光子芯片技术推动3D打印成本降低与效率提升

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导读：光子芯片或将彻底改变诸多工艺流程和电子设备，包括 3D 打印。光子芯片、光子集成电路的发展、硅光子学、光阀、集成量子光子学，以及手机中值得信赖的 CMOS 芯片——它们如同同行者，共同努力，创造一个新世界。数十亿电子设备的需求、互联世界所需的传感器、光刻技术的不断发展、苹果和英伟达等公司的成功、GPU 的诞生，以及台积电的代工模式，都是实现这一目标的关键因素。如果这些经济实力还不够的话，更先进的光纤通信、量子计算、显示器等等都可以从光子学中受益。

光子学是一个快速发展的领域，它涉及光的管理、传输和接收。光子以光速传播，利用程度越高，所有通信的速度和带宽就越高。同时，光子学可以更可靠、生产成本更低、功耗更低。一个典型的例子是光子集成电路 (PIC) 和其他片上系统 (SoC) 应用，这些应用可以将许多功能集成在一个电路上。这些应用可用于云计算、传感器和激光雷达。现在，专用 PIC（ASPIC、PASIC）也在不断发展，而可编程光子学则使芯片的功能更加多样化。

整个光子学市场规模可能高达9000亿美元，其中PIC市场规模可能达到150亿美元，而硅光子学市场规模可能超过20亿美元。2024年发表在《自然》期刊上一篇题为“Silicon-photonics-enabledchip-based 3D printer”的杂志论文，由德克萨斯大学奥斯汀分校和麻省理工学院的研究人员Sabrina Corsetti、Milica Notaros、Tal Sneh、Alex Stafford、Zachariah A. Page和Jelena Notaros共同撰写，探讨了如何将硅光子技术应用于基于芯片的3D打印机。这种技术的优势显而易见：单个芯片即可承担打印机的大部分机械功能，同时还能取代光源。

由于没有移动部件，打印机变得更简单，制造和操作成本也可能大幅降低。这不仅对光源供应商，而且对光引擎供应商和原始设备制造商 (OEM) 也会产生巨大的潜在影响。光子学可能是3D打印领域有史以来最重大的颠覆性技术，它还能大幅降低某些 3D 打印机的成本，使其与众不同。Agate Sensors 等公司承诺将光谱分析简化为基于芯片的工艺。

毫不奇怪，目前大量风险投资正在支持人工智能、数据中心和通信领域的光子学。PHOTON IP 希望以更低的成本制造用于云应用的硅光子芯片；LightMatter获得 4 亿美元，旨在让光子互连更快、更经济地为人工智能服务；Scintil获得 5800 万美元，用于类似的项目；Xscape也希望节省数据中心的能源；OpenLight 筹集了 3400 万美元，用于帮助人们设计 PASIC。除了投资者纷纷涌入的人工智能领域之外，互连技术，尤其是推动光子学未来发展的技术，也是吸引资金的领域。有人制造出能够驱动大量 3D 打印机的芯片只是时间问题。也许他们会不辞辛劳地设计并在代工厂制造，或者他们或许可以将已经制造好的芯片用于其他用途。

在论文中，研究小组在一个小腔室中使用了一个硅光子 CMOS 芯片，并结合液晶波导与树脂协同工作。这种芯片既发射光，又控制光的方向，是一种“基于液晶的级联集成光学相控阵”或“可见光集成光学相控阵系统”，可作为芯片上的大桶聚合系统。他们希望未来该系统能够快速体积化构建零件。他们还相信，整个光系统将能够放在手掌中。这种树脂是一种改良的氮杂硼二吡咯亚甲基有机光氧化还原催化剂。初始打印部件高 60 μm，为2D形状。下一步，他们希望将其与涂覆机结合起来，进行3D打印成形。最终，研究人员希望制造出没有移动部件的体积系统。

更换整个打印机只是芯片改变增材制造的一种方式。Inleap Photonics正在通过固态光束控制取代振镜，基于像素的工艺可以将生产方法提高六倍，并使速度高达 200000 米/秒。因此，芯片可以彻底改变3D 打印方式。基于阵列的系统和基于光子芯片的制造工具还处于早期阶段。但考虑到它们的体积、精度和成本，它们有朝一日可能会在增材制造领域取得重大进展，并改变我们制造零件的方式。