0:00 / 0:00

2019. gadā Orion komanda sagatavoja svarīgu demonstrāciju Meta dibinātājam un izpilddirektoram Markam Zuckerbergam, demonstrējot potenciālos viļņvadus, kas paredzēti papildinātās realitātes brilles-izšķirošais brīdis, kad teorētiskie aprēķini uz papīra tika īstenoti dzīvē. Tā bija demonstrācija, kas mainīja visu.

"Valkājot brilles ar stikla viļņvadiem un vairākām plāksnēm, varēja justies kā diskotēkā," atceras optikas zinātnieks Paskāls Rivera. "Visur bija varavīksnes, un tas tik ļoti novērsa uzmanību - jūs pat neskatījāties uz AR saturu. Tad jūs uzliekat brilles ar silīcija karbīds viļņvadiem, un bija sajūta, it kā tu būtu simfonijā un klausītos klusu, klasisku skaņdarbu. Jūs patiešām varējāt pievērst uzmanību tam, ko mēs veidojām. Tas pilnībā mainīja spēles gaitu."

Tomēr, lai arī cik skaidra (kalambūrs) šodien šķiet silīcija karbīda kā substrāta izvēle, kad mēs pirmo reizi sākām darbu pie ceļš uz AR brillēm pirms desmit gadiem, tas bija kaut kas cits.

"Parasti silīcija karbīds ir ļoti bagātināts ar slāpekli," saka Rivera. "Tas ir zaļš, un, ja tas kļūst pietiekami biezs, izskatās melns. No tā nekādi nevar izgatavot optisko lēcu. Tas ir elektronisks materiāls. Tas ir iemesls, kāpēc tas ir šādā krāsā, un tas ir elektronisko īpašību dēļ."

"Silīcija karbīds kā materiāls ir izmantots jau ilgu laiku," piekrīt AR viļņvadu tehniskais vadītājs Džuzepe Kalafiore. "Tā galvenais pielietojums ir lieljaudas elektronikā. Piemēram, elektriskie transportlīdzekļi: Visiem elektriskajiem transportlīdzekļiem ir nepieciešama mikroshēma, bet šai mikroshēmai ir jāspēj nodrošināt arī ļoti lielu jaudu, kustināt riteņus un vadīt šo ierīci. Izrādās, ka to nevar izdarīt ar parasto silīcija substrātu, no kura tiek izgatavotas mikroshēmas, ko mēs izmantojam datoros un elektronikā. Ir vajadzīga platforma, kas ļauj izmantot lielas strāvas un jaudas, un šis materiāls ir silīcija karbīds."

Kamēr pavisam nesen nesākās diskusijas par atjaunojamajiem enerģijas avotiem, šo lieljaudas mikroshēmu tirgus ne tuvu nebija tik liels kā plaša patēriņa elektronikas mikroshēmu tirgus. Silīcija karbīds vienmēr ir bijis dārgs, un nebija lielas motivācijas samazināt izmaksas, jo tāda izmēra mikroshēmai, kāda tiek ražota automašīnai, substrāta cena bija pieņemama.

"Taču izrādās, ka silīcija karbīdam piemīt arī dažas īpašības, kas mums nepieciešamas viļņvadiem un optikai," saka Kalafjērs. "Galvenā īpašība, kas mūs interesē, ir refrakcijas indekss. Un silīcija karbīdam ir augsts refrakcijas koeficients, kas nozīmē, ka tas spēj novadīt un izvadīt lielu optisko datu daudzumu. Var domāt par to kā par optisko joslas platumu - gluži tāpat kā jums ir interneta joslas platums, un jūs vēlaties, lai tas būtu pietiekami liels, lai pa šo kanālu varētu nosūtīt milzīgu datu apjomu. Tas pats attiecas uz optiskām ierīcēm."

Jo augstāks ir materiāla refrakcijas koeficients, jo augstāks ir tā refrakcijas koeficients. étendue, lai pa šo kanālu varētu nosūtīt vairāk optisko datu.

"Mūsu gadījumā kanāls ir viļņvads, un lielāks ētendue nozīmē lielāku redzamības lauku," skaidro Kalafjērs. "Jo lielāks ir materiāla refrakcijas koeficients, jo lielāku redzamības lauku var nodrošināt displejs."

Ceļš uz pareizo refrakcijas koeficientu

Kad Kalafjērs 2016. gadā pirmo reizi pievienojās toreizējai Oculus Research, komandas rīcībā esošais augstākais refrakcijas koeficients bija 1,8, tāpēc vajadzēja sakraut vairākas plāksnes, lai iegūtu vēlamo redzes lauku. Ja neskaita nevēlamos optiskos artefaktus, montāžas līnija kļuva arvien sarežģītāka, jo pirmie divi viļņvadi bija perfekti jāsaskaņo, un pēc tam šis kaudze bija perfekti jāsaskaņo ar trešo viļņvadu.

"Tas bija ne tikai dārgi, bet arī uzreiz kļuva skaidrs, ka brilles nevar būt no trim stikla gabaliem katrā lēcu pārī," atceras Kalafjērs. "Tās bija pārāk smagas, un to biezums bija pārāk liels un neglīts - neviens tās nepirktu. Tāpēc mēs atgriezāmies pie sākuma: mēģinājām palielināt pamatnes refrakcijas koeficientu, lai samazinātu nepieciešamo plākšņu skaitu."

Pirmais materiāls, ko komanda pētīja, bija litija niobāts, kura refrakcijas koeficients ir aptuveni 2,3, kas ir nedaudz augstāks nekā stiklam, kura refrakcijas koeficients ir 1,8.

"Mēs sapratām, ka mums vajadzēja salikt tikai divas plāksnes un varbūt pat varēja iztikt ar vienu plāksni, lai pārklātu redzamības lauku," saka Kalafjērs. "Gandrīz paralēli mēs sākām pētīt citus materiālus - tā mēs kopā ar piegādātājiem 2019. gadā noskaidrojām, ka silīcija karbīds tā tīrākajā formā patiesībā ir ļoti caurspīdīgs. Tam ir arī augstākais zināmais optiskā pielietojuma refrakcijas koeficients, kas ir 2,7."

Tas ir 17,4% pieaugums salīdzinājumā ar litija niobātu un 50% pieaugums salīdzinājumā ar stiklu, lai tie, kas mājās skaita rādītājus.

"Ar dažām modifikācijām tajās pašās iekārtās, kas jau tika izmantotas rūpniecībā, bija iespējams iegūt caurspīdīgu silīcija karbīdu," stāsta Kalafjore. "Varēja tikai mainīt procesu, būt daudz uzmanīgākiem, un tā vietā, lai optimizētu elektroniskās īpašības, optimizēt optiskās īpašības: caurspīdīgumu, refrakcijas indeksa vienmērīgumu utt."

Kompromisa iespējamās izmaksas

Tolaik Reality Labs komanda bija pirmā, kas pat mēģināja pāriet no necaurspīdīgām silīcija karbīda plāksnēm uz caurspīdīgām. Tā kā silīcija karbīds ir viens no cietākajiem zināmajiem materiāliem, tā griešanai vai pulēšanai ir nepieciešami dimanta instrumenti. Rezultātā vienreizējās inženiertehniskās izmaksas bija ļoti augstas, tāpēc iegūtais substrāts bija diezgan dārgs.

Lai gan pastāv ekonomiski izdevīgākas alternatīvas, tāpat kā jebkurai citai tehnoloģijai, katrai no tām ir savi kompromisi. Un, palielinoties redzamības laukam līdz Orion nozarē vadošajam redzamības laukam, kas ir aptuveni 70 grādu, rodas jaunas problēmas, piemēram, spoku attēli un varavīksnes.

"Lai atrastu optimālo risinājumu AR displejam ar plašu redzamības lauku, ir jārod kompromiss starp veiktspēju un izmaksām," skaidro pētniecības zinātnes direktors Barijs Silveršteins. "Izmaksas bieži vien var samazināt, bet, ja veiktspēja nav pietiekama, izmaksām galu galā nav nozīmes."

Spoku attēli ir kā uz displeja projicētā galvenā attēla vizuālās atbalsis. Varavīksnes ir krāsainas gaismas svītras, kas rodas, kad apkārtējā gaisma atstarojas no viļņvada. "Pieņemsim, ka jūs braucat naktī, kad ap jums ir kustīgi automašīnu lukturi," saka Silveršteins. "Jums būs arī kustīgas varavīksnes. Vai arī, ja esat pludmalē, spēlējot volejbolu, un spīd saule, jums radīsies varavīksnes svītra, kas kustēsies kopā ar jums, un jūs palaidīsiet garām savu šāvienu. Un viena no brīnumainām silīcija karbīda īpašībām ir tā, ka tas atbrīvojas no šīm varavīksnēm."

"Vēl viena silīcija karbīda priekšrocība, kas nepiemīt nevienam citam materiālam, ir siltumvadītspēja," piebilst Kalafjērs. "Plastmasa ir briesmīgs izolators. Stikls, litija niobāts - tas pats. Pāriet uz silīcija karbīdu, un tas ir caurspīdīgs, izskatās kā stikls, un uzminiet ko: tas vada siltumu."

Tāpēc 2020. gada jūlijā komanda noteica, ka silīcija karbīds ir optimālā izvēle trīs galveno iemeslu dēļ: Tas ļāva uzlabot formas faktoru, jo tam bija nepieciešama tikai viena plāksne un mazākas montāžas struktūras, tam bija labākas optiskās īpašības un tas bija vieglāks nekā stikla plāksne ar divām plāksnēm.

Slant Etch noslēpums

Ņemot vērā materiālu, nākamais uzdevums bija viļņvadu izgatavošana - un jo īpaši netradicionāla režģu izgatavošanas tehnika, ko sauc par slīpu kodināšanu.

"Režģis ir nanostruktūra, kas savieno un savieno gaismu no lēcas," skaidro Kalafjore. "Un, lai silīcija karbīds darbotos, režģim jābūt slīpi kodinātam. Tā vietā, lai režģa līnijas būtu vertikālas, ir nepieciešams, lai tās būtu slīpi slīpi pa diagonāli."

"Mēs bijām pirmie, kas veica slīpu kodināšanu tieši uz ierīcēm," stāsta pētniecības vadītājs Nihars Mohanti. "Visa nozare izmantoja nanoatspiedumu, kas nedarbojas substrātiem ar tik augstu refrakcijas koeficientu. Tāpēc neviens cits pasaulē nebija domājis par silīcija karbīda izgatavošanu."

Taču, tā kā slīpā kodināšana ir vēl nepieredzējusi tehnoloģija, lielākajai daļai pusvadītāju mikroshēmu piegādātāju un rūpnīcu trūkst nepieciešamo rīku.

"2019. gadā mēs ar toreizējo vadītāju Matu Kolbērnu (Matt Colburn) izveidojām savu ražotni, jo pasaulē nebija nekā tāda, kas varētu ražot kodinātus silīcija karbīda viļņvadus un kur mēs varētu pārbaudīt tehnoloģiju, kas pārsniegtu laboratorijas mērogus," skaidro Mohanti. "Tas bija milzīgs ieguldījums, un mēs tur izveidojām visu cauruļvadu. Instrumentus mums pēc pasūtījuma izgatavoja mūsu partneri, un process tika izstrādāts Meta uzņēmumā, lai gan mūsu sistēmas ir pētniecības klases, jo nebija ražošanas klases sistēmu. Mēs sadarbojāmies ar ražošanas partneri, lai izstrādātu ražošanas klases slīpās kodināšanas instrumentus un procesus. Un tagad, kad esam parādījuši, kas ir iespējams ar silīcija karbīdu, mēs vēlamies, lai arī citi nozares pārstāvji sāktu ražot savus instrumentus."

Jo vairāk uzņēmumu ieguldīs optiskā silīcija karbīda ražošanā un izstrādās aprīkojumu, jo spēcīgāka kļūs patērētāju AR briļļu kategorija.

Vairs nevajag dzīties pakaļ varavīksnei

Kamēr tehnoloģiskā neizbēgamība ir mīts, zvaigznes, šķiet, noteikti sakārtojas silīcija karbīda labā. Un, lai gan komanda turpina pētīt alternatīvas, ir spēcīga sajūta, ka īstie cilvēki ir sanākuši kopā īstajā laikā un pareizajos tirgus apstākļos, lai izveidotu AR brilles, izmantojot šo materiālu.

"Orion pierādīja, ka silīcija karbīds ir dzīvotspējīgs risinājums AR brillēm," saka Silveršteins, "un tagad mēs redzam, ka par to interesi izrāda piegādes ķēdes trīs dažādos kontinentos, kur viņi aktīvi izmanto šo iespēju. Silīcija karbīds būs labākais. Manuprāt, tas ir tikai laika jautājums."

Un šajā laikā var notikt ļoti daudz kas - līdzīgi kā tas, kā ir mainījušies notikumi kopš mūsu pirmo silīcija karbīda kristālu audzēšanas.

"Visi šie silīcija karbīda ražotāji, reaģējot uz gaidāmo elektromobiļu bumu, bija ievērojami palielinājuši piegādi," norāda Kalafjore. "Šobrīd ir jaudas pārpalikums, kas nepastāvēja, kad mēs būvējām Orion. Tā kā tagad piedāvājums ir liels, bet pieprasījums zems, substrāta izmaksas ir sākušas samazināties."

"Piegādātāji ir ļoti satraukti par jauno iespēju ražot optiskās kvalitātes silīcija karbīdu - galu galā katra viļņvada lēca ir liels materiāla daudzums, salīdzinot ar elektronisko mikroshēmu, un visas viņu esošās iespējas attiecas uz šo jauno telpu," piebilst Silveršteins. "Rūpnīcas piepildīšana ir būtiska, un rūpnīcas paplašināšana ir sapnis. Svarīgs ir arī plāksnītes izmērs: Jo lielāka plāksne, jo zemākas izmaksas, bet palielinās arī procesa sarežģītība. Tomēr mēs esam redzējuši, ka piegādātāji pāriet no četru collu uz astoņu collu platēm, un daži strādā pie 12 collu platēm, kas ļautu ražot eksponenciāli vairāk AR briļļu pāru."

Šiem sasniegumiem vajadzētu palīdzēt arī turpmāk samazināt izmaksas. Pagaidām vēl ir agri, bet nākotne jau ir iezīmējusies.

"Jebkuras jaunas tehnoloģiskās revolūcijas sākumā jūs izmēģināt vairākas lietas," saka Kalafjore. "Paskatieties uz televīziju: Mēs sākām ar katodstaru lampām, tad sākām ar LED plazmas televizoriem un tagad ar mikroLED. Mēs izmantojām vairākas dažādas tehnoloģijas un arhitektūras. Meklējot ceļu, daudzi ceļi beidzas nekur, bet ir daži, pie kuriem jūs pastāvīgi atgriežaties kā pie visdaudzsološākajiem. Mēs neesam ceļa galā, un mēs to nevaram izdarīt vieni paši, bet silīcija karbīds ir brīnumains materiāls, kurā ir vērts ieguldīt."

"Pasaule ir pamodusies," piebilst Silveršteins. "Mēs esam veiksmīgi pierādījuši, ka silīcija karbīds var elastīgi darboties elektronikā un fotonikā. Tas ir materiāls, ko nākotnē varētu izmantot kvantu skaitļošanā. Un mēs redzam pazīmes, ka ir iespējams ievērojami samazināt izmaksas. Vēl ir daudz darāmā, bet potenciāls ir milzīgs."

---

Uzziniet vairāk par silīcija karbīdu Fotonikas spektrs.

Lai iegūtu vairāk informācijas par Orion, skatiet šos emuāra ierakstus:

• No nulles līdz vienai: kā mūsu pielāgotais silīcijs un mikroshēmas revolucionizē AR
• Orion's Compute Puck: Stāsts par ierīci, kas palīdzēja izveidot mūsu AR brilles.