Возможность 3D-печати фотонных чипов

Фотонные чипы способны радикально изменить многие технологические процессы и электронные устройства — включая 3D-печать. Развитие фотонных интегральных схем, кремниевой фотоники, световых модуляторов, интегрированной квантовой фотоники и традиционных CMOS-чипов, используемых в смартфонах, — всё это звенья одной цепи, движущие нас к новой технологической эпохе. Этому способствуют растущие потребности в миллиардах электронных компонентов, сенсорах для «умных» систем, прогресс литографии, успехи компаний вроде Apple и Nvidia, концепция GPU и модель контрактного производства TSMC, позволяющая заказывать нужные микросхемы под конкретные задачи. Помимо экономического эффекта, фотонные технологии находят применение в волоконной оптике, квантовых вычислениях, дисплеях и множестве других областей.

Фотоника сегодня — это стремительно развивающаяся отрасль, связанная с управлением, передачей и приёмом света. Фотон движется со скоростью света, а значит, чем лучше мы научимся использовать его свойства, тем выше станут скорость и пропускная способность систем связи. Одновременно фотонные решения потенциально надёжнее, энергоэффективнее и дешевле в производстве. Одним из ключевых направлений являются фотонные интегральные схемы (PIC) и другие типы «систем на кристалле», где множество функций объединяются в одном чипе. Такие устройства применяются в облачных вычислениях, сенсорах и лидарных системах. Сегодня активно развиваются специализированные фотонные чипы (ASPIC, PASIC), а появление программируемой фотоники делает эти системы более гибкими и универсальными.

Совокупный мировой рынок фотоники оценивается почти в 900 миллиардов долларов, рынок PIC — около 15 миллиардов, а сегмент кремниевой фотоники превышает 2 миллиарда долларов. В научной статье 2024 года, опубликованной в журнале Nature исследователями Техасского университета в Остине и Массачусетского технологического института (Сабрина Корсетти, Милица Нотарос, Тал Сне, Алекс Стаффорд, Захария Пейдж и Елена Нотарос), описано, как кремниевая фотоника может использоваться для 3D-печати на уровне чипа. Преимущества очевидны: единый микрочип способен взять на себя большую часть механических функций принтера и заменить источник света.

Отсутствие движущихся частей делает такую систему проще и потенциально значительно дешевле в производстве и эксплуатации. Это способно существенно изменить рынок производителей световых модулей и оборудования для аддитивных систем. Фотоника может стать самым серьёзным прорывом в истории 3D-печати, обеспечивая не только новые принципы работы, но и снижение стоимости оборудования. Некоторые компании уже двигаются в этом направлении: например, Agate Sensors работает над тем, чтобы перевести спектроскопию на уровень чипа. Интерес венчурных фондов также растёт — особенно в контексте ИИ, дата-центров и телекоммуникаций.

Компания PHOTON IP стремится удешевить кремниевые фотонные чипы для облачных решений, LightMatter привлекла 400 миллионов долларов на развитие фотонных соединений для искусственного интеллекта, Scintil получила 58 миллионов, Xscape работает над снижением энергопотребления центров обработки данных, а OpenLight собрала 34 миллиона долларов на проектирование PASIC-чипов.
Помимо стремления инвесторов к ИИ-сегменту, активно финансируются и решения, обеспечивающие будущий переход к фотонной архитектуре. Очевидно, что вопрос времени — когда появится чип, способный управлять 3D-принтерами напрямую. Возможно, это будет специализированная разработка, произведённая на фабрике, или адаптация уже существующего решения.

В эксперименте, описанном в работе UT Austin и MIT, исследователи использовали CMOS-чип на основе кремниевой фотоники в небольшой камере, совмещённой с жидкокристаллическим волноводом для работы со смолой. Чип одновременно излучает и направляет свет. Система представляет собой «каскадную интегрированную оптическую фазированную решётку на основе жидких кристаллов» — по сути, миниатюрную установку фотополимеризации на кристалле. Учёные надеются, что в будущем такая технология позволит создавать объёмные детали с высокой скоростью, при этом вся система уместится в ладони. В качестве материала использовалась органическая смола на основе аза-борон-дипиррометена, выступающая фотокатализатором. Первая экспериментальная деталь имела высоту всего 60 микрометров и представляла собой 2D-образец. Следующий шаг — объединение системы с рекотером для перехода к полноценной 3D-печати. В перспективе исследователи рассчитывают создать объёмные системы без подвижных элементов, что может полностью изменить архитектуру будущих принтеров.

Однако замена принтера целиком — лишь один из возможных путей. Например, Inleap Photonics уже разрабатывает технологию твердотельного управления лазерным лучом без галво-зеркал. Такой подход способен увеличить производительность печати в шесть раз и достичь скорости перемещения луча до 200 000 мм/с. В 2024 году активно обсуждались также лазеры с фотонно-кристаллическим поверхностным излучением (PCSEL) — ещё один тип фотонных микрочипов, способных самостоятельно повлиять на развитие аддитивных технологий.

Таким образом, фотонные чипы могут полностью изменить сам принцип 3D-печати. Пока это направление находится на раннем этапе, но потенциал очевиден. Сочетание высокой точности, масштабируемости и снижения себестоимости может привести к тому, что фотонные системы займут ключевое место в производстве, а привычные принтеры и методы сборки деталей кардинально преобразятся.