0:00 / 0:00
Înapoi în 2019 Orion a pregătit o demonstrație importantă pentru Mark Zuckerberg, fondatorul și CEO-ul Meta, prezentând potențiale ghiduri de undă pentru ochelari de realitate augmentată-un moment crucial în care calculele teoretice de pe hârtie au fost aduse la viață. Și a fost o demonstrație care a schimbat totul.
"Purtând ochelarii cu ghiduri de undă pe bază de sticlă și plăci multiple, te simțeai ca într-o discotecă", își amintește cercetătorul optic Pasqual Rivera. "Erau curcubee peste tot și era atât de deranjant - nici măcar nu te uitai la conținutul AR. Apoi, îți puneai ochelarii cu carbură de siliciu ghiduri de undă, și era ca și cum ai fi la simfonie, ascultând o piesă clasică, liniștită. Chiar puteai fi atent la experiența completă a ceea ce construiam. A fost o schimbare totală a jocului".
Cu toate acestea, oricât de clară ar părea astăzi alegerea carburii de siliciu ca substrat, atunci când am început drumul către ochelarii AR acum un deceniu, a fost orice altceva.
"Carbura de siliciu este în mod normal puternic dopată cu azot", spune Rivera. "Este verde și, dacă devine suficient de gros, pare negru. Nu ai cum să faci o lentilă optică din el. Este un material electronic. Există un motiv pentru care are această culoare, și este din cauza proprietăților electronice."
"Carbura de siliciu există ca material de mult timp", este de acord Giuseppe Calafiore, director tehnic AR Waveguides. "Principala sa aplicație este electronica de mare putere. Să luăm ca exemplu vehiculele electrice: Toate vehiculele electrice au nevoie de un cip - dar acel cip trebuie să fie capabil și de o putere foarte mare, să miște roțile și să conducă acest lucru. Se pare că nu se poate face acest lucru cu un substrat de siliciu obișnuit, care este cel care produce cipurile pe care le folosim în computerele și electronicele noastre. Aveți nevoie de o platformă care să vă permită să treceți prin curenți mari, putere mare, iar acel material este carbura de siliciu."
Până când discuțiile privind sursele de energie regenerabilă au început să se intensifice, piața pentru aceste seturi de cipuri de mare putere nu era nici pe departe de mărimea pieței cipurilor pentru electronicele de consum. Carbura de siliciu a fost întotdeauna scumpă și nu a existat un stimulent prea mare pentru a reduce costurile, deoarece, pentru dimensiunea cipurilor pe care le fabricați pentru o mașină, prețul substratului era tolerabil.
"Dar se pare că carbura de siliciu are și unele dintre proprietățile de care avem nevoie pentru ghidurile de undă și optică", spune Calafiore. "Indicele de refracție este principala proprietate care ne interesează. Iar carbura de siliciu are un indice de refracție ridicat, ceea ce înseamnă că este capabilă să canalizeze și să emită o cantitate mare de date optice. Vă puteți gândi la aceasta ca la o lățime de bandă optică - la fel cum aveți lățime de bandă pentru internet și doriți ca aceasta să fie suficient de mare pentru a putea trimite cantități uriașe de date prin acel canal. Același lucru este valabil și pentru dispozitivele optice."
Cu cât indicele de refracție al unui material este mai mare, cu atât extinsă, astfel încât să puteți trimite mai multe date optice prin acel canal.
"Canalul în cazul nostru este ghidul nostru de undă, iar o extensie mai mare se traduce printr-un câmp vizual mai mare", explică Calafiore. "Cu cât este mai mare indicele de refracție al unui material, cu atât este mai mare câmpul vizual pe care îl poate suporta afișajul."
Drumul către indicele de refracție corect
Când Calafiore s-a alăturat echipei Oculus Research în 2016, sticla cu cel mai mare indice de refracție pe care echipa o avea la dispoziție era de 1,8 - ceea ce necesita stivuirea mai multor plăci pentru a obține câmpul vizual dorit. Dincolo de artefactele optice nedorite, linia de asamblare a devenit din ce în ce mai complicată, deoarece primele două ghiduri de undă trebuiau să fie perfect aliniate, iar apoi acea stivă trebuia să fie perfect aliniată cu un al treilea ghid de undă.
"Nu numai că era scump, dar a fost imediat evident că nu puteai avea trei bucăți de sticlă per lentilă într-o pereche de ochelari", își amintește Calafiore. "Erau prea grele, iar grosimea era prohibitiv de mare și urâtă - nimeni nu le-ar fi cumpărat. Așa că ne-am întors de unde am plecat: am încercat să creștem indicele de refracție al substratului pentru a reduce numărul de plăci necesare."
Primul material analizat de echipă a fost niobat de litiu, care are un indice de refracție de aproximativ 2,3 - un pic mai mare decât cel al sticlei, de 1,8.
"Ne-am dat seama că trebuie doar să stivuim două plăci și că poate am putea chiar să ne descurcăm cu o singură placă pentru a acoperi în continuare câmpul vizual", spune Calafiore. "Aproape în paralel, am început să ne uităm la alte materiale - așa ne-am dat seama, alături de furnizorii noștri din 2019, că carbura de siliciu, în forma sa cea mai pură, este de fapt foarte transparentă. De asemenea, se întâmplă să aibă cel mai mare indice de refracție cunoscut pentru o aplicație optică, care este de 2,7."
Aceasta reprezintă o creștere de 17,4% față de niobatul de litiu și o creștere de 50% față de sticlă, pentru cei care țin scorul acasă.
"Cu câteva modificări ale aceluiași echipament care era deja utilizat în industrie, a fost posibil să se obțină carbură de siliciu transparentă", spune Calafiore. "Puteai doar să schimbi procesul, să fii mult mai atent și, în loc să optimizezi pentru proprietățile electronice, să optimizezi pentru proprietățile optice: transparență, uniformitatea indicelui de refracție etc."
Costul potențial al compromisului
La acea vreme, echipa Reality Labs a fost prima care a încercat să treacă de la plachete opace de carbură de siliciu la plachete transparente. Și pentru că carbura de siliciu este unul dintre cele mai dure materiale cunoscute, este nevoie, în esență, de unelte diamantate pentru a o tăia sau a o poliza. Ca urmare, costurile de inginerie nerecurente au fost foarte ridicate, astfel încât substratul rezultat a fost destul de scump.
Deși există alternative mai eficiente din punct de vedere al costurilor, la fel ca în cazul oricărei tehnologii, fiecare are compromisuri. Și pe măsură ce câmpul de vizualizare crește spre câmpul de vizualizare Orion, lider în industrie, de aproximativ 70 de grade, apar noi probleme precum imaginile fantomă și curcubeele.
"Găsirea soluției optime pentru un afișaj AR cu câmp vizual larg este plină de compromisuri între performanță și costuri", explică Barry Silverstein, director de cercetare științifică. "Costurile pot fi adesea reduse, dar dacă performanța nu este suficientă, costurile nu vor conta în cele din urmă."
Imaginile fantomă sunt ca niște ecouri vizuale ale imaginii principale proiectate pe ecran. Curcubeele sunt dungi de lumină colorate care sunt create atunci când lumina ambientală se reflectă în ghidul de undă. "Să zicem că conduceți noaptea cu luminile mașinilor în mișcare în jurul dumneavoastră", spune Silverstein. "Veți avea curcubee care se mișcă, de asemenea. Sau dacă sunteți pe plajă și jucați volei, iar soarele strălucește, veți avea o dungă de curcubeu care se mișcă odată cu voi și veți rata lovitura. Iar una dintre proprietățile miraculoase ale carburii de siliciu este că scapă de acele curcubee."
"Celălalt avantaj al carburii de siliciu pe care niciunul dintre celelalte materiale nu îl are este conductivitatea termică", adaugă Calafiore. "Plasticul este un izolator teribil. Sticla, niobatul de litiu, același lucru. Carbura de siliciu este transparentă, arată ca sticla și ghici ce: conduce căldura."
Astfel, în iulie 2020, echipa a stabilit că carbura de siliciu a fost alegerea optimă din trei motive principale: Acesta a condus la un factor de formă îmbunătățit, deoarece a necesitat doar o singură placă și structuri de montare mai mici, a avut proprietăți optice mai bune și a fost mai ușor decât sticla cu două plăci.
Secretul gravurii oblice
Cu materialul în minte, următoarea problemă a fost fabricarea ghidurilor de undă - și, în special, o tehnică neconvențională de gratare numită "slant etch".
"Rețeaua este nanostructura care cuplează și decuplează lumina din lentilă", explică Calafiore. "Iar pentru ca carbura de siliciu să funcționeze, grătarul trebuie să fie gravat oblic. În loc să fie verticale, liniile grătarului trebuie să fie înclinate în diagonală."
"Am fost primii care au realizat gravura oblică direct pe dispozitive", spune directorul de cercetare Nihar Mohanty. "Întreaga industrie obișnuia să se bazeze pe nanoimprimare, care nu funcționează pentru substraturile cu un indice de refracție atât de mare. Acesta este motivul pentru care nimeni altcineva din lume nu s-a gândit la utilizarea carburii de siliciu."
Dar, deoarece gravura oblică este o tehnologie imatură, majoritatea furnizorilor și fabricilor de cipuri semiconductoare nu dispun de instrumentele necesare.
"În 2019, eu și managerul meu de la acea vreme, Matt Colburn, am înființat propria noastră instalație, deoarece nu exista nimic în lume care să poată produce ghiduri de undă din carbură de siliciu gravate și unde să putem dovedi tehnologia dincolo de scara de laborator", explică Mohanty. "A fost o investiție uriașă și am stabilit acolo întreaga linie de producție. Sculele au fost făcute la comandă pentru noi de către partenerii noștri, iar procesul a fost dezvoltat in-house în Meta, deși sistemele noastre sunt de nivel de cercetare, deoarece nu existau sisteme de nivel de producție. Am lucrat cu un partener de producție pentru a dezvolta unelte și procese de gravură oblică de calitate industrială. Și acum că am arătat ce este posibil cu carbura de siliciu, dorim ca și alții din industrie să înceapă să producă propriile instrumente."
Cu cât mai multe companii investesc în carbură de siliciu de calitate optică și dezvoltă echipamente, cu atât mai puternică va deveni categoria de ochelari AR pentru consumatori.
Nu mai alergăm după curcubee
În timp ce inevitabilitatea tehnologică este un mitcu siguranță stelele par să se alinieze în favoarea carburii de siliciu. Și, deși echipa continuă să investigheze alternative, există un sentiment puternic că oamenii potriviți s-au reunit la momentul potrivit în condițiile de piață potrivite pentru a construi ochelari AR folosind acest material.
"Orion a demonstrat că carbura de siliciu este o opțiune viabilă pentru ochelarii AR", spune Silverstein, "iar acum observăm interes în lanțul de aprovizionare de pe trei continente diferite, unde se urmărește intens această oportunitate. Carbura de siliciu va ieși învingătoare. În opinia mea, este doar o chestiune de timp."
Și multe se pot întâmpla în acest timp - la fel cum s-au schimbat lucrurile de când am cultivat primele noastre cristale clare de carbură de siliciu.
"Toți acești producători de carbură de siliciu au mărit masiv oferta ca răspuns la boom-ul așteptat al vehiculelor electrice", remarcă Calafiore. "Chiar acum, există o supracapacitate care nu exista când construiam Orion. Așa că acum, deoarece oferta este mare și cererea este scăzută, costul substratului a început să scadă."
"Furnizorii sunt foarte încântați de noua oportunitate de a produce carbură de siliciu de calitate optică - la urma urmei, fiecare lentilă de ghid de undă reprezintă o cantitate mare de material în raport cu un cip electronic, iar toate capacitățile lor existente se aplică acestui nou spațiu", adaugă Silverstein. "Umplerea fabricii este esențială, iar scalarea fabricii este visul. Dimensiunea plachetei contează, de asemenea: Cu cât este mai mare, cu atât costul este mai mic - dar și complexitatea procesului crește. Acestea fiind spuse, am văzut furnizori care au trecut de la plachete de patru inci la plachete de opt inci, iar unii lucrează la precursori pentru plachete de 12 inci, care ar produce exponențial mai multe perechi de ochelari AR."
Aceste progrese ar trebui să contribuie la scăderea continuă a costurilor. Este încă devreme, dar viitorul începe să se contureze.
"La începutul oricărei noi revoluții tehnologice, încerci o grămadă de lucruri", spune Calafiore. "Uitați-vă la televizor: Am început cu tuburile catodice, apoi am trecut la televizoarele cu plasmă LED și acum la microLED-uri. Am trecut prin mai multe tehnologii și arhitecturi diferite. Pe măsură ce cauți, o mulțime de căi nu ajung nicăieri, dar există unele la care te întorci mereu ca fiind cele mai promițătoare. Nu suntem la capătul drumului și nu putem reuși singuri, dar carbura de siliciu este un material minunat care merită investiția."
"Lumea este trează acum", adaugă Silverstein. "Am demonstrat cu succes că carbura de siliciu poate fi flexibilă în electronică și fotonică. Este un material care ar putea avea aplicații viitoare în calculul cuantic. Și vedem semne că este posibil să reducem semnificativ costul. Mai sunt multe lucruri de făcut, dar potențialul este uriaș."
Aflați mai multe despre carbura de siliciu în Spectre fotonice.
Pentru mai multe informații despre Orion, consultați aceste articole de blog:
RO 
EN 
BG 
CS 
ET 
EL 
HR 
HU 
LT 
LV 
FR 
NL 
PL 
PT 
SL 
SK