Meta Orion揭秘：碳化硅波导及大FOV之路，引领AR革命
碳化硅波导及实现大视场之路
（映维网Nweon 2025年03月07日）在2024年举行的Connect大会中，马克·扎克伯格发布了增强现实眼镜Orion。Meta表示：“凭借行业领先的视场，碳化硅透镜，复杂的波导和投影仪等，Orion是我们迄今为止最先进，最精致的产品原型。”
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现在，Meta正积极介绍Orion的方方面面。继眼镜本身，外接计算组件和定制芯片之后，团队日前又介绍了碳化硅波导及实现大视场之路：
在2019年，Orion团队为Meta创始人兼首席执行官马克·扎克伯格准备了一次重要的技术演示，展示了AR眼镜的潜在波导。这是纸上理论计算变为现实的关键时刻，并且是一个改变了一切的技术演示。
光学科学家帕斯夸尔·里维拉（Pasqual Rivera）回忆道：“戴着这种带有玻璃波导的眼镜，感觉就像在迪斯科舞厅一样。到处都是彩虹伪影，这太过令人分心——你甚至不会注意到AR内容。但当你戴上带有碳化硅波导的眼镜时，你就好像在听交响乐，听一首安静的古典乐曲。你可以真正地关注我们正在构建的内容的完整体验。这完全改变了一切。”
然而，尽管今天选择碳化硅看起来十分明显，但当我们十年前第一次踏上AR眼镜之路时，情况绝非如此。
里维拉说道：“碳化硅通常大量掺氮。它是绿色的，如果它足够厚，它看起来是黑色的。你不可能把它做成光学透镜。它是一种电子材料。它的颜色是有原因的，那是因为它的电子特性。”
AR波导技术主管朱塞佩·卡拉菲奥雷（Giuseppe Calafiore）表示赞同：“碳化硅作为一种材料已经存在相当长的时间。它的主要应用是大功率电子产品。以电动汽车为例：所有的电动汽车都需要一枚芯片，但这枚芯片同时必须能够提供非常高的功率，以驱动车轮，驱动汽车。事实证明，你不能使用普通的硅衬底，亦即我们在电脑和电子产品中使用的芯片。你需要一个允许你通过大电流、高功率的平台，而这种材料就是碳化硅。”
这种高功率芯片组的市场规模远不及消费电子芯片的市场规模。碳化硅一直都是非常昂贵，而且没有太多的动力去降低成本，因为对于汽车芯片的尺寸来说，衬底的价格可以忍受。
卡拉菲奥雷说道：“但事实证明，碳化硅具有我们用于波导和光学器件的特定特性。折射率是我们关心的关键属性。碳化硅拥有非常高的折射率，这意味着它能够导入和输出大量的光学数据。你可以把它想象成光带宽——就像你有互联网的带宽一样，你希望它足够大，这样你就可以通过这个通道发送大量的数据。光学设备同样。”
材料的折射率越高，它的光通量就越高，所以你可以通过这个通道发送更多的光学数据。
卡拉菲奥雷解释道：“在我们的例子中，通道就是我们的波导，更大的光通量可以转换成更大的视场。材料的折射率越大，显示器可以支持的视场就越大。”
通往正确折射率之路
当卡拉菲奥雷在2016年首次加入当时的Oculus Research时，团队可以使用的最高折射率玻璃是1.8，而要达到理想的视场，你需要堆叠多个基板。除了不受欢迎的光学伪影外，装配线变得越来越复杂，因为前两个波导必须完全对齐，然后堆叠必须与第三个波导完全对齐。
卡拉菲奥雷回忆道：“这不仅价格昂贵，而且非常明显，一副眼镜的每个镜片不可能有三片玻璃。它们太重了，厚度又大又丑——没有人会买。所以我们又回到了原点：尝试提高基材的折射率，以减少所需的基板的数量。”
研究小组研究的第一种材料是铌酸锂，它的折射率大约是2.3，比玻璃的1.8高出很多。
卡拉菲奥雷指出：“我们意识到，我们只需要堆叠两个基板，甚至可以用一个基板来覆盖视场。几乎与此同时，我们开始研究其他材料——我们在2019年与供应商一起发现碳化硅最纯净的形式实际上是非常透明的。在光学应用中，它的折射率最高，达到2.7。”
这比铌酸锂高出17.4%，比玻璃高出50%，如果你是在记分的话。
卡拉菲奥雷表示：“对工业中已经使用的相同设备进行一定的修改，就有可能得到透明的碳化硅。你可以改变工艺，更加小心，不是优化电子性能，而是优化光学性能：透明度，折射率均匀性等。”
妥协的潜在代价
当时，Reality Labs团队是第一个尝试将不透明碳化硅晶圆转变为透明晶圆的团队。由于碳化硅是已知最硬的材料之一，它基本上需要钻石工具来切割或抛光。所以，非经常性工程成本非常高，所得到的基材相当昂贵。
与任何技术一样，尽管存在更具成本效益的替代方案，但它们都有利弊。随着视场的扩大（Orion的视场达到了业界领先的大约70度），新的问题出现了，比如伪影和彩虹效应。
研究科学总监巴里·西尔弗斯坦（Barry Silverstein）解释道：“寻找宽视场AR显示器的最佳解决方案充满了性能和成本之间的权衡。成本通常是可以降低的，但如果性能跟着降低，成本最终就变得无关紧要了。”
伪影就像投影到显示器的主图像的视觉回声，而彩虹效应则是由周围光线反射到波导而形成的彩色条纹。西尔弗斯坦指出：“假设你在晚上开车，周围有移动的车灯。你同样会看到会移动的彩虹。或者如果你在沙滩打排球，阳光灿烂，你同样会看到一道彩虹，它会随着你移动。碳化硅的神奇特性之一就是它可以消除这种彩虹效应。”
卡拉菲奥雷补充道：“碳化硅的另一个优点是其他材料都没有的：导热性。塑料是糟糕的绝缘体。玻璃，铌酸锂，都一样。碳化硅是透明的，看起来像玻璃，但你猜怎么着：它可以传导热量。”
所以在2020年7月，团队确定碳化硅是最佳选择，而这主要有三个原因：它可以改善形状参数，具有更好的光学性能，并且比双板玻璃更轻。
斜蚀刻的秘密
有了这种材料，下一个要解决的问题就是波导的制造。具体来说，是一种叫做斜蚀刻的非常规光栅技术。作为说明，这是一种通过控制蚀刻条件在材料表面形成倾斜侧壁或特定角度结构的微加工技术。
卡拉菲奥雷解释道：“光栅是一种纳米结构，它可以对来自透镜的光进行耦合。对于碳化硅，光栅需要倾斜蚀刻。而不是垂直。”
研究经理尼哈尔·莫汉蒂（Nihar Mohanty）指出：“我们是第一家直接在设备进行倾斜蚀刻的公司。整个行业过去都依赖于纳米压印，但这对于具有如此高折射率的基板不起作用。这就是为什么实际上没有其他人想过做碳化硅。”
但由于斜蚀刻是一项不成熟的技术，大多数半导体芯片供应商和工厂都缺乏必要的工具。
莫汉蒂解释道：“早在2019年，我当时的经理马特·科尔本（Matt Colburn）和我就建立了自己的工厂，因为世界上没有任何工具可以生产蚀刻碳化硅波导，我们可以在实验室规模之外证明这项技术。这是一笔巨大的投资，我们建立了整条管道。我们的合作伙伴为我们定制了工具，整个过程是Meta自己开发，因为我们的系统是研究级，没有生产级的系统。我们与制造合作伙伴合作开发制造级斜蚀刻工具和工艺。既然我们已经展示了碳化硅的潜力，我们希望行业内的其他人能够开始制造自己的工具。”
投资光学级碳化硅和开发设备的公司越多，消费级AR眼镜的类别就会变得越强。
不再有彩虹
命运似乎正朝着有利于碳化硅的方向发展。尽管团队依然在继续研究替代方案，但他们有一种强烈的感觉：在合适的市场条件下，合适的人会在合适的时间聚拢在一起，并使用这种材料制造AR眼镜。
西尔弗斯坦表示：“Orion证明碳化硅是AR眼镜的可行选择。我们现在看到三个不同大陆的供应链都对碳化硅感兴趣，他们都把它作为一个机会。碳化硅将会走在最前面。在我看来，这只是时间问题。”
在时间的行进路上，很多事情都有可能发生——就像我们培育出第一个透明碳化硅晶体以来，情况已经发生了翻天覆地的变化。
卡拉菲奥雷指出：“为了应对预期中的电动汽车热潮，碳化硅制造商都大幅增加了供应。现在，产能过剩是我们在制造Orion时所不存在的事情。所以现在由于供大于求，基板的成本已经开始下降。”
西尔弗斯坦补充道：“供应商对制造光学级碳化硅的新机会感到非常兴奋，毕竟，每个波导透镜相对于电子芯片而言都代表着大量的材料，他们现有的所有能力都适用于这个新领域。充实你的工厂必不可少，扩大你的工厂则是你的梦想。晶圆的尺寸同样重要：晶圆越大，成本越低——但工艺的复杂性将随之增加。我们已经看到供应商从4英寸晶圆转向8英寸晶圆，有的供应商正在研究12英寸晶圆的前体，而这将产生更多的AR眼镜。”
相关进步应该有助于继续降低成本。尽管现在只是早期阶段，但碳化硅正在成为焦点。
卡拉菲奥雷表示：“在任何新技术革命之初，你都会尝试一系列不同的方案。看看电视：我们从阴极射线管开始，然后是LED等离子电视，现在是Micro LED电视。我们尝试了多种不同的技术和架构。当你寻找路径时，很多路径最终都没有结果，但有的路径非常有希望。我们尚未走到路的尽头，而我们无法独自完成，但碳化硅是一种非常值得投资的神奇材料。”
西尔弗斯坦总结道：“世界现在已经醒悟。我们成功地证明了碳化硅可以应用在电子和光子学。这种材料未来可能会应用于量子计算。我们已经看到了显著降低成本的迹象。当然，还有很多工作要做，但潜在的好处是巨大的。”
