg didelis ir negražus - niekas nebūtų jų pirkęs. Taigi grįžome į pradinį etapą: bandėme padidinti pagrindo lūžio rodiklį, kad sumažintume reikalingų plokštelių skaičių."
Pirmoji medžiaga, kurią komanda išnagrinėjo, buvo ličio niobatas, kurio lūžio rodiklis yra maždaug 2,3, t. y. šiek tiek didesnis nei stiklo, kurio lūžio rodiklis yra 1,8.
"Supratome, kad mums užtenka sudėti dvi plokštes, o galbūt galėtume išsiversti ir su viena plokštele, kad vis tiek padengtume regėjimo lauką", - sako Calafiore'as. "Beveik lygiagrečiai pradėjome ieškoti kitų medžiagų - taip 2019 m. kartu su tiekėjais išsiaiškinome, kad gryniausia silicio karbido forma iš tikrųjų yra labai skaidri. Be to, jis turi didžiausią žinomą lūžio rodiklį optiniam naudojimui - 2,7."
Tai 17,4% daugiau nei ličio niobato ir 50% daugiau nei stiklo, jei skaičiuojate namuose.
"Keletą kartų pakeitus tą pačią pramonėje jau naudojamą įrangą, pavyko gauti skaidrų silicio karbidą", - sako Calafiore'as. "Galima tiesiog pakeisti procesą, būti daug atsargesniems ir, užuot optimizavus elektronines savybes, optimizuoti optines savybes: skaidrumą, lūžio rodiklio vienodumą ir pan."
Galimos kompromisų sąnaudos
Tuo metu "Reality Labs" komanda buvo pirmoji, kuri net bandė pereiti nuo neskaidrių silicio karbido plokštelių prie skaidrių. Kadangi silicio karbidas yra viena iš kiečiausių žinomų medžiagų, jam pjaustyti ar poliruoti iš esmės reikia deimantinių įrankių. Dėl to vienkartinės inžinerinės išlaidos buvo labai didelės, todėl gautas substratas buvo gana brangus.
Nors esama ekonomiškesnių alternatyvų, kaip ir bet kurios kitos technologijos atveju, kiekviena iš jų turi kompromisų. O didėjant matymo laukui, kai "Orion" matymo laukas tampa geriausiu pramonėje - maždaug 70 laipsnių, atsiranda naujų problemų, pavyzdžiui, vaiduokliški vaizdai ir vaivorykštės.
"Ieškant optimalaus plataus matymo lauko AR ekrano sprendimo, tenka ieškoti kompromisų tarp našumo ir sąnaudų", - aiškina mokslinių tyrimų direktorius Barry Silversteinas. "Išlaidas dažnai galima sumažinti, bet jei našumas nesumažės, išlaidos galiausiai nebus svarbios."
Vaiduokliški vaizdai yra tarsi pagrindinio vaizdo, projektuojamo į ekraną, regimieji aidai. Vaivorykštės - tai spalvingi šviesos ruožai, atsirandantys aplinkos šviesai atsispindint nuo bangolaidžio. "Sakykime, kad važiuojate naktį ir aplink jus juda automobilių šviesos, - sako Silveršteinas. "Jums taip pat judės vaivorykštės. Arba jei žaidžiate tinklinį paplūdimyje ir šviečia saulė, gausite vaivorykštės ruožą, kuris judės kartu su jumis, ir jūs praleisite šūvį. O viena iš stebuklingų silicio karbido savybių yra ta, kad jis atsikrato tų vaivorykščių."
"Kitas silicio karbido privalumas, kurio neturi nė viena kita medžiaga, yra šilumos laidumas", - priduria Calafiore'as. "Plastikas yra siaubingas izoliatorius. Stiklas, ličio niobatas - tas pats. Silicio karbidas yra skaidrus, atrodo kaip stiklas, ir spėkite ką: jis praleidžia šilumą."
Taigi 2020 m. liepą komanda nusprendė, kad silicio karbidas yra optimalus pasirinkimas dėl trijų pagrindinių priežasčių: Jis leido pagerinti formos faktorių, nes reikėjo tik vienos plokštelės ir mažesnių tvirtinimo konstrukcijų, pasižymėjo geresnėmis optinėmis savybėmis ir buvo lengvesnis už dviejų plokštelių stiklą.
Šlaitinio ėsdinimo paslaptis
Pasirinkus medžiagą, kitas riešutas buvo bangolaidžių gamyba, o konkrečiai - netradicinis grotelių metodas, vadinamas įstrižuoju ėsdinimu.
"Tinklelis yra nanostruktūra, kuri įjungia ir išjungia šviesą iš lęšio", - aiškina Calafiore'as. "Kad silicio karbidas veiktų, grotelės turi būti įstrižai ėsdinamos. Reikia, kad grotelių linijos būtų ne vertikalios, o įstrižos."
"Buvome pirmieji, atlikę įstrižą ėsdinimą tiesiai ant prietaisų", - sako tyrimų vadovas Niharas Mohanty. "Visa pramonė naudojo nanoatspaudus, kurie netinka substratams su tokiu dideliu lūžio rodikliu. Štai kodėl niekas kitas pasaulyje nesugalvojo atlikti silicio karbido."
Tačiau, kadangi įstrižas ėsdinimas yra neišplėtota technologija, dauguma puslaidininkinių lustų tiekėjų ir gamyklų neturi reikiamų įrankių.
"2019 m. kartu su tuometiniu vadovu Mattu Colburnu įkūrėme nuosavą gamyklą, nes pasaulyje nebuvo nieko, kas galėtų gaminti ėsdintus silicio karbido bangolaidžius ir kur galėtume išbandyti technologiją ne tik laboratoriniu mastu", - aiškina Mohanty. "Tai buvo didžiulė investicija, ir mes ten sukūrėme visą vamzdyną. Įrankius mums pagal užsakymą pagamino mūsų partneriai, o procesas buvo sukurtas pačioje įmonėje "Meta", nors mūsų sistemos yra mokslinių tyrimų klasės, nes nebuvo jokių gamybai tinkamų sistemų. Bendradarbiavome su gamybos partneriu, kad sukurtume gamybai tinkamus įstrižojo ėsdinimo įrankius ir procesus. Dabar, kai parodėme, kas įmanoma naudojant silicio karbidą, norime, kad ir kiti pramonės atstovai pradėtų gaminti savo įrankius."
Kuo daugiau įmonių investuos į optinio silicio karbido kokybę ir kurs įrangą, tuo stipresnė bus AR akinių kategorija.
Daugiau nebeieškoti vaivorykštės
Nors technologinė neišvengiamybė yra mitas, žvaigždės tikrai atrodo išsidėsčiusios silicio karbido naudai. Ir nors komanda ir toliau tiria alternatyvas, vis dėlto susidaro įspūdis, kad tinkamu laiku ir tinkamomis rinkos sąlygomis susibūrė tinkami žmonės, kad AR akiniai būtų sukurti naudojant šią medžiagą.
"Orion" įrodė, kad silicio karbidas yra perspektyvus AR akinių variantas, - sako Silversteinas, - ir dabar matome, kad tiekėjų grandinė trijuose skirtinguose žemynuose aktyviai domisi šia galimybe. Silicio karbidas bus geriausias. Mano nuomone, tai tik laiko klausimas."
Per tą laiką gali daug kas nutikti - panašiai kaip nuo tada, kai užauginome pirmuosius skaidraus silicio karbido kristalus.
"Visi šie silicio karbido gamintojai, reaguodami į laukiamą elektromobilių bumą, smarkiai padidino pasiūlą", - pažymi Calafiore. "Dabar yra pertekliniai pajėgumai, kurių nebuvo, kai kūrėme "Orion". Kadangi pasiūla didelė, o paklausa maža, substrato kaina pradėjo mažėti."
"Tiekėjai labai džiaugiasi nauja galimybe gaminti optinės kokybės silicio karbidą - juk kiekvienas bangolaidžio lęšis, palyginti su elektroniniu lustu, yra didelis medžiagos kiekis, o visi jų turimi pajėgumai tinka šiai naujai sričiai", - priduria Silveršteinas. "Labai svarbu užpildyti gamyklą, o svajonė - padidinti gamyklos apimtis. Svarbu ir plokštelės dydis: Kuo didesnė plokštelė, tuo mažesnės sąnaudos, tačiau didėja ir proceso sudėtingumas. Tačiau matėme, kad tiekėjai pereina nuo keturių iki aštuonių colių plokštelių, o kai kurie kuria 12 colių plokštelių pirmtakus, kurie leistų pagaminti eksponentiškai daugiau porų AR akinių."
Šie pasiekimai turėtų padėti ir toliau mažinti išlaidas. Dar tik pradžia, bet ateitis vis labiau ryškėja.
"Bet kokios naujos technologinės revoliucijos pradžioje išbandoma daugybė dalykų, - sako Calafiore'as. "Pažvelkite į televiziją: Pradėjome nuo katodinių spindulių vamzdžių, vėliau perėjome prie LED plazminių televizorių, o dabar - prie mikroLED. Išbandėme kelias skirtingas technologijas ir architektūras. Ieškant kelio, daugybė kelių baigiasi niekur, bet yra keletas, prie kurių vis grįžtama kaip prie perspektyviausių. Nesame kelio pabaigoje ir negalime to padaryti vieni, tačiau silicio karbidas yra stebuklinga medžiaga, į kurią verta investuoti."
"Pasaulis dabar pabudo", - priduria Silveršteinas. "Sėkmingai įrodėme, kad silicio karbidas gali būti lankstus elektronikoje ir fotonikoje. Tai medžiaga, kuri ateityje gali būti pritaikyta kvantinių kompiuterių srityje. Ir matome požymių, kad įmanoma gerokai sumažinti kainą. Dar daug ką reikia nuveikti, tačiau potencialas čia yra didžiulis."
Sužinokite daugiau apie silicio karbidą Fotonikos spektras.
Daugiau informacijos apie "Orion" rasite šiuose tinklaraščio įrašuose:
LT 
EN 
BG 
CS 
ET 
EL 
HR 
HU 
LV 
FR 
NL 
PL 
PT 
RO 
SL 
SK