2019年，Meta Orion團(tuán)隊為扎克伯格做了一個關(guān)于AR眼鏡波導(dǎo)方案的演示，這個演示深刻影響了Meta AR眼鏡后來的發(fā)展脈絡(luò)。

Meta光學(xué)專家Pasqual Rivera回憶道，““戴上這種多個板疊加的玻璃波導(dǎo)眼鏡，感覺就像身處迪斯科舞廳。到處都是彩虹，非常分散注意力——你甚至沒有看到AR內(nèi)容。然后，你戴上帶有碳化硅波導(dǎo)的眼鏡，就像在交響樂中聆聽安靜的古典樂曲。你實際上可以關(guān)注我們正在構(gòu)建的完整體驗。這完全改變了游戲規(guī)則。”

盡管今天選擇碳化硅波導(dǎo)似乎已經(jīng)很明確，但十年前Meta首次開始研究AR眼鏡時，情況卻并非如此。Rivera指出，“碳化硅通常大量摻雜氮，它是綠色的，如果厚度足夠，看起來就會是黑色。你不可能用它做光學(xué)透鏡。它是一種電子材料。它之所以是這種顏色是有原因的，這是因為它的電子特性。”

Meta AR波導(dǎo)技術(shù)主管Giuseppe Calafiore表示，“碳化硅作為一種材料已經(jīng)存在了很長時間，它的主要應(yīng)用是高功率電子產(chǎn)品。以電動汽車為例：所有電動汽車都需要一個芯片——該芯片必須能夠提供非常高的功率，用以移動車輪并驅(qū)動這個東西。事實證明，你不能跟普通消費電子產(chǎn)品一樣用硅基板來做到這一點，你需要一個能夠通過高電流、高功率的平臺，而這種材料就是碳化硅。”碳化硅一直很昂貴，而且并沒有太多動力去降低成本，因為對于汽車芯片的尺寸來說，基板的價格是可以接受的。

Calafiore表示，“事實證明，碳化硅也具有波導(dǎo)和光學(xué)所需的一些特性，比如說折射率。碳化硅具有高折射率，這意味著它能夠傳輸和輸出大量光學(xué)數(shù)據(jù)。你可以把它看作是光學(xué)帶寬——就像你有互聯(lián)網(wǎng)的帶寬，你希望它足夠大，這樣你就可以通過這個通道發(fā)送大量數(shù)據(jù)。光學(xué)設(shè)備也是如此。”

材料的折射率越高，其光學(xué)擴(kuò)展量就越高，因此可以通過該通道發(fā)送更多的光學(xué)數(shù)據(jù)。更大的光學(xué)擴(kuò)展量意味著更大的視野。

獲得正確折射率的道路

2016年，當(dāng)Calafiore首次加入Oculus Research時（Reality Labs前身），團(tuán)隊所能使用的最高折射率玻璃為1.8，這需要堆疊多個玻璃板才能實現(xiàn)所需的視野。除了不良的光學(xué)偽影之外，裝配線變得越來越復(fù)雜，因為前兩個波導(dǎo)必須完美對齊，然后該堆疊必須與第三個波導(dǎo)完美對齊。

“不僅價格昂貴，而且很明顯，一副眼鏡中不可能每個鏡片都使用三片玻璃，它們太重了，而且厚度過大且不好看——沒人會買。所以我們又回到原點：試圖提高基板的折射率，以減少所需的板數(shù)。”

研究團(tuán)隊研究的第一種材料是鈮酸鋰，其折射率約為2.3，比玻璃的1.8高出不少。Calafiore表示，“我們意識到，我們只需要堆疊兩塊板，甚至用一塊板就可以覆蓋視野。幾乎與此同時，我們開始研究其他材料：也就是我們在2019年與供應(yīng)商一起發(fā)現(xiàn)的碳化硅。它在最純凈的形式下實際上是非常透明的，并且恰好具有光學(xué)應(yīng)用中已知的最高折射率，即 2.7。”這比鈮酸鋰增加了17.4%，比玻璃增加了50%。

Calafiore表示，“只需對行業(yè)內(nèi)已使用的設(shè)備進(jìn)行一些修改，就可以獲得透明的碳化硅。你只需改變工藝，更加小心，不是優(yōu)化電子特性，而是優(yōu)化光學(xué)特性：透明度、折射率的均勻性等。”

妥協(xié)的潛在成本

當(dāng)時，Reality Labs團(tuán)隊是第一個嘗試將不透明碳化硅晶片轉(zhuǎn)變?yōu)橥该骶膱F(tuán)隊。由于碳化硅是已知最硬的材料之一，因此需要使用金剛石一類的工具來切割或拋光它。非經(jīng)常性工程成本非常高，使得最終的基板非常昂貴。

雖然存在更具成本效益的替代方案，但與任何技術(shù)一樣，它們各有優(yōu)缺點。隨著視野朝著Orion追求的70°方向發(fā)展，新的問題也隨之出現(xiàn)，例如重影和彩虹。

研究科學(xué)總監(jiān)Barry Silverstein解釋道：“尋找廣角AR顯示器的最佳解決方案需要權(quán)衡性能和成本。成本通?？梢越档?，但如果性能無法降低，成本最終就無關(guān)緊要了。”重影就像投射到顯示屏上的主圖像的視覺回聲。彩虹是環(huán)境光從波導(dǎo)反射時產(chǎn)生的彩色光條紋。“假設(shè)你在夜間開車，周圍有車燈移動，你也會看到移動的彩虹?；蛘呷绻阍诤┥洗蚺徘?，陽光明媚，你會看到一條跟著你移動的彩虹條紋，你會錯過射門。碳化硅的神奇特性之一就是它可以消除這些彩虹。”

“碳化硅的另一個優(yōu)勢是導(dǎo)熱性，這是其他材料所不具備的。”Calafiore指出，“塑料是一種糟糕的絕緣體。玻璃、鈮酸鋰也是一樣。碳化硅是透明的，看起來像玻璃，你猜怎么著：它能導(dǎo)熱。”

因此，在2020年7月，團(tuán)隊確定將碳化硅視為最佳選擇，主要有三個原因：它可以改善外形尺寸，因為它只需要一塊板和更小的安裝結(jié)構(gòu)，它具有更好的光學(xué)性能，而且比雙層玻璃更輕。

傾斜蝕刻的秘密

考慮到材料問題，下一個要解決的問題就是波導(dǎo)的制造，具體來說，是一種名為傾斜蝕刻的非常規(guī)光柵技術(shù)。

Calafiore指出，“光柵是一種納米結(jié)構(gòu)，用于耦合和輸出來自透鏡的光。為了使碳化硅發(fā)揮作用，光柵需要傾斜蝕刻。光柵的線條不是垂直的，而是斜著的。”

研究經(jīng)理Nihar Mohanty則表示，“我們是第一批直接在設(shè)備上進(jìn)行斜面蝕刻的公司。過去整個行業(yè)都依賴于納米壓印，但這對于折射率如此高的基板不起作用。這就是為什么世界上沒有其他人想過使用碳化硅的原因。”

由于斜向蝕刻技術(shù)尚不成熟，大多數(shù)半導(dǎo)體芯片供應(yīng)商和工廠缺乏必要的工具。Mohanty說道，“早在2019年，我當(dāng)時的經(jīng)理Matt Colburn和我建立了自己的工廠，因為世界上沒有任何東西可以生產(chǎn)蝕刻碳化硅波導(dǎo)，我們在那里可以證明這項技術(shù)在實驗室規(guī)模之外的可行性。這是一筆巨大的投資，我們在那里建立了整個管道。工具是由我們的合作伙伴為我們定制的，工藝是在Meta內(nèi)部開發(fā)的，盡管我們的系統(tǒng)是研究級的，因為當(dāng)時沒有制造級的系統(tǒng)。我們與一家制造合作伙伴合作開發(fā)了制造級傾斜蝕刻工具和工藝?，F(xiàn)在我們已經(jīng)展示了碳化硅的可能性，我們希望業(yè)內(nèi)其他人也能開始制造自己的工具。”投入光學(xué)級碳化硅和開發(fā)設(shè)備的公司越多，消費級AR眼鏡的類別就會變得越強大。

商業(yè)化節(jié)點來臨

盡管該團(tuán)隊仍在繼續(xù)研究替代方案，但人們強烈地感覺到，在正確的時間、正確的市場條件下，正確的人聚集在一起，使用碳化硅制造AR眼鏡會是未來，它正處于有利的位置。

Silverstein指出，“Orion 證明了碳化硅是AR眼鏡的可行選擇。我們現(xiàn)在看到三個大洲的供應(yīng)鏈都對此感興趣，他們正在大力尋求這一機會。碳化硅將勝出。在我看來，這只是時間問題。”

這段時間里可能會發(fā)生很多事情——就像我們培育出第一塊透明碳化硅晶體以來情況發(fā)生的變化一樣。

Calafiore透露，“所有這些碳化硅制造商都大幅增加了供應(yīng)量，以應(yīng)對預(yù)期的電動汽車熱潮。產(chǎn)能過剩的情況在我們建造Orion時并不存在。不過到了現(xiàn)在，由于供應(yīng)高于需求，基板的成本已經(jīng)開始下降。供應(yīng)商對制造光學(xué)級碳化硅的新機會感到非常興奮——畢竟，他們現(xiàn)有的所有能力都適用于這個新領(lǐng)域。當(dāng)然，晶圓的尺寸也很重要：晶圓越大，成本越低。我們已經(jīng)看到供應(yīng)商從4英寸晶圓轉(zhuǎn)向8英寸晶圓，有些供應(yīng)商甚至已經(jīng)在研發(fā)12英寸晶圓的前身，這將使AR眼鏡的數(shù)量成倍增加。”

這些進(jìn)步應(yīng)該有助于繼續(xù)降低成本?，F(xiàn)在還為時過早，但未來正在逐漸明朗。

Calafiore指出，“在任何新技術(shù)革命的開始，你都會嘗試很多東西。以電視為例：我們從陰極射線管開始，然后是LED等離子電視，現(xiàn)在是microLED。我們經(jīng)歷了幾種不同的技術(shù)和架構(gòu)。當(dāng)你尋找路徑時，很多路徑最終都會無果而終，但有些路徑會讓你不斷回到最有希望的方向。我們還沒有走到盡頭，我們無法獨自完成，但碳化硅是一種值得投資的神奇材料。我們已經(jīng)成功證明碳化硅可以在電子和光子學(xué)領(lǐng)域靈活運用。這種材料未來可能應(yīng)用于量子計算。而且我們看到有跡象表明，碳化硅的成本有可能大幅降低。還有很多工作要做，但其潛在優(yōu)勢巨大。”