Cristalino: Os nossos guias de onda de carboneto de silício e o caminho para o grande FoV de Orion

Back in 2019, the Orion team prepared an important demo for Meta Founder & CEO Mark Zuckerberg, showcasing potential waveguides for augmented reality glasses—a pivotal moment when theoretical calculations on paper were brought to life. And it was a demo that changed everything.

“Wearing the glasses with glass-based waveguides and multiple plates, it felt like you were in a disco,” recalls Optical Scientist Pasqual Rivera. “There were rainbows everywhere, and it was so distracting—you weren’t even looking at the AR content. Then, you put on the glasses with silicon carbide waveguides, and it was like you were at the symphony listening to a quiet, classical piece. You could actually pay attention to the full experience of what we were building. It was a total game changer.”

Yet as clear (pun intended) as the choice of silicon carbide as a substrate seems today, when we first started down the road to AR glasses a decade ago, it was anything but.

"O carboneto de silício é normalmente muito dopado com azoto", diz Rivera. "É verde e, se ficar suficientemente espesso, parece preto. Não há forma de fazer uma lente ótica com ele. É um material eletrónico. Há uma razão para ter aquela cor, e é por causa das propriedades electrónicas."

"O carboneto de silício já existe como material há muito tempo", concorda Giuseppe Calafiore, líder técnico da AR Waveguides. "A sua principal aplicação é a eletrónica de alta potência. Vejamos o caso dos veículos eléctricos: Todos os VEs requerem um chip - mas esse chip também tem de ser capaz de uma potência muito elevada, de mover as rodas e de conduzir esta coisa. Acontece que não é possível fazê-lo com o substrato de silício normal, que é o que produz os chips que utilizamos nos nossos computadores e eletrónica. Precisamos de uma plataforma que nos permita passar por correntes elevadas, alta potência, e esse material é o carboneto de silício".

Até ao início dos debates relativamente recentes sobre as fontes de energia renováveis, o mercado para estes chipsets de alta potência não tinha nem de perto a dimensão do mercado de chips para eletrónica de consumo. O carboneto de silício sempre foi caro e não havia grande incentivo para baixar os custos porque, para o tamanho do chip que se faz para um carro, o preço do substrato era tolerável.

"Mas acontece que o carboneto de silício também tem algumas das propriedades de que precisamos para guias de ondas e ótica", diz Calafiore. "O índice de refração é a principal propriedade que nos interessa. E o carboneto de silício tem um índice de refração elevado, o que significa que é capaz de canalizar e emitir uma grande quantidade de dados ópticos. Podemos pensar nisto como uma largura de banda ótica - tal como temos uma largura de banda para a Internet, e queremos que seja suficientemente grande para podermos enviar grandes quantidades de dados através desse canal. O mesmo se aplica aos dispositivos ópticos".

The higher a material’s refractive index, the higher its étendue, so you can send more optical data through that channel.

"O canal, no nosso caso, é o nosso guia de ondas, e um étendue maior traduz-se num campo de visão maior", explica Calafiore. "Quanto maior for o índice de refração de um material, maior será o campo de visão que o ecrã pode suportar."

O caminho para o índice de refração correto

Quando Calafiore se juntou à então Oculus Research em 2016, o vidro com o índice de refração mais elevado de que a equipa dispunha era 1,8, o que exigia o empilhamento de várias placas para obter o campo de visão desejado. Para além dos artefactos ópticos indesejáveis, a linha de montagem tornou-se cada vez mais complicada, uma vez que os dois primeiros guias de ondas tinham de estar perfeitamente alinhados e, em seguida, essa pilha tinha de estar perfeitamente alinhada com um terceiro guia de ondas.

"Não só era caro, como era imediatamente óbvio que não se podia ter três peças de vidro por lente num par de óculos", recorda Calafiore. "Eram demasiado pesadas e a espessura era proibitivamente grande e feia - ninguém as compraria. Por isso, voltámos à estaca zero: tentar aumentar o índice de refração do substrato para reduzir o número de placas necessárias."

The first material the team looked into was lithium niobate, which has a refractive index of roughly 2.3—quite a bit higher than the glass at 1.8.

"Apercebemo-nos de que só tínhamos de empilhar duas placas e que podíamos talvez até conseguir com uma placa cobrir o campo de visão", diz Calafiore. "Quase em paralelo, começámos a analisar outros materiais, e foi assim que descobrimos, juntamente com os nossos fornecedores em 2019, que o carboneto de silício, na sua forma mais pura, é realmente muito transparente. Ele também tem o maior índice de refração conhecido para uma aplicação ótica, que é de 2,7."

Isto representa um aumento de 17,4% em relação ao niobato de lítio e um aumento de 50% em relação ao vidro, para aqueles que estão a contar os pontos em casa.

"Com algumas modificações no mesmo equipamento que já era utilizado na indústria, foi possível obter carboneto de silício transparente", diz Calafiore. "Bastava alterar o processo, ser muito mais cuidadoso e, em vez de otimizar as propriedades electrónicas, otimizar as propriedades ópticas: transparência, uniformidade do índice de refração, etc."

O custo potencial do compromisso

Nessa altura, a equipa da Reality Labs foi a primeira a tentar passar de bolachas opacas de carboneto de silício para bolachas transparentes. E como o carboneto de silício é um dos materiais mais duros que se conhecem, requer essencialmente ferramentas de diamante para o cortar ou polir. Como resultado, os custos de engenharia não recorrentes eram muito elevados, pelo que o substrato resultante era bastante caro.

Embora existam alternativas mais económicas, tal como acontece com qualquer tecnologia, cada uma delas tem contrapartidas. E à medida que o campo de visão aumenta em direção ao campo de visão líder da indústria do Orion, de aproximadamente 70 graus, surgem novos problemas, como imagens fantasma e arco-íris.

"Encontrar a solução ideal para um ecrã de AR de campo de visão amplo está repleto de compromissos entre desempenho e custos", explica o Diretor de Investigação Científica Barry Silverstein. "Os custos podem muitas vezes ser reduzidos, mas se o desempenho não for suficiente, os custos acabarão por não ter importância."

As imagens fantasma são como ecos visuais da imagem primária que está a ser projectada no ecrã. Os arco-íris são faixas coloridas de luz criadas quando a luz ambiente se reflecte no guia de ondas. "Imaginemos que estamos a conduzir à noite com as luzes dos carros em movimento à nossa volta", diz Silverstein. "Também vai ter arco-íris que se movem. Ou se estivermos na praia a jogar voleibol e o sol estiver a brilhar, vamos ter um arco-íris que se move connosco e vamos perder a nossa oportunidade. E uma das propriedades milagrosas do carboneto de silício é que se livra desses arco-íris".

"A outra vantagem do carboneto de silício que nenhum dos outros materiais tem é a condutividade térmica", acrescenta Calafiore. "O plástico é um péssimo isolante. O vidro, o niobato de lítio, a mesma coisa. Passamos para o carboneto de silício e é transparente, parece vidro, e adivinhem: conduz o calor."

Assim, em julho de 2020, a equipa determinou que o carboneto de silício era a escolha ideal por três razões principais: Permitia um fator de forma melhorado porque exigia apenas uma única placa e estruturas de montagem mais pequenas, tinha melhores propriedades ópticas e era mais leve do que o vidro de placa dupla.

O segredo da gravura inclinada

Com o material em mente, o próximo passo foi a fabricação dos guias de onda - e especificamente, uma técnica de grade não convencional chamada slant etch.

"A grelha é a nanoestrutura que faz o acoplamento e o desacoplamento da luz da lente", explica Calafiore. "E para que o carboneto de silício funcione, a grelha precisa de ser gravada de forma inclinada. Em vez de serem verticais, queremos que as linhas da grelha sejam inclinadas na diagonal."

"Fomos os primeiros a fazer gravação oblíqua diretamente nos dispositivos", afirma o gestor de investigação Nihar Mohanty. "Toda a indústria se baseava na nanoimpressão, que não funciona para substratos com um índice de refração tão elevado. É por isso que mais ninguém no mundo tinha pensado em fazer carboneto de silício".

Mas como a gravação oblíqua é uma tecnologia imatura, a maioria dos fornecedores e fábricas de chips semicondutores não dispõe das ferramentas necessárias.

"Em 2019, meu gerente na época, Matt Colburn, e eu estabelecemos nossa própria instalação, pois não havia nada no mundo que pudesse produzir guias de onda de carboneto de silício gravados e onde pudéssemos provar a tecnologia além da escala de laboratório", explica Mohanty. "Foi um investimento enorme e estabelecemos toda a cadeia de produção nesse local. As ferramentas foram feitas à medida pelos nossos parceiros e o processo foi desenvolvido internamente no Meta, embora os nossos sistemas sejam de nível de investigação porque não existiam sistemas de nível de fabrico. Trabalhámos com um parceiro de fabrico para desenvolver ferramentas e processos de gravação oblíqua de nível de fabrico. E agora que mostrámos o que é possível fazer com o carboneto de silício, queremos que outros na indústria comecem a fazer as suas próprias ferramentas."

Quanto mais empresas investirem em carboneto de silício de qualidade ótica e desenvolverem equipamento, mais forte se tornará a categoria de óculos de realidade aumentada para o consumidor.

Já não andamos atrás de arco-íris

While technological inevitability is a myth, the stars certainly seem to be aligning in silicon carbide’s favor. And although the team continues to investigate alternatives, there’s a strong sense that the right people have come together at the right time under the right market conditions to build AR glasses using this material.

"A Orion provou que o carboneto de silício é uma opção viável para os óculos de realidade aumentada", afirma Silverstein, "e estamos agora a assistir ao interesse de toda a cadeia de fornecimento em três continentes diferentes, onde esta é uma oportunidade muito procurada. O carboneto de silício será o vencedor. Para mim, é apenas uma questão de tempo".

E muita coisa pode acontecer nesse tempo - tal como a forma como as coisas mudaram desde que criámos os nossos primeiros cristais transparentes de carboneto de silício.

"Todos estes fabricantes de carboneto de silício aumentaram enormemente a oferta em resposta ao esperado boom dos veículos eléctricos", observa Calafiore. "Neste momento, existe um excesso de capacidade que não existia quando estávamos a construir o Orion. Portanto, agora, como a oferta é elevada e a procura é baixa, o custo do substrato começou a baixar."

"Os fornecedores estão muito entusiasmados com a nova oportunidade de fabricar carboneto de silício de qualidade ótica - afinal, cada lente de guia de ondas representa uma grande quantidade de material em relação a um chip eletrónico, e todas as suas capacidades actuais se aplicam a este novo espaço", acrescenta Silverstein. "Encher a fábrica é essencial, e aumentar a escala da fábrica é o sonho. O tamanho da bolacha também é importante: Quanto maior for a bolacha, mais baixo é o custo - mas a complexidade do processo também aumenta. Dito isto, vimos os fornecedores passarem de bolachas de quatro para oito polegadas e alguns estão a trabalhar em precursores para bolachas de 12 polegadas, o que produziria exponencialmente mais pares de óculos de RA."

Estes avanços deverão ajudar a continuar a reduzir os custos. Ainda estamos no início, mas o futuro está a tornar-se claro.

"No início de qualquer nova revolução tecnológica, experimenta-se uma série de coisas", diz Calafiore. "Veja-se o caso da televisão: Começámos com tubos de raios catódicos, depois passámos para os televisores de plasma LED e agora para os microLED. Passámos por várias tecnologias e arquitecturas diferentes. À medida que se vai descobrindo o caminho, muitos caminhos acabam em lado nenhum, mas há alguns que continuam a ser considerados os mais promissores. Não estamos no fim do caminho e não o podemos fazer sozinhos, mas o carboneto de silício é um material maravilhoso que vale bem o investimento".

"O mundo está agora desperto", acrescenta Silverstein. "Demonstrámos com êxito que o carboneto de silício pode ser flexível em eletrónica e fotónica. É um material que poderá ter aplicações futuras na computação quântica. E estamos a ver sinais de que é possível reduzir significativamente o custo. Ainda há muito trabalho a fazer, mas as vantagens potenciais são enormes".