0:00 / 0:00
W 2019 r. Orion Zespół przygotował ważne demo dla założyciela i CEO firmy Meta, Marka Zuckerberga, prezentując potencjalne falowody dla okulary rzeczywistości rozszerzonej-Był to kluczowy moment, w którym teoretyczne obliczenia na papierze zostały wcielone w życie. Było to demo, które zmieniło wszystko.
"Nosząc okulary ze szklanymi falowodami i wieloma płytkami, czułeś się jak na dyskotece" - wspomina Pasqual Rivera, Optical Scientist. "Wszędzie były tęcze i było to tak rozpraszające - nawet nie patrzyłeś na zawartość AR. Następnie zakładasz okulary z węglik krzemu falowody i było tak, jakbyś był na symfonii i słuchał cichego, klasycznego utworu. Można było w pełni skupić się na tym, co budowaliśmy. To był całkowity przełom".
Jednak wybór węglika krzemu jako podłoża wydaje się dziś tak oczywisty (gra słów zamierzona), jak wtedy, gdy po raz pierwszy zaczęliśmy podążać tą drogą. Droga do okularów AR dekadę temuale to nie było to.
"Węglik krzemu jest zwykle silnie domieszkowany azotem" - mówi Rivera. "Jest zielony, a jeśli zrobi się wystarczająco gruby, wygląda na czarny. Nie ma możliwości, by zrobić z niego soczewkę optyczną. To materiał elektroniczny. Jest powód, dla którego ma taki kolor, a są nim właściwości elektroniczne".
"Węglik krzemu jest materiałem stosowanym już od dłuższego czasu" - zgadza się Giuseppe Calafiore, Tech Lead AR Waveguides. "Jego głównym zastosowaniem jest elektronika dużej mocy. Weźmy na przykład pojazdy elektryczne: Wszystkie pojazdy elektryczne wymagają chipa - ale ten chip musi być również zdolny do bardzo dużej mocy, poruszania kołami i napędzania tego czegoś. Okazuje się, że nie można tego zrobić za pomocą zwykłego podłoża krzemowego, z którego wykonane są chipy używane w naszych komputerach i elektronice. Potrzebna jest platforma, która pozwala na przesyłanie dużych prądów i dużej mocy, a tym materiałem jest węglik krzemu".
Dopóki całkiem niedawno nie rozgorzały dyskusje na temat odnawialnych źródeł energii, rynek układów scalonych o dużej mocy nie był nawet zbliżony do wielkości rynku układów dla elektroniki użytkowej. Węglik krzemu zawsze był drogi i nie było dużej motywacji do obniżania kosztów, ponieważ w przypadku chipów wielkości samochodu cena podłoża była akceptowalna.
"Okazuje się jednak, że węglik krzemu ma również pewne właściwości, których potrzebujemy w falowodach i optyce" - mówi Calafiore. "Kluczową właściwością, na której nam zależy, jest współczynnik załamania światła. A węglik krzemu ma wysoki współczynnik załamania światła, co oznacza, że jest w stanie kierować i wysyłać dużą ilość danych optycznych. Można o tym myśleć jako o przepustowości optycznej - podobnie jak w przypadku przepustowości Internetu, która powinna być wystarczająco duża, aby można było przesyłać przez nią ogromne ilości danych. To samo dotyczy urządzeń optycznych".
Im wyższy współczynnik załamania światła danego materiału, tym wyższy jego étenduedzięki czemu można wysyłać więcej danych optycznych przez ten kanał.
"Kanałem w naszym przypadku jest falowód, a większy étendue przekłada się na większe pole widzenia" - wyjaśnia Calafiore. "Im większy współczynnik załamania światła materiału, tym większe pole widzenia wyświetlacza".
Droga do właściwego współczynnika załamania światła
Kiedy Calafiore po raz pierwszy dołączył do ówczesnego Oculus Research w 2016 roku, najwyższy współczynnik załamania światła, jakim dysponował zespół, wynosił 1,8 - co wymagało układania wielu płytek w celu uzyskania pożądanego pola widzenia. Pomijając niepożądane artefakty optyczne, linia montażowa stawała się coraz bardziej skomplikowana, ponieważ pierwsze dwa falowody musiały być idealnie wyrównane, a następnie ten stos musiał być idealnie wyrównany z trzecim falowodem.
"Nie tylko było to drogie, ale od razu stało się oczywiste, że nie można mieć trzech kawałków szkła na soczewkę w parze okularów" - wspomina Calafiore. "Były zbyt ciężkie, a ich grubość była zbyt duża i brzydka - nikt by tego nie kupił. Wróciliśmy więc do punktu wyjścia: próbując zwiększyć współczynnik załamania światła podłoża, aby zmniejszyć liczbę potrzebnych płytek".
Pierwszym materiałem, któremu przyjrzał się zespół, był niobian litu, którego współczynnik załamania światła wynosi około 2,3, czyli nieco więcej niż w przypadku szkła (1,8).
"Zdaliśmy sobie sprawę, że musimy ułożyć tylko dwie płytki, a może nawet poradzić sobie z jedną płytką, aby nadal pokryć pole widzenia" - mówi Calafiore. "Niemal równolegle zaczęliśmy przyglądać się innym materiałom - w ten sposób wraz z naszymi dostawcami w 2019 roku odkryliśmy, że węglik krzemu w swojej najczystszej postaci jest w rzeczywistości bardzo przezroczysty. Ma również najwyższy współczynnik załamania światła znany dla zastosowań optycznych, który wynosi 2,7".
Oznacza to wzrost o 17,4% w porównaniu do niobianu litu i 50% w porównaniu do szkła, dla tych, którzy liczą punkty w domu.
"Dzięki kilku modyfikacjom tego samego sprzętu, który był już używany w branży, możliwe było uzyskanie przezroczystego węglika krzemu" - mówi Calafiore. "Można było po prostu zmienić proces, być o wiele bardziej ostrożnym i zamiast optymalizować go pod kątem właściwości elektronicznych, zoptymalizować go pod kątem właściwości optycznych: przezroczystości, jednorodności współczynnika załamania światła itp.".
Potencjalny koszt kompromisu
W tamtym czasie zespół Reality Labs był pierwszym, który nawet próbował przejść z nieprzezroczystych płytek z węglika krzemu na przezroczyste. A ponieważ węglik krzemu jest jednym z najtwardszych znanych materiałów, do jego cięcia lub polerowania niezbędne są narzędzia diamentowe. W rezultacie jednorazowe koszty inżynieryjne były bardzo wysokie, więc uzyskane podłoże było dość drogie.
Chociaż istnieją bardziej opłacalne alternatywy, jak w przypadku każdej technologii, każda z nich ma swoje wady. A wraz ze wzrostem pola widzenia w kierunku wiodącego w branży pola widzenia Oriona wynoszącego około 70 stopni, pojawiają się nowe problemy, takie jak obrazy duchów i tęcze.
"Znalezienie optymalnego rozwiązania dla wyświetlacza AR o szerokim polu widzenia jest obarczone kompromisami między wydajnością a kosztami" - wyjaśnia dyrektor ds. badań naukowych Barry Silverstein. "Koszty często można obniżyć, ale jeśli wydajność nie jest wystarczająca, koszty nie będą miały znaczenia".
Obrazy-widma są jak wizualne echa głównego obrazu wyświetlanego na ekranie. Tęcze to kolorowe smugi światła, które powstają, gdy światło otoczenia odbija się od falowodu. "Powiedzmy, że jedziesz nocą z poruszającymi się światłami samochodów wokół ciebie" - mówi Silverstein. "Będziesz mieć tęcze, które również się poruszają. Albo jeśli jesteś na plaży i grasz w siatkówkę, a słońce świeci, będziesz mieć tęczową smugę, która porusza się razem z tobą i nie trafisz w piłkę". Jedną z cudownych właściwości węglika krzemu jest to, że pozbywa się tych tęcz".
"Kolejną zaletą węglika krzemu, której nie ma żaden inny materiał, jest przewodność cieplna" - dodaje Calafiore. "Plastik jest fatalnym izolatorem. Szkło, niobian litu, to samo. Węglik krzemu jest przezroczysty, wygląda jak szkło i zgadnij co: przewodzi ciepło".
W lipcu 2020 r. zespół ustalił, że węglik krzemu był optymalnym wyborem z trzech głównych powodów: Doprowadziło to do poprawy współczynnika kształtu, ponieważ wymagało tylko jednej płytki i mniejszych struktur montażowych, miało lepsze właściwości optyczne i było lżejsze niż szkło z dwoma płytkami.
Sekret wytrawiania skośnego
Mając na uwadze materiał, kolejnym orzechem do zgryzienia była produkcja falowodów - a konkretnie niekonwencjonalna technika siatki zwana trawieniem skośnym.
"Siatka jest nanostrukturą, która sprzęga i odsprzęga światło z soczewki", wyjaśnia Calafiore. "Aby węglik krzemu działał, siatka musi być wytrawiona ukośnie. Zamiast być pionowymi, linie siatki muszą być nachylone po przekątnej".
"Byliśmy pierwszymi, którzy wykonali trawienie skośne bezpośrednio na urządzeniach" - mówi kierownik badań Nihar Mohanty. "Cała branża polegała na nanodruku, który nie sprawdza się w przypadku podłoży o tak wysokim współczynniku załamania światła. Dlatego nikt inny na świecie nie pomyślał o zastosowaniu węglika krzemu".
Ponieważ jednak trawienie ukośne jest niedojrzałą technologią, większość dostawców i fabryk chipów półprzewodnikowych nie dysponuje odpowiednimi narzędziami.
"W 2019 roku wraz z moim ówczesnym kierownikiem, Mattem Colburnem, założyliśmy własny zakład, ponieważ na świecie nie było niczego, co mogłoby produkować falowody z wytrawionego węglika krzemu i gdzie moglibyśmy udowodnić, że technologia wykracza poza skalę laboratoryjną" - wyjaśnia Mohanty. "To była ogromna inwestycja i stworzyliśmy tam cały rurociąg. Oprzyrządowanie zostało wykonane na zamówienie przez naszych partnerów, a proces został opracowany we własnym zakresie w Meta, chociaż nasze systemy są klasy badawczej, ponieważ nie było tam systemów klasy produkcyjnej. Współpracowaliśmy z partnerem produkcyjnym, aby opracować narzędzia i procesy wytrawiania skośnego klasy produkcyjnej. A teraz, gdy pokazaliśmy, co jest możliwe w przypadku węglika krzemu, chcemy, aby inni w branży zaczęli tworzyć własne narzędzia".
Im więcej firm zainwestuje w węglik krzemu klasy optycznej i opracuje sprzęt, tym silniejsza stanie się kategoria konsumenckich okularów AR.
Już nie gonię za tęczą
Podczas gdy technologiczna nieuchronność to mitGwiazdy z pewnością wydają się układać na korzyść węglika krzemu. I chociaż zespół nadal bada alternatywy, istnieje silne poczucie, że właściwi ludzie zebrali się we właściwym czasie w odpowiednich warunkach rynkowych, aby zbudować okulary AR przy użyciu tego materiału.
"Orion udowodnił, że węglik krzemu jest realną opcją dla okularów AR", mówi Silverstein, "a teraz widzimy zainteresowanie w całym łańcuchu dostaw na trzech różnych kontynentach, gdzie mocno dążą do tego jako możliwości. Węglik krzemu wyjdzie z tego zwycięsko. Moim zdaniem to tylko kwestia czasu".
W tym czasie wiele może się wydarzyć - podobnie jak od czasu, gdy wyhodowaliśmy pierwsze przezroczyste kryształy węglika krzemu.
"Wszyscy ci producenci węglika krzemu znacznie zwiększyli podaż w odpowiedzi na oczekiwany boom na pojazdy elektryczne" - zauważa Calafiore. "Obecnie mamy do czynienia z nadwyżką mocy produkcyjnych, która nie istniała, gdy budowaliśmy Oriona. Tak więc teraz, ponieważ podaż jest wysoka, a popyt niski, koszt podłoża zaczął spadać".
"Dostawcy są bardzo podekscytowani nową możliwością produkcji węglika krzemu klasy optycznej - w końcu każda soczewka falowodu reprezentuje dużą ilość materiału w stosunku do układu elektronicznego, a wszystkie ich dotychczasowe możliwości mają zastosowanie w tej nowej przestrzeni" - dodaje Silverstein. "Wypełnienie fabryki jest niezbędne, a skalowanie fabryki jest marzeniem. Rozmiar wafla również ma znaczenie: Im większy wafel, tym niższy koszt, ale złożoność procesu również rośnie. To powiedziawszy, widzieliśmy, jak dostawcy przechodzą od czterocalowych do ośmiocalowych wafli, a niektórzy pracują nad prekursorami 12-calowych wafli, które dałyby wykładniczo więcej par okularów AR".
Te postępy powinny pomóc w dalszym obniżaniu kosztów. To wciąż wczesne dni, ale przyszłość staje się coraz bardziej realna.
"Na początku każdej nowej rewolucji technologicznej próbujesz wielu rzeczy" - mówi Calafiore. "Spójrzmy na telewizję: Zaczęliśmy od kineskopów, a następnie przeszliśmy do telewizorów plazmowych LED, a teraz microLED. Przeszliśmy przez kilka różnych technologii i architektur. Podczas poszukiwania ścieżek wiele z nich prowadzi donikąd, ale są też takie, do których wciąż się wraca jako do najbardziej obiecujących. Nie jesteśmy na końcu drogi i nie możemy zrobić tego sami, ale węglik krzemu jest cudownym materiałem, który jest wart inwestycji".
"Świat się obudził", dodaje Silverstein. "Udało nam się wykazać, że węglik krzemu może być elastyczny w elektronice i fotonice. Jest to materiał, który w przyszłości może znaleźć zastosowanie w obliczeniach kwantowych. Widzimy też oznaki, że możliwe jest znaczne obniżenie kosztów. Pozostało jeszcze wiele do zrobienia, ale potencjalne korzyści są ogromne".
Dowiedz się więcej o węgliku krzemu w Photonics Spectra.
Więcej informacji na temat Orion można znaleźć w tych wpisach na blogu:
PL 
EN 
BG 
CS 
ET 
EL 
HR 
HU 
LT 
LV 
FR 
PT 
RO 
SL 
SK