0:00 / 0:00
V letu 2019 je Orion ekipa je za ustanovitelja in izvršnega direktorja Mete Marka Zuckerberga pripravila pomembno predstavitev, v kateri je predstavila potencialne valovode za očala za razširjeno resničnost-ključni trenutek, ko so teoretični izračuni na papirju zaživeli. To je bila demonstracija, ki je spremenila vse.
"Ko ste nosili očala s steklenimi valovodi in številnimi ploščami, ste se počutili kot v diskoteki," se spominja optični znanstvenik Pasqual Rivera. "Povsod so bile mavrice in to je bilo tako moteče, da sploh niste gledali vsebine AR. Potem si nadenete očala z silicijev karbid valovodov in občutek je bil, kot da bi na simfoniji poslušali tiho, klasično skladbo. Lahko si bil pozoren na celotno izkušnjo tega, kar smo gradili. To je popolnoma spremenilo pravila igre."
Vendar se zdi izbira silicijevega karbida kot substrata danes še tako jasna (besedna igra), ko smo se prvič podali na pot pot do očal AR pred desetletjem, je bilo vse prej kot to.
"Silicijev karbid je običajno močno dopiran z dušikom," pravi Rivera. "Je zelene barve, in če je dovolj debel, je videti črn. Iz njega ni mogoče narediti optične leče. To je elektronski material. Ne brez razloga ima takšno barvo, in sicer zaradi elektronskih lastnosti."
"Silicijev karbid je že dolgo časa material," se strinja Giuseppe Calafiore, tehnični vodja družbe AR Waveguides. "Njegova glavna uporaba je visokozmogljiva elektronika. Vzemimo za primer električna vozila: Vsa električna vozila potrebujejo čip - vendar mora biti ta čip zmožen tudi zelo visoke moči, premikati kolesa in poganjati to stvar. Izkazalo se je, da tega ne morete storiti z običajnim silicijevim substratom, iz katerega so narejeni čipi, ki jih uporabljamo v naših računalnikih in elektroniki. Potrebuješ platformo, ki omogoča visoke tokove in visoko moč, in ta material je silicijev karbid."
Do nedavnega, ko so se začele razprave o obnovljivih virih energije, trg teh visokozmogljivih čipov ni bil niti približno tako velik kot trg čipov za potrošniško elektroniko. Silicijev karbid je bil vedno drag in ni bilo veliko spodbud za zniževanje stroškov, saj je bila cena substrata sprejemljiva za velikost čipa, ki se izdeluje za avtomobil.
"Vendar se je izkazalo, da ima silicijev karbid tudi nekatere lastnosti, ki jih potrebujemo za valovode in optiko," pravi Calafiore. "Ključna lastnost, ki nas zanima, je lomni količnik. Silicijev karbid ima visok lomni količnik, kar pomeni, da lahko prevaja in oddaja veliko količino optičnih podatkov. To si lahko predstavljamo kot optično pasovno širino - tako kot imate pasovno širino za internet in želite, da je dovolj velika, da lahko po tem kanalu pošiljate velike količine podatkov. Enako velja za optične naprave."
Večji kot je lomni količnik materiala, večji je njegov étenduezato lahko po tem kanalu pošljete več optičnih podatkov.
"Kanal je v našem primeru valovod, večji etendue pa pomeni večje vidno polje," pojasnjuje Calafiore. "Večji kot je lomni količnik materiala, večje vidno polje lahko zaslon podpira."
Pot do pravega lomnega količnika
Ko se je Calafiore leta 2016 prvič pridružil takratni ekipi Oculus Research, je bil najvišji lomni količnik stekla, ki ga je imela ekipa na voljo, 1,8, kar je zahtevalo zlaganje več plošč, da bi dosegli želeno vidno polje. Poleg nezaželenih optičnih artefaktov je montažna linija postajala vse bolj zapletena, saj sta morala biti prva dva valovoda popolnoma poravnana, nato pa je moral biti ta kup popolnoma poravnan s tretjim valovodom.
"Ne samo, da je bilo to drago, takoj je bilo tudi jasno, da v paru očal ne morete imeti treh kosov stekla na lečo," se spominja Calafiore. "Bila so pretežka, debelina je bila prevelika in grda - nihče jih ne bi kupil. Zato smo se vrnili na začetek: poskušali smo povečati lomni količnik podlage, da bi zmanjšali število potrebnih plošč."
Prvi material, ki ga je skupina preučila, je bil litijev niobatki ima lomni količnik približno 2,3, kar je precej več kot steklo (1,8).
"Ugotovili smo, da bi morali zložiti le dve plošči in da bi lahko morda celo z eno ploščo pokrili vidno polje," pravi Calafiore. "Skoraj vzporedno smo začeli preučevati druge materiale - tako smo skupaj z našimi dobavitelji leta 2019 ugotovili, da je silicijev karbid v svoji najčistejši obliki dejansko zelo prozoren. Prav tako ima največji lomni količnik, ki je znan za optično uporabo, in sicer 2,7."
To je 17,4% več kot pri litijevem niobatu in 50% več kot pri steklu, za tiste, ki doma vodijo račun.
"Z nekaj spremembami iste opreme, ki se je že uporabljala v industriji, je bilo mogoče pridobiti prozoren silicijev karbid," pravi Calafiore. "Lahko bi samo spremenili postopek, bili veliko bolj previdni in namesto za elektronske lastnosti bi optimizirali za optične lastnosti: preglednost, enakomernost lomnega količnika itd."
Potencialni stroški kompromisa
Takrat je bila ekipa Reality Labs prva, ki je sploh poskusila preiti z neprozornih silicijevokarbidnih ploščic na prozorne. Ker je silicijev karbid eden najtrših znanih materialov, je za njegovo rezanje ali poliranje v bistvu potrebno diamantno orodje. Zaradi tega so bili enkratni inženirski stroški zelo visoki, zato je bila nastala podlaga precej draga.
Čeprav obstajajo stroškovno učinkovitejše alternative, pa imajo tako kot pri vsaki tehnologiji tudi te svoje kompromise. Z večanjem vidnega polja v smeri Orionovega najboljšega vidnega polja v panogi, ki znaša približno 70 stopinj, se pojavijo nove težave, kot so slike duhov in mavrice.
"Pri iskanju optimalne rešitve za zaslon AR s širokim vidnim poljem je treba iskati kompromise med zmogljivostjo in stroški," pojasnjuje Barry Silverstein, direktor znanstvenih raziskav. "Stroške je pogosto mogoče znižati, vendar če zmogljivost ne bo zadostovala, stroški na koncu ne bodo pomembni."
Slike duhov so kot vizualni odmev primarne slike, ki se projicira na zaslon. Mavrice so barvni svetlobni prameni, ki nastanejo, ko se svetloba iz okolice odbije od valovoda. "Recimo, da se vozite ponoči in okoli vas se premikajo avtomobilske luči," pravi Silverstein. "Tudi mavrice se bodo premikale. Ali če igrate odbojko na plaži in sije sonce, boste dobili mavrično črto, ki se premika skupaj z vami, in boste zgrešili strel. Ena od čudežnih lastnosti silicijevega karbida je, da se znebi teh mavric."
"Druga prednost silicijevega karbida, ki je nima noben drug material, je toplotna prevodnost," dodaja Calafiore. "Plastika je grozen izolator. Steklo, litijev niobat, enako. Silicijev karbid je prozoren, videti je kot steklo in uganite kaj: prevaja toploto."
Julija 2020 je ekipa ugotovila, da je silicijev karbid optimalna izbira zaradi treh glavnih razlogov: Ker zahteva le eno ploščo in manjše montažne strukture, ima boljše optične lastnosti in je lažji od stekla z dvema ploščama, je omogočil izboljšano obliko.
Skrivnost poševnega jedkanja
Ko je bil material pripravljen, je bilo treba razvozlati še izdelavo valovodov - in sicer z nekonvencionalno tehniko jedkanja rešetk, imenovano poševno jedkanje.
"Rešetka je nanostruktura, ki povezuje in razvezuje svetlobo iz leče," pojasnjuje Calafiore. "Da bi silicijev karbid deloval, je treba rešetko poševno jedkati. Namesto da bi bile navpične, morajo biti linije rešetke nagnjene poševno."
"Bili smo prvi, ki smo izvedli poševno jedkanje neposredno na napravah," pravi vodja raziskav Nihar Mohanty. "Celotna industrija se je prej zanašala na nanotisk, ki pa ni primeren za podlage s tako visokim lomnim količnikom. Zato še nihče na svetu ni razmišljal o silicijevem karbidu."
Ker pa je poševno jedkanje nezrela tehnologija, večina dobaviteljev in tovarn polprevodniških čipov nima potrebnih orodij.
"Leta 2019 sva s takratnim vodjo Mattom Colburnom ustanovila lasten obrat, saj na svetu ni bilo ničesar, kar bi lahko izdelovalo jedkane valovode iz silicijevega karbida in kjer bi lahko preizkusili tehnologijo zunaj laboratorijskih mer," pojasnjuje Mohanty. "To je bila velika naložba, v kateri smo vzpostavili celoten cevovod. Orodja so nam po meri izdelali naši partnerji, postopek pa smo razvili v podjetju Meta, čeprav so naši sistemi raziskovalni, ker ni bilo sistemov za proizvodnjo. Pri razvoju orodij in procesov za poševno jedkanje, primernih za proizvodnjo, smo sodelovali s proizvodnim partnerjem. In zdaj, ko smo pokazali, kaj je mogoče s silicijevim karbidom, želimo, da bi tudi drugi v industriji začeli izdelovati lastna orodja."
Več podjetij, ki vlagajo v silicijev karbid optične kakovosti in razvijajo opremo, bo okrepilo kategorijo potrošniških očal AR.
Nič več v lovu za mavrico
Medtem ko tehnološka neizogibnost je mit, se zdi, da se zvezde vsekakor postavljajo v prid silicijevega karbida. Čeprav ekipa še naprej raziskuje alternative, se zdi, da so se pravi ljudje ob pravem času in v pravih tržnih razmerah zbrali, da bi izdelali očala AR iz tega materiala.
"Orion je dokazal, da je silicijev karbid izvedljiva možnost za očala AR," pravi Silverstein, "in zdaj opažamo zanimanje v dobavni verigi na treh različnih celinah, kjer to priložnost intenzivno iščejo. Silicijev karbid bo na vrhu. Po mojem mnenju je to samo vprašanje časa."
V tem času se lahko zgodi marsikaj - podobno kot se je obrnilo dogajanje, odkar smo vzgojili prve kristale čistega silicijevega karbida.
"Vsi ti proizvajalci silicijevega karbida so zaradi pričakovanega razcveta električnih vozil močno povečali ponudbo," ugotavlja Calafiore. "Zdaj je presežek zmogljivosti, ki ga ni bilo, ko smo gradili Orion. Ker je ponudba velika, povpraševanje pa majhno, se je cena substrata začela zniževati."
"Dobavitelji so zelo navdušeni nad novo možnostjo proizvodnje optičnega silicijevega karbida - navsezadnje vsaka valovodna leča predstavlja veliko količino materiala v primerjavi z elektronskim čipom in vse njihove obstoječe zmogljivosti veljajo za ta novi prostor," dodaja Silverstein. "Zapolnitev tovarne je bistvenega pomena, razširitev tovarne pa so sanje. Pomembna je tudi velikost rezin: Večja kot je ploščica, nižji so stroški, vendar se poveča tudi zapletenost postopka. Kljub temu smo videli, da dobavitelji prehajajo s štiri- in osempalčnih na osempalčne rezine, nekateri pa delajo na predhodnikih 12-palčnih rezin, kar bi omogočilo eksponentno več parov očal AR."
Ti dosežki naj bi pripomogli k nadaljnjemu zniževanju stroškov. Še vedno je zgodaj, vendar se prihodnost že izrisuje.
"Na začetku vsake nove tehnološke revolucije preizkusite več stvari," pravi Calafiore. "Poglejte televizijo: Začeli smo s katodnimi cevmi, nato smo prešli na plazemske televizorje LED in zdaj na mikroLED. Šli smo skozi več različnih tehnologij in arhitektur. Pri iskanju poti se veliko poti ne konča nikjer, vendar se k nekaterim vedno znova vračamo kot k najbolj obetavnim. Nismo na koncu poti in tega ne moremo storiti sami, vendar je silicijev karbid čudovit material, v katerega je vredno vlagati."
"Svet se je prebudil," dodaja Silverstein. "Uspešno smo pokazali, da se silicijev karbid lahko upogne v elektroniki in fotoniki. To je material, ki bi se lahko v prihodnosti uporabljal pri kvantnem računalništvu. Vidimo tudi znake, da je mogoče znatno znižati stroške. Pred nami je še veliko dela, vendar je potencialna prednost tega področja ogromna."
Več o silicijevem karbidu v Fotonika Spektra.
Če želite več informacij o Orionu, si oglejte te objave na blogu:
