0:00 / 0:00
V roku 2019 Orion tím pripravil pre zakladateľa a generálneho riaditeľa spoločnosti Meta Marka Zuckerberga dôležitú ukážku, ktorá predstavila potenciálne vlnovody pre okuliare s rozšírenou realitou-kľúčový moment, keď sa teoretické výpočty na papieri dostali do života. Bola to demonštrácia, ktorá všetko zmenila.
"Pri nosení okuliarov so sklenenými vlnovodmi a viacerými platničkami ste sa cítili ako na diskotéke," spomína optický vedec Pasqual Rivera. "Všade boli dúhy a bolo to také rušivé - ani ste sa nepozerali na obsah rozšírenej reality. Potom ste si nasadili okuliare s karbid kremíka vlnovodov a bolo to, akoby ste boli na symfónii a počúvali tichú klasickú skladbu. Mohli ste skutočne venovať pozornosť plnému zážitku z toho, čo sme stavali. Úplne to zmenilo pravidlá hry."
Napriek tomu, že voľba karbidu kremíka ako substrátu sa dnes zdá byť jasná (slovná hračka), keď sme sa prvýkrát vydali na cestu cesta k okuliarom AR pred desiatimi rokmi, bolo to niečo iné.
"Karbid kremíka je zvyčajne silne dopovaný dusíkom," hovorí Rivera. "Je zelený, a ak je dostatočne hrubý, vyzerá čierny. Nie je možné z neho vyrobiť optickú šošovku. Je to elektronický materiál. Existuje dôvod, prečo má takúto farbu, a to kvôli elektronickým vlastnostiam."
"Karbid kremíka je ako materiál známy už dlho," súhlasí Giuseppe Calafiore, technický vedúci spoločnosti AR Waveguides. "Jeho hlavnou aplikáciou je výkonná elektronika. Vezmite si napríklad elektrické vozidlá: Všetky elektromobily vyžadujú čip - ale tento čip musí byť schopný aj veľmi vysokého výkonu, pohybovať kolesami a poháňať túto vec. Ukázalo sa, že s bežným kremíkovým substrátom, z ktorého sa vyrábajú čipy, ktoré používame v našich počítačoch a elektronike, sa to nedá. Potrebujete platformu, ktorá vám umožní prechádzať vysokými prúdmi, vysokým výkonom, a tým materiálom je karbid kremíka."
Až do nedávnej diskusie o obnoviteľných zdrojoch energie, ktorá sa začala rozprúdiť, sa trh s týmito vysoko výkonnými čipmi ani zďaleka nepribližoval veľkosti trhu s čipmi pre spotrebnú elektroniku. Karbid kremíka bol vždy drahý a neexistovala veľká motivácia znižovať náklady, pretože pri veľkosti čipu, ktorý sa vyrába pre auto, bola cena substrátu únosná.
"Ukázalo sa však, že karbid kremíka má aj niektoré vlastnosti, ktoré potrebujeme pre vlnovody a optiku," hovorí Calafiore. "Kľúčovou vlastnosťou, ktorá nás zaujíma, je index lomu. A karbid kremíka má vysoký index lomu, čo znamená, že je schopný kanalizovať a vysielať veľké množstvo optických dát. Môžete si to predstaviť ako optickú šírku pásma - podobne ako máte šírku pásma pre internet a chcete, aby bola dostatočne veľká, aby ste mohli cez tento kanál posielať obrovské množstvo dát. To isté platí aj pre optické zariadenia."
Čím vyšší je index lomu materiálu, tým vyšší je jeho étendue, takže cez tento kanál môžete posielať viac optických údajov.
"Kanálom je v našom prípade vlnovod a väčší étendue znamená väčšie zorné pole," vysvetľuje Calafiore. "Čím väčší je index lomu materiálu, tým väčšie zorné pole môže displej podporovať."
Cesta k správnemu indexu lomu
Keď sa Calafiore v roku 2016 prvýkrát pripojil k vtedajšej spoločnosti Oculus Research, najvyšší index lomu skla, ktorý mal tím k dispozícii, bol 1,8 - čo si vyžadovalo stohovanie viacerých dosiek na dosiahnutie požadovaného zorného poľa. Odhliadnuc od nežiaducich optických artefaktov sa montážna linka stávala čoraz komplikovanejšou, pretože prvé dva vlnovody museli byť dokonale zarovnané a potom musel byť tento stoh dokonale zarovnaný s tretím vlnovodom.
"Nielenže to bolo drahé, ale hneď bolo jasné, že v okuliaroch nemôžu byť tri kusy skla na šošovku," spomína Calafiore. "Boli príliš ťažké a ich hrúbka bola neúnosne veľká a škaredá - nikto by si ich nekúpil. Takže sme sa vrátili na začiatok: snažili sme sa zvýšiť index lomu substrátu, aby sme znížili počet potrebných doštičiek."
Prvým materiálom, ktorý tím skúmal, bol niobát lítny, ktorý má index lomu približne 2,3, čo je o niečo viac ako sklo s indexom 1,8.
"Uvedomili sme si, že nám stačia dve dosky a možno by sme si vystačili aj s jednou doskou, aby sme stále pokryli zorné pole," hovorí Calafiore. "Takmer paralelne sme začali skúmať iné materiály - a tak sme v roku 2019 spolu s našimi dodávateľmi zistili, že karbid kremíka je vo svojej najčistejšej forme vlastne veľmi priehľadný. Zhodou okolností má tiež najvyšší známy index lomu pre optické aplikácie, ktorý je 2,7."
To je nárast o 17,4% oproti niobátu lítia a o 50% oproti sklu, pre tých, ktorí si doma vedú skóre.
"S niekoľkými úpravami toho istého zariadenia, ktoré sa už v priemysle používalo, bolo možné získať priehľadný karbid kremíka," hovorí Calafiore. "Stačilo zmeniť proces, byť oveľa opatrnejší a namiesto optimalizácie pre elektronické vlastnosti optimalizovať pre optické vlastnosti: priehľadnosť, rovnomernosť indexu lomu atď."
Potenciálne náklady na kompromis
V tom čase bol tím Reality Labs vôbec prvým, ktorý sa pokúsil prejsť z nepriehľadných kremíkovo-karbidových doštičiek na priehľadné. A keďže karbid kremíka je jedným z najtvrdších známych materiálov, na jeho rezanie alebo leštenie sú v podstate potrebné diamantové nástroje. V dôsledku toho boli jednorazové technické náklady veľmi vysoké, takže výsledný substrát bol pomerne drahý.
Hoci existujú aj nákladovo efektívnejšie alternatívy, ako pri každej technológii, každá z nich má svoje kompromisy. A keď sa zorné pole zväčšuje smerom k špičkovému zornému poľu Orion, ktoré je približne 70 stupňov, vznikajú nové problémy, ako napríklad duchovité obrazy a dúhy.
"Hľadanie optimálneho riešenia pre široký zorný uhol displeja rozšírenej reality je spojené s kompromismi medzi výkonom a nákladmi," vysvetľuje riaditeľ vedeckého výskumu Barry Silverstein. "Náklady sa často dajú znížiť, ale ak sa výkon nezníži, na nákladoch nakoniec nezáleží."
Obrazy duchov sú ako vizuálne ozveny primárneho obrazu premietaného na displej. Dúhy sú farebné svetelné pruhy, ktoré vznikajú pri odraze okolitého svetla od vlnovodu. "Povedzme, že jazdíte v noci a okolo vás sa pohybujú svetlá áut," hovorí Silverstein. "Budete mať dúhy, ktoré sa tiež pohybujú. Alebo ak ste na pláži a hráte volejbal a svieti slnko, budete mať dúhový pruh, ktorý sa pohybuje spolu s vami a vy miniete svoj záber. A jednou zo zázračných vlastností karbidu kremíka je, že sa týchto dúh zbaví."
"Ďalšou výhodou karbidu kremíka, ktorú nemá žiadny z ostatných materiálov, je tepelná vodivosť," dodáva Calafiore. "Plast je hrozný izolant. Sklo, niobát lítia, to isté. Keď prejdete na karbid kremíka, je priehľadný, vyzerá ako sklo a hádajte čo: vedie teplo."
V júli 2020 preto tím rozhodol, že karbid kremíka je optimálnou voľbou z troch hlavných dôvodov: Viedol k lepšiemu tvarovému faktoru, pretože vyžadoval len jednu dosku a menšie montážne štruktúry, mal lepšie optické vlastnosti a bol ľahší ako dvojdoskové sklo.
Tajomstvo šikmého leptania
Keď už sme mali materiál v hlave, ďalším orieškom bola výroba vlnovodov - konkrétne netradičná technika leptania mriežok nazývaná šikmé leptanie.
"Mriežka je nanoštruktúra, ktorá spája a oddeľuje svetlo zo šošovky," vysvetľuje Calafiore. "Aby karbid kremíka fungoval, musí byť mriežka šikmo leptaná. Namiesto vertikálnych línií chcete, aby boli línie mriežky šikmé."
"Boli sme prví, ktorí robili šikmé leptanie priamo na zariadeniach," hovorí vedúci výskumu Nihar Mohanty. "Celé odvetvie sa spoliehalo na nanotlač, ktorá nefunguje na substrátoch s takým vysokým indexom lomu. To je dôvod, prečo nikto iný na svete nepomyslel na to, že by mohol robiť karbid kremíka."
Keďže je však šikmé leptanie nezrelá technológia, väčšina dodávateľov a tovární na výrobu polovodičových čipov nemá potrebné nástroje.
"V roku 2019 sme s mojím vtedajším manažérom Mattom Colburnom založili vlastné zariadenie, pretože na svete neexistovalo nič, čo by dokázalo vyrábať leptané vlnovody z karbidu kremíka a kde by sme mohli overiť technológiu nad rámec laboratórneho meradla," vysvetľuje Mohanty. "Bola to obrovská investícia a vytvorili sme tam celé potrubie. Nástroje pre nás vyrobili naši partneri na zákazku a proces bol vyvinutý priamo v Mete, hoci naše systémy sú výskumné, pretože neexistovali žiadne výrobné systémy. Spolupracovali sme s výrobným partnerom na vývoji nástrojov a procesov na šikmé leptanie na výrobnej úrovni. A teraz, keď sme ukázali, čo je možné s karbidom kremíka, chceme, aby aj ostatní v tomto odvetví začali vyrábať vlastné nástroje."
Čím viac spoločností bude investovať do karbidu kremíka optickej kvality a vyvíjať zariadenia, tým silnejšia bude kategória spotrebiteľských okuliarov AR.
Už nie naháňať dúhy
Zatiaľ čo technologická nevyhnutnosť je mýtus, zdá sa, že hviezdy sú v prospech karbidu kremíka. A hoci tím pokračuje v skúmaní alternatív, je tu silný pocit, že sa v správnom čase a za správnych trhových podmienok zišli správni ľudia, aby vytvorili okuliare rozšírenej reality s použitím tohto materiálu.
"Spoločnosť Orion dokázala, že karbid kremíka je životaschopnou možnosťou pre okuliare na rozšírenú realitu," hovorí Silverstein, "a teraz vidíme záujem v celom dodávateľskom reťazci na troch rôznych kontinentoch, kde sa o to intenzívne zaujímajú. Karbid kremíka sa dostane na vrchol. Podľa mňa je to len otázka času."
A za ten čas sa môže stať veľa vecí - podobne ako sa otočili karty, odkedy sme vypestovali prvé kryštály číreho karbidu kremíka.
"Všetci títo výrobcovia karbidu kremíka masívne zvýšili dodávky v reakcii na očakávaný rozmach elektrických vozidiel," poznamenáva Calafiore. "Teraz je tu nadbytok kapacít, ktorý neexistoval, keď sme stavali Orion. Takže teraz, keď je ponuka vysoká a dopyt nízky, cena substrátu začala klesať."
"Dodávatelia sú veľmi nadšení novou príležitosťou výroby karbidu kremíka optickej kvality - veď každá vlnovodná šošovka predstavuje veľké množstvo materiálu v porovnaní s elektronickým čipom a všetky ich existujúce schopnosti sa vzťahujú na tento nový priestor," dodáva Silverstein. "Naplnenie továrne je nevyhnutné a zväčšenie továrne je sen. Dôležitá je aj veľkosť plátku: Čím väčší je wafer, tým nižšie sú náklady, ale zvyšuje sa aj zložitosť procesu. Napriek tomu sme videli, že dodávatelia prechádzajú zo štvorpalcových na osempalcové plátky a niektorí pracujú na predchodcoch 12-palcových plátkov, čo by prinieslo exponenciálne viac párov okuliarov na rozšírenú realitu."
Tieto pokroky by mali prispieť k ďalšiemu znižovaniu nákladov. Je ešte len začiatok, ale budúcnosť sa už čoraz viac približuje.
"Na začiatku každej novej technologickej revolúcie vyskúšate niekoľko vecí," hovorí Calafiore. "Pozrite sa na televíziu: Začali sme s katódovými trubicami, potom sme prešli na plazmové televízory LED a teraz na mikroLED. Prešli sme niekoľkými rôznymi technológiami a architektúrami. Keď hľadáte cestu, veľa ciest sa nikam nedostane, ale k niektorým sa stále vraciate ako k najsľubnejším. Nie sme na konci cesty a sami to nedokážeme, ale karbid kremíka je zázračný materiál, do ktorého sa oplatí investovať."
"Svet sa teraz zobudil," dodáva Silverstein. "Úspešne sme ukázali, že karbid kremíka sa môže ohýbať v elektronike a fotonike. Je to materiál, ktorý by sa v budúcnosti mohol uplatniť v kvantových počítačoch. A vidíme náznaky, že je možné výrazne znížiť náklady. Zostáva ešte veľa práce, ale potenciálny prínos je tu obrovský."
Ďalšie informácie o karbide kremíka nájdete v Fotonické spektrum.
Ďalšie informácie o spoločnosti Orion nájdete v týchto príspevkoch na blogu:
