0:00 / 0:00

Terug in 2019, de Orion team een belangrijke demonstratie voor Meta Oprichter & CEO Mark Zuckerberg, waarin potentiële golfgeleiders voor augmented reality-bril-Een cruciaal moment waarop theoretische berekeningen op papier tot leven werden gebracht. En het was een demo die alles veranderde.

"Als je de bril met glazen golfgeleiders en meerdere platen droeg, voelde het alsof je in een disco was", herinnert optisch wetenschapper Pasqual Rivera zich. "Er waren overal regenbogen en het was zo afleidend dat je niet eens naar de AR-inhoud keek. Toen zette je de bril op met siliciumcarbide golfgeleiders, en het was alsof je bij de symfonie was en naar een rustig, klassiek stuk luisterde. Je kon echt aandacht besteden aan de volledige ervaring van wat we aan het bouwen waren. Het was een totale game changer.

Maar hoe duidelijk (bedoeld als woordspeling) de keuze voor siliciumcarbide als substraat vandaag ook lijkt, toen we voor het eerst de weg naar AR-brillen een decennium geledenHet was allesbehalve.

"Siliciumcarbide is normaal gesproken zwaar stikstofgedoteerd," zegt Rivera. "Het is groen en als het dik genoeg wordt, ziet het er zwart uit. Je kunt er op geen enkele manier een optische lens van maken. Het is een elektronisch materiaal. Er is een reden waarom het die kleur heeft en dat komt door de elektronische eigenschappen."

"Siliciumcarbide bestaat al heel lang als materiaal", beaamt Giuseppe Calafiore, Tech Lead bij AR Waveguides. "De belangrijkste toepassing is elektronica met een hoog vermogen. Neem elektrische voertuigen: Alle EV's hebben een chip nodig, maar die chip moet ook in staat zijn om zeer hoog vermogen te leveren, de wielen te bewegen en het ding aan te drijven. Het blijkt dat je dat niet kunt doen met het gewone siliciumsubstraat, dat de chips maakt die we in onze computers en elektronica gebruiken. Je hebt een platform nodig waarmee je hoge stromen en een hoog vermogen kunt verwerken, en dat materiaal is siliciumcarbide."

Totdat vrij recentelijk de discussies rond hernieuwbare energiebronnen oplaaiden, was de markt voor deze chipsets met hoog vermogen lang niet zo groot als de markt voor chips voor consumentenelektronica. Siliciumcarbide is altijd duur geweest en er was niet veel stimulans om de kosten omlaag te brengen omdat, voor de grootte van de chip die je voor een auto maakt, de prijs van het substraat acceptabel was.

"Maar het blijkt dat siliciumcarbide ook een aantal eigenschappen heeft die we nodig hebben voor golfgeleiders en optica," zegt Calafiore. "De brekingsindex is de belangrijkste eigenschap waar we om geven. En siliciumcarbide heeft een hoge brekingsindex, wat betekent dat het een grote hoeveelheid optische gegevens kan kan kanaliseren en uitvoeren. Je kunt het zien als optische bandbreedte - net zoals je bandbreedte hebt voor het internet, en je wilt dat die groot genoeg is zodat je enorme hoeveelheden gegevens door dat kanaal kunt sturen. Hetzelfde geldt voor optische apparaten."

Hoe hoger de brekingsindex van een materiaal, hoe hoger de étenduezodat je meer optische gegevens via dat kanaal kunt verzenden.

"Het kanaal is in ons geval onze golfgeleider en een grotere étendue betekent een groter gezichtsveld," legt Calafiore uit. "Hoe groter de brekingsindex van een materiaal, hoe groter het gezichtsveld dat het scherm kan ondersteunen."

De weg naar de juiste brekingsindex

Toen Calafiore in 2016 bij het toenmalige Oculus Research kwam, had het team de beschikking over glas met de hoogste brekingsindex van 1,8, waardoor meerdere platen op elkaar gestapeld moesten worden om het gewenste gezichtsveld te krijgen. Afgezien van ongewenste optische artefacten werd de assemblagelijn steeds gecompliceerder omdat de eerste twee golfgeleiders perfect uitgelijnd moesten worden en die stapel vervolgens perfect uitgelijnd moest worden met een derde golfgeleider.

"Het was niet alleen duur, het was ook meteen duidelijk dat je geen drie stukken glas per lens in een bril kon hebben," herinnert Calafiore zich. "Ze waren te zwaar en de dikte was onbetaalbaar groot en lelijk - niemand zou het kopen. Dus gingen we terug naar af: proberen de brekingsindex van het substraat te verhogen om het aantal benodigde platen te verminderen."

Het eerste materiaal dat het team onderzocht was lithiumniobaatmet een brekingsindex van ruwweg 2,3, wat een stuk hoger is dan de brekingsindex van glas (1,8).

"We realiseerden ons dat we maar twee platen hoefden te stapelen en misschien zelfs met één plaat konden volstaan om toch het gezichtsveld te bedekken," zegt Calafiore. "Zo kwamen we er samen met onze leveranciers in 2019 achter dat siliciumcarbide in zijn puurste vorm eigenlijk heel transparant is. Toevallig heeft het ook de hoogste brekingsindex die bekend is voor een optische toepassing, namelijk 2,7."

Dat is een toename van 17,4% ten opzichte van lithiumniobaat en een toename van 50% ten opzichte van glas, voor wie thuis de score bijhoudt.

"Met een paar aanpassingen aan dezelfde apparatuur die al in de industrie werd gebruikt, was het mogelijk om transparant siliciumcarbide te maken," zegt Calafiore. "Je kon gewoon het proces veranderen, veel voorzichtiger zijn en in plaats van te optimaliseren voor elektronische eigenschappen, optimaliseer je voor optische eigenschappen: transparantie, uniformiteit van de brekingsindex, enzovoort."

De potentiële kosten van een compromis

Het team van Reality Labs was destijds de eerste die zelfs maar probeerde om van ondoorzichtige siliciumcarbide wafers transparante wafers te maken. En omdat siliciumcarbide een van de hardste materialen is die bekend zijn, is er diamantgereedschap nodig om het te snijden of te polijsten. Hierdoor waren de eenmalige engineeringkosten erg hoog en was het resulterende substraat behoorlijk duur.

Hoewel er kosteneffectievere alternatieven bestaan, heeft elke technologie zijn nadelen. En als het gezichtsveld toeneemt in de richting van Orions toonaangevende gezichtsveld van ongeveer 70 graden, ontstaan er nieuwe problemen zoals spookbeelden en regenbogen.

"Het vinden van de optimale oplossing voor een AR-scherm met breed gezichtsveld is beladen met afwegingen tussen prestaties en kosten," legt Barry Silverstein, directeur van Research Science, uit. "De kosten kunnen vaak omlaag worden gebracht, maar als de prestaties het niet halen, zullen de kosten er uiteindelijk niet toe doen."

Spookbeelden zijn visuele echo's van het primaire beeld dat op het scherm wordt geprojecteerd. Regenbogen zijn kleurrijke lichtstrepen die ontstaan wanneer omgevingslicht weerkaatst op de golfgeleider. "Stel dat je 's nachts rijdt met bewegende autolichten om je heen," zegt Silverstein. "Dan krijg je regenbogen die ook bewegen. Of als je op het strand aan het volleyballen bent en de zon schijnt, krijg je een regenboogstreep die met je meebeweegt en dan mis je je schot. En een van de wonderbaarlijke eigenschappen van siliciumcarbide is dat het die regenbogen wegwerkt."

"Het andere voordeel van siliciumcarbide dat geen van de andere materialen heeft, is de thermische geleidbaarheid," voegt Calafiore toe. "Plastic is een vreselijke isolator. Glas, lithiumniobaat, hetzelfde. Siliciumcarbide is transparant, ziet eruit als glas en raad eens: het geleidt warmte."

In juli 2020 stelde het team vast dat siliciumcarbide om drie belangrijke redenen de optimale keuze was: Het leidde tot een verbeterde vormfactor omdat er maar één plaat en kleinere montagestructuren nodig waren, het had betere optische eigenschappen en het was lichter dan glas met twee platen.

Het geheim van schuine etsen

Met het materiaal in gedachten was de volgende noot die gekraakt moest worden de fabricage van de golfgeleiders - en specifiek een onconventionele roostertechniek genaamd slant etch.

"Het rooster is de nanostructuur die het licht van de lens in- en uitkoppelt," legt Calafiore uit. "En om siliciumcarbide te laten werken, moet het rooster schuin geëtst zijn. In plaats van verticaal wil je dat de lijnen van het rooster diagonaal schuin lopen."

"Wij waren de eersten die schuine etsen direct op de apparaten uitvoerden," zegt onderzoeksmanager Nihar Mohanty. "De hele industrie vertrouwde op nano-imprint, wat niet werkt voor substraten met zo'n hoge brekingsindex. Daarom had niemand anders ter wereld eraan gedacht om siliciumcarbide te doen."

Maar omdat schuine etsen een onvolwassen technologie is, ontbreekt het de meeste leveranciers en fabrieken van halfgeleiderchips aan de benodigde gereedschappen.

"In 2019 richtten mijn toenmalige manager, Matt Colburn, en ik onze eigen faciliteit op omdat er niets ter wereld was dat geëtste siliciumcarbide golfgeleiders kon produceren en waar we de technologie verder konden testen dan op laboratoriumschaal", legt Mohanty uit. "Het was een enorme investering en we hebben de hele pijplijn daar opgezet. Het gereedschap werd op maat gemaakt door onze partners en het proces werd intern ontwikkeld in Meta, hoewel onze systemen van onderzoekskwaliteit zijn omdat er geen systemen van productiekwaliteit beschikbaar waren. We werkten samen met een productiepartner om productiegereedschap en -processen voor schuine etsen te ontwikkelen. En nu we hebben laten zien wat er mogelijk is met siliciumcarbide, willen we dat anderen in de industrie hun eigen gereedschappen gaan maken."

Hoe meer bedrijven investeren in siliciumcarbide van optische kwaliteit en apparatuur ontwikkelen, hoe sterker de categorie AR-brillen voor consumenten zal worden.

Niet langer regenbogen najagen

Terwijl technologische onvermijdelijkheid is een mytheDe sterren lijken in het voordeel van siliciumcarbide te staan. En hoewel het team doorgaat met het onderzoeken van alternatieven, is er een sterk gevoel dat de juiste mensen op het juiste moment onder de juiste marktomstandigheden bij elkaar zijn gekomen om AR-brillen te bouwen met dit materiaal.

"Orion heeft bewezen dat siliciumcarbide een haalbare optie is voor AR-brillen," zegt Silverstein, "en we zien nu interesse in de hele toeleveringsketen op drie verschillende continenten waar dit een grote kans is. Siliciumcarbide zal als winnaar uit de bus komen. Volgens mij is het gewoon een kwestie van tijd."

En in die tijd kan er veel gebeuren - net zoals de manier waarop de rollen zijn omgedraaid sinds we onze eerste heldere siliciumcarbidekristallen lieten groeien.

"Al deze siliciumcarbidefabrikanten hebben het aanbod enorm opgedreven als reactie op de verwachte explosie van elektrische voertuigen," merkt Calafiore op. "Op dit moment is er een overcapaciteit die er niet was toen we Orion bouwden. Dus nu, omdat het aanbod hoog is en de vraag laag, beginnen de kosten van het substraat te dalen."

"Leveranciers zijn erg enthousiast over de nieuwe mogelijkheid om siliciumcarbide van optische kwaliteit te produceren - elke golfgeleiderlens vertegenwoordigt immers een grote hoeveelheid materiaal in verhouding tot een elektronische chip, en al hun bestaande capaciteiten zijn van toepassing op deze nieuwe ruimte," voegt Silverstein toe. "Je fabriek vullen is essentieel, en je fabriek opschalen is de droom. De grootte van de wafer is ook belangrijk: Hoe groter de wafer, hoe lager de kosten, maar de complexiteit van het proces neemt ook toe. Dat gezegd hebbende, hebben we leveranciers zien overstappen van wafers van vier inch naar wafers van acht inch, en sommige werken aan voorlopers voor wafers van 12 inch, die exponentieel meer AR-brillen zouden opleveren."

Deze vooruitgang moet helpen om de kosten te blijven drukken. Het is nog vroeg, maar de toekomst komt in zicht.

"Aan het begin van elke nieuwe technologische revolutie probeer je een heleboel dingen," zegt Calafiore. "Kijk naar televisie: We begonnen met kathodestraalbuizen, en toen gingen we naar de LED-plasmatelevisies en nu microLED's. We hebben verschillende technologieën en architecturen doorlopen. Als je een pad zoekt, komen veel paden nergens uit, maar er zijn er een paar waar je naar terug blijft keren als de meest veelbelovende. We zijn nog niet aan het einde van de weg en we kunnen het niet alleen, maar siliciumcarbide is een wondermateriaal dat de investering meer dan waard is."

"De wereld is nu wakker," voegt Silverstein toe. "We hebben met succes aangetoond dat siliciumcarbide kan buigen in elektronica en fotonica. Het is een materiaal dat toekomstige toepassingen kan hebben in quantumcomputing. En we zien tekenen dat het mogelijk is om de kosten aanzienlijk te verlagen. Er is nog veel werk te doen, maar het potentieel is enorm."

---

Meer informatie over siliciumcarbide in Fotonica Spectra.

Bekijk voor meer informatie over Orion deze blogposts:

• Nul tot één: hoe ons aangepaste silicium en chips AR revolutioneren
• De Compute Puck van Orion: Het verhaal achter het apparaat dat onze AR-bril mogelijk maakte