3D打印光学与光子技术：开启三维新维度

电路图展示了借助3D打印技术可实现的各类三维光子器件。

电子技术是现代科技发展的核心支柱，但在速度、能效和带宽方面面临瓶颈。随着人工智能（AI）的普及，提升计算机网络中节点间数据通信的效率变得至关重要。而光具有以极低能耗传输大量数据的能力，能够突破电子系统固有的部分限制。光子集成电路（PICs）正效仿电子集成技术，以实现更高速度的数据传输；将光学元件嵌入电子芯片，可显著提升AI加速器、数据中心和物联网（IoT）设备的性能。

然而，光学与光子技术也因传统制造技术的局限面临重大挑战，制约了其规模化发展。传统技术仅能制造简单几何结构的元件——在自由空间光学领域（如透镜），以球形结构为主；在集成光子领域，则以平面结构为主。大多数光子元件（激光器、透镜、波导和光电探测器）采用自上而下的减材制造工艺，设计和组装成平面结构。设计人员通常从原材料（可能是高折射率电介质或半导体材料）入手，通过选择性去除部分材料来制造器件模块。尽管在许多半导体激光器中，会通过在图案化衬底上进行外延再生长来构建掩埋结构、集成光栅或实现多材料设计，但后续的器件定型仍受限于平面光刻技术。

这种局限与对灵活性、定制化和集成化的需求相冲突。多材料集成难度较大，因为传统工艺难以将光学、电子和机械功能嵌入单片器件中。对于3D透镜而言，几何结构的固定性是另一大障碍——传统方法适用于平面或旋转对称表面，制造非平面自由曲面光学元件成本高昂且耗时。这类结构需要定制工具、反复抛光和精湛工艺，限制了其规模化生产和普及。光子集成电路中分立芯片的集成面临精度挑战，需采用技术复杂的主动对准技术，这种技术成本高且吞吐量低。此外，传统自上而下的制造方法会产生大量材料浪费，尤其是在使用稀有或昂贵衬底时，引发了经济和可持续性方面的担忧。

这些挑战推动着行业转向采用新型方法，以开发下一代光学技术。3D打印便是其中一种方法，它能有效突破传统制造技术长期存在的局限。

3D打印在光学领域的发展历程

光学与光子技术领域的3D打印始于20世纪80年代。1981年，日本科学家兼工程师小玉秀男（Hideo Kodama）发明了一种利用紫外光固化制造塑料模型的增材制造方法，该方法被广泛认为是首款3D打印技术。1986年，查克·赫尔（Chuck Hull）为立体光刻技术申请了专利，这种技术利用紫外激光选择性地固化液态树脂，逐层构建物体。由于当时打印产品的分辨率和光学质量较差，仅能作为原型展示。尽管如此，赫尔的研究仍凸显了立体光刻技术在革新3D结构制造方面的潜力。

理想的3D打印光学与光子技术应具备高分辨率制造、高速打印、材料多样性以及对光学性能的精准控制能力。目前，在改进3D打印技术以突破这些技术目标的限制方面，已取得显著进展。

例如，双光子吸收技术长期存在一个问题：制造高分辨率结构时效率较低。高光强虽能提高打印效率，但会引发光漂白和微爆炸等问题，限制打印分辨率；而低光强则难以使树脂实现有效光子吸收，导致打印速度变慢。出于解决这些问题的需求，创新方法应运而生。其中一种是断层扫描体素增材制造技术，该技术利用有意模糊的光源消除层状伪影，制造出表面光滑的光学元件。它通过同时固化整个材料体积，实现复杂3D结构的快速、无支撑制造，突破了逐层打印在几何结构和表面质量上的限制，大幅提高了生产效率。

2023年，蒋（Jiang）等人提出了一种新型多光束光刻技术，利用超短激光加工制造纳米级光子晶体结构。该技术通过空间光调制实现多光束并行加工，提高了效率和精度。其核心创新在于，通过基于德拜衍射的光学模拟设计定制相位全息图，在钇铝石榴石（YAG）晶体中制造出具有可控亚波长间隙（最小可达261纳米）的并行通道。这一技术能够精准调整结构间隙，规模化制造复杂的光子晶体结构（包括具有定制光学响应的衍射光栅），为制造集成光子器件提供了高效且灵活的途径。

【高性能3D打印光学与光子元件对材料有特定要求：需具备高光学透明度、低吸收损耗，且在宽光谱范围内折射率可精准调节。】

此外，韦格纳（Wegener）等人利用衍射光学元件生成特定形状的光刻光束，展示了一种多光子聚焦（7×7）3D激光打印系统。该系统在双光子吸收（TPA）聚合物中实现了每秒10⁸个体素的超高打印速度，较以往方法提升了10倍。它采用3D打印的衍射光学元件和多透镜阵列，生成并精准控制7×7的子光束阵列。通过集成低像差分束技术和1米/秒的高速聚焦扫描，该系统能够实现大面积、高分辨率3D打印，例如制造出包含1.7万亿个体素的超材料，以及数百万个用于制药应用的微粒，同时提高了多焦点3D激光打印的效率和规模化生产能力。

梁（Liang）等人报告了另一项创新成果，提出了“少光子照射双光子吸收”概念。这一纳米光刻领域的突破，能够在大幅降低光子辐照度的同时实现超高分辨率。研究团队基于波粒二象性构建时空模型，证明仅需每个像素5个光子就能有效触发双光子吸收，远低于当前技术水平，挑战了传统技术对高光密度的要求。

在衍射极限聚焦条件下，传统激光直写加工技术需达到10¹²瓦/平方厘米的激光峰值强度和3×10³³秒⁻¹·厘米⁻²的光子辐照度，才能实现高效双光子吸收。而在这项新研究中，仅需极低的激光强度和2.8×10²³秒⁻¹·厘米⁻²的光子辐照度（较传统技术降低近10个数量级）即可满足需求。在低通量下，光子的逐次随机性会降低边缘清晰度，导致波导边缘不够锐利，需通过增加脉冲次数或优化曝光策略来补偿。

这项技术能够以空前的精度制造纳米级结构，实现26纳米（1/20λ）的特征尺寸和210纳米（0.41λ）的图案周期，突破了衍射极限。此外，结合原位数字多次曝光的双光子数字光学投影纳米光刻技术，将效率提升了5个数量级，超越了传统激光直写加工技术，解决了高精度制造中分辨率与效率难以兼顾的问题。

为实现折射率的任意定制，王（Wang）等人提出了一种新型“重叠控制多扫描”方法，用于精准控制激光写入波导的模式，助力制造宽带、低色散3D集成光学器件。该方法通过控制热累积效应，在亚微米尺度精准定制折射率分布，实现了亚衍射极限空间分辨率（约50纳米）下的任意折射率配置，从而打造出超宽带、低损耗的波导耦合结构。这项研究实现了0.29分贝的创纪录低插入损耗、超过25分贝的高模式纯度，以及210纳米带宽（耦合变化极小）的超宽带模式转换，性能超越传统平面光子电路。此外，该技术还能实现芯片级超短激光脉冲操控和超连续谱生成。

材料创新

制造高性能3D打印光学与光子元件，需要材料具备高光学透明度、低吸收损耗，且在宽光谱范围内折射率可精准调节。理想材料还应具有优异的机械和热稳定性，以确保在不同应用场景下的长期性能，并与精准制造技术兼容。研究人员还在探索混合材料，以融合多种物质的优势。可打印材料的进步，已推动集成光电子器件等功能性器件的研发。

针对传统3D打印树脂折射率有限的问题，杨（Yang）等人开创了一种增材制造方法：将钛离子掺杂树脂（Ti-Nano）与双光子聚合光刻技术结合。他们在制造3D光子晶体方面取得突破——所制造的光子晶体在可见光光谱范围内具有完整光子带隙，晶格分辨率小于280纳米，解决了分辨率和折射率控制方面的难题。

为最大化金属离子-有机混合树脂的分辨率，需使树脂与打印所用物镜的折射率匹配。因此，研究团队首先将Ti-Nano树脂在光刻激光波长（780纳米）下的折射率精心调节至约1.52。该技术的创新点在于打印后的热处理工艺：通过可控的晶格收缩，将打印结构转化为高折射率二氧化钛（折射率2.4-2.6），最小特征尺寸可达180纳米，远低于衍射极限。所制造的3D光子晶体在可见光范围内的反射率接近100%，证实了完整光子带隙的存在，这是此前从未实现的突破。

在光纤尖端直接制造器件，能够将微纳光学功能与自带对准功能的柔性光传输通道无缝集成。但光纤尖端较为脆弱，研究人员正致力于解决热稳定性相关问题——器件的物理和热稳定性会影响其操作便捷性和使用寿命。目前，3D激光直写加工无机材料需高温工艺，而这种工艺与光纤衬底不兼容，因此器件材料主要局限于有机聚合物基光刻胶。基于聚合物的光纤尖端器件存在明显缺陷：易溶胀、在有机溶剂中易变形、热稳定性差且长期易降解，这不仅影响器件可靠性，还限制了其在高精度和恶劣环境中的应用。

相比之下，无机玻璃具有更优异的耐化学性、热稳定性和机械稳定性，且光学透明度宽，更适用于此类应用。然而，当前制造高分辨率无机玻璃3D结构的方法需长时间高温加工（温度高于650°C，时长超过12小时），与对温度敏感的光纤元件不兼容。

为避免超过标准通信光纤的温度限制，同时防止臭氧处理导致光纤涂层和护套降解，瑞典皇家理工学院（KTH）的研究人员提出了一种在光纤尖端3D打印具有亚波长特征的无机玻璃微光学元件的方法。他们利用波长为1040纳米的飞秒激光脉冲，选择性地固化氢倍半硅氧烷，在标准SMF-28光纤尖端激光直写入亚微米分辨率的二氧化硅玻璃微光学元件。

该团队成功制造出实心玻璃结构和具有纳米级精度的自组织亚波长光栅。这项技术能够制造功能性光纤集成器件，如高稳定性折射率传感器和紧凑型偏振分束器，可在聚合物基器件易失效的环境中工作。在全光纤系统中集成用于偏振控制的亚波长纳米光栅，为光学传感、光纤集成光量子和光通信网络的发展提供了可能。

集成器件的发展进展

    3D集成器件创新

    • 片上3D光互连（见上图）

    • 自由曲面光耦合器和模式转换器

    • 多层光子芯片中的垂直光互连

设计集成对于3D光学与光子技术领域至关重要，尤其是在光子集成电路（PICs）方面。通过合理的3D集成，能够实现光子芯片间或光子与电子芯片间的高效光互连。增材制造技术的显著优势在于，可制造自由曲面、低损耗的光通路，以极小的插入损耗连接不匹配的器件或芯片——这对光通信、光量子和片上光路由至关重要。

为有效整合不同平台，佩尼斯（Pernice）等人利用直接激光写入的光子线键合技术，与基于低损耗氮化硅的量子光源触发源对接。该团队采用砷化铟镓（InGaAs）量子点作为在通信波长下发光的单光子源，并通过光子线键合在III-V族平台与氮化硅基光子集成电路（包含单模波导和分束器）之间建立接口。这种结构为III-V族量子光源与氮化硅基光子集成电路提供了高灵活性、低损耗的互连方式。

这项研究的核心创新在于，将嵌入微透镜的InGaAs量子点产生的单光子无缝传输到低损耗氮化硅波导中，测得的二阶关联函数g证实了单光子纯度。此外，在低温环境下实现了27.9±8.0%的高效耦合，证明该方法在规模化量子光子架构中具有可行性。通过制造高性能混合量子光子电路，这项研究为集成量子通信、量子计算和量子传感应用奠定了基础。

激光雷达（Lidar）能够提供实时、高分辨率空间数据，用于3D测绘、距离测量和目标检测。克里斯蒂安·库斯（Christian Koos）团队提出了一种新型磷化铟（InP）基光学相控阵（OPA），并集成3D打印光学光束整形元件，这是固态激光雷达技术的一项重要进步。该研究开创性地采用高精度双光子光刻技术，制造出与芯片端面贴合的3D打印光束整形元件，实现对出射光的高效准直和转向。该光学元件包含两部分：柱面透镜（在垂直于光学相控阵扫描平面的方向上对准直光束）和全内反射（TIR）镜（将准直光束转向垂直于芯片表面的方向）。为补偿聚合物元件与7°角InP波导界面处的光折射，柱面透镜和全内反射镜相对于芯片端面旋转15°。

透镜设计考虑了波导端面与透镜顶点之间的不同距离，并采用专有波传播算法进行设计。通过在芯片端面直接集成全内反射镜和柱面透镜，无需额外的自由空间光学元件即可实现精准光束控制。这种方法将激光雷达的光束半高全宽发散角降至仅3.6°，实现了高定向光束扫描，提升了测距实验的精度。此外，首次展示基于InP的光学相控阵用于激光雷达测距，证实了其在微型化、固态深度传感应用中的潜力。

挑战与机遇

尽管3D打印光学与光子器件已取得显著进展，但仍有多项挑战阻碍该技术在行业中的广泛应用。其中最主要的障碍之一是材料限制——当前技术难以满足先进光子应用对高光学透明度、低表面粗糙度和精准折射率的要求。确保光学应用所需的表面光滑度仍是一大难题，因为打印过程可能会引入影响性能的表面不规则性；而通过后处理改善表面质量不仅耗时费力，还可能抵消增材制造的部分优势。

此外，高分辨率制造难度较大，因为亚波长特征和无缺陷表面对集成光子、量子等应用至关重要。多材料打印也面临挑战，因为光学系统通常需要结合具有不同光学、机械和热性能的材料。同时，规模化生产和吞吐量也是重要瓶颈，尤其是在工业级制造复杂光子元件时。与现有光子平台（如硅光子）的集成挑战进一步增加了难度，需要精准对准和低损耗互连。最后，先进3D打印系统和后处理技术成本高昂，且难以标准化。

这些挑战虽艰巨，但也带来了创新机遇。一个颇具前景的方向是开发具有增强光学性能的新型可打印材料，例如折射率可调、具有非线性光学效应且吸收损耗低的材料，这类材料可能实现以往无法达成的功能。例如，目前绝大多数3D打印聚合物/树脂的线性和非线性折射率较低，而掺杂剂可使主体聚合物获得新特性（如提高折射率或实现增益）。若考虑其他掺杂剂，有望制造出在特定波长下具有强电光效应、光学非线性或光电效应的3D打印结构，进而推动3D打印调制器、非线性光源和光电探测器的创新。

多材料、多尺度3D打印技术有望实现复杂的集成光子系统，在单一制造流程中整合有源和无源光学元件。将3D打印光学元件与现有光子和电子系统无缝集成，可提升器件性能并拓宽应用领域；结合增材与减材技术的混合制造方法，也有助于突破当前的技术局限。另一个令人振奋的方向是将AI和计算设计融入增材制造流程，从而制造出具有空前精度和功能的优化光子结构。

此外，3D打印可能为自由曲面光学和超表面光学带来变革，催生出适用于量子光子学、生物医学成像和光计算等新兴应用的创新透镜系统、光束整形器件和光互连结构。要抓住这些机遇，需要材料科学、光学工程和计算物理学等领域的跨学科合作，以开发出规模化、经济高效且高度可定制的光子解决方案。

3D打印光学与光子学元件为制造新型结构和器件类别提供了强大范式，而这一范式的实现得益于三维维度的开启。增材制造方法为设计提供了形态自由度，能充分发挥材料创新的潜力，并突破平面器件固有的功能局限。

资讯来源：《OPTICS & PHOTONICS NEWS》

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