2019年，Meta Orion团队为扎克伯格做了一个关于AR眼镜波导方案的演示，这个演示深刻影响了Meta AR眼镜后来的发展脉络。

Meta光学专家Pasqual Rivera回忆道，““戴上这种多个板叠加的玻璃波导眼镜，感觉就像身处迪斯科舞厅。到处都是彩虹，非常分散注意力——你甚至没有看到AR内容。然后，你戴上带有碳化硅波导的眼镜，就像在交响乐中聆听安静的古典乐曲。你实际上可以关注我们正在构建的完整体验。这完全改变了游戏规则。”

尽管今天选择碳化硅波导似乎已经很明确，但十年前Meta首次开始研究AR眼镜时，情况却并非如此。Rivera指出，“碳化硅通常大量掺杂氮，它是绿色的，如果厚度足够，看起来就会是黑色。你不可能用它做光学透镜。它是一种电子材料。它之所以是这种颜色是有原因的，这是因为它的电子特性。”

Meta AR波导技术主管Giuseppe Calafiore表示，“碳化硅作为一种材料已经存在了很长时间，它的主要应用是高功率电子产品。以电动汽车为例：所有电动汽车都需要一个芯片——该芯片必须能够提供非常高的功率，用以移动车轮并驱动这个东西。事实证明，你不能跟普通消费电子产品一样用硅基板来做到这一点，你需要一个能够通过高电流、高功率的平台，而这种材料就是碳化硅。”碳化硅一直很昂贵，而且并没有太多动力去降低成本，因为对于汽车芯片的尺寸来说，基板的价格是可以接受的。

Calafiore表示，“事实证明，碳化硅也具有波导和光学所需的一些特性，比如说折射率。碳化硅具有高折射率，这意味着它能够传输和输出大量光学数据。你可以把它看作是光学带宽——就像你有互联网的带宽，你希望它足够大，这样你就可以通过这个通道发送大量数据。光学设备也是如此。”

材料的折射率越高，其光学扩展量就越高，因此可以通过该通道发送更多的光学数据。更大的光学扩展量意味着更大的视野。

获得正确折射率的道路

2016年，当Calafiore首次加入Oculus Research时（Reality Labs前身），团队所能使用的最高折射率玻璃为1.8，这需要堆叠多个玻璃板才能实现所需的视野。除了不良的光学伪影之外，装配线变得越来越复杂，因为前两个波导必须完美对齐，然后该堆叠必须与第三个波导完美对齐。

“不仅价格昂贵，而且很明显，一副眼镜中不可能每个镜片都使用三片玻璃，它们太重了，而且厚度过大且不好看——没人会买。所以我们又回到原点：试图提高基板的折射率，以减少所需的板数。”

研究团队研究的第一种材料是铌酸锂，其折射率约为2.3，比玻璃的1.8高出不少。Calafiore表示，“我们意识到，我们只需要堆叠两块板，甚至用一块板就可以覆盖视野。几乎与此同时，我们开始研究其他材料：也就是我们在2019年与供应商一起发现的碳化硅。它在最纯净的形式下实际上是非常透明的，并且恰好具有光学应用中已知的最高折射率，即 2.7。”这比铌酸锂增加了17.4%，比玻璃增加了50%。

Calafiore表示，“只需对行业内已使用的设备进行一些修改，就可以获得透明的碳化硅。你只需改变工艺，更加小心，不是优化电子特性，而是优化光学特性：透明度、折射率的均匀性等。”

妥协的潜在成本

当时，Reality Labs团队是第一个尝试将不透明碳化硅晶片转变为透明晶片的团队。由于碳化硅是已知最硬的材料之一，因此需要使用金刚石一类的工具来切割或抛光它。非经常性工程成本非常高，使得最终的基板非常昂贵。

虽然存在更具成本效益的替代方案，但与任何技术一样，它们各有优缺点。随着视野朝着Orion追求的70°方向发展，新的问题也随之出现，例如重影和彩虹。

研究科学总监Barry Silverstein解释道：“寻找广角AR显示器的最佳解决方案需要权衡性能和成本。成本通常可以降低，但如果性能无法降低，成本最终就无关紧要了。”重影就像投射到显示屏上的主图像的视觉回声。彩虹是环境光从波导反射时产生的彩色光条纹。“假设你在夜间开车，周围有车灯移动，你也会看到移动的彩虹。或者如果你在海滩上打排球，阳光明媚，你会看到一条跟着你移动的彩虹条纹，你会错过射门。碳化硅的神奇特性之一就是它可以消除这些彩虹。”

“碳化硅的另一个优势是导热性，这是其他材料所不具备的。”Calafiore指出，“塑料是一种糟糕的绝缘体。玻璃、铌酸锂也是一样。碳化硅是透明的，看起来像玻璃，你猜怎么着：它能导热。”

因此，在2020年7月，团队确定将碳化硅视为最佳选择，主要有三个原因：它可以改善外形尺寸，因为它只需要一块板和更小的安装结构，它具有更好的光学性能，而且比双层玻璃更轻。

倾斜蚀刻的秘密

考虑到材料问题，下一个要解决的问题就是波导的制造，具体来说，是一种名为倾斜蚀刻的非常规光栅技术。

Calafiore指出，“光栅是一种纳米结构，用于耦合和输出来自透镜的光。为了使碳化硅发挥作用，光栅需要倾斜蚀刻。光栅的线条不是垂直的，而是斜着的。”

研究经理Nihar Mohanty则表示，“我们是第一批直接在设备上进行斜面蚀刻的公司。过去整个行业都依赖于纳米压印，但这对于折射率如此高的基板不起作用。这就是为什么世界上没有其他人想过使用碳化硅的原因。”

由于斜向蚀刻技术尚不成熟，大多数半导体芯片供应商和工厂缺乏必要的工具。Mohanty说道，“早在2019年，我当时的经理Matt Colburn和我建立了自己的工厂，因为世界上没有任何东西可以生产蚀刻碳化硅波导，我们在那里可以证明这项技术在实验室规模之外的可行性。这是一笔巨大的投资，我们在那里建立了整个管道。工具是由我们的合作伙伴为我们定制的，工艺是在Meta内部开发的，尽管我们的系统是研究级的，因为当时没有制造级的系统。我们与一家制造合作伙伴合作开发了制造级倾斜蚀刻工具和工艺。现在我们已经展示了碳化硅的可能性，我们希望业内其他人也能开始制造自己的工具。”投入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大。

商业化节点来临

尽管该团队仍在继续研究替代方案，但人们强烈地感觉到，在正确的时间、正确的市场条件下，正确的人聚集在一起，使用碳化硅制造AR眼镜会是未来，它正处于有利的位置。

Silverstein指出，“Orion 证明了碳化硅是AR眼镜的可行选择。我们现在看到三个大洲的供应链都对此感兴趣，他们正在大力寻求这一机会。碳化硅将胜出。在我看来，这只是时间问题。”

这段时间里可能会发生很多事情——就像我们培育出第一块透明碳化硅晶体以来情况发生的变化一样。

Calafiore透露，“所有这些碳化硅制造商都大幅增加了供应量，以应对预期的电动汽车热潮。产能过剩的情况在我们建造Orion时并不存在。不过到了现在，由于供应高于需求，基板的成本已经开始下降。供应商对制造光学级碳化硅的新机会感到非常兴奋——毕竟，他们现有的所有能力都适用于这个新领域。当然，晶圆的尺寸也很重要：晶圆越大，成本越低。我们已经看到供应商从4英寸晶圆转向8英寸晶圆，有些供应商甚至已经在研发12英寸晶圆的前身，这将使AR眼镜的数量成倍增加。”

这些进步应该有助于继续降低成本。现在还为时过早，但未来正在逐渐明朗。

Calafiore指出，“在任何新技术革命的开始，你都会尝试很多东西。以电视为例：我们从阴极射线管开始，然后是LED等离子电视，现在是microLED。我们经历了几种不同的技术和架构。当你寻找路径时，很多路径最终都会无果而终，但有些路径会让你不断回到最有希望的方向。我们还没有走到尽头，我们无法独自完成，但碳化硅是一种值得投资的神奇材料。我们已经成功证明碳化硅可以在电子和光子学领域灵活运用。这种材料未来可能应用于量子计算。而且我们看到有迹象表明，碳化硅的成本有可能大幅降低。还有很多工作要做，但其潜在优势巨大。”