微纳光学3D打印技术：突破光子集成中的耦合损耗瓶颈(Nanoscribe)

      在光子计算与集成光子学领域，光信号在波导与光纤间的高效耦合始终是核心挑战之一。在之前的一篇文章中，介绍了一种双光子打印实现大带宽的低插损无源耦合的方案(突破光子集成封装瓶颈：宽带、低插损、即插即用的无源光耦合封装)。该方案是采用了德国Nanoscribe公司的设备加工的，今天来看下该公司在研讨会上的一个ppt介绍。

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一、公司背景

      Nanoscribe已拥有100人团队，总部位于德国卡尔斯鲁厄，在上海和波士顿设有分支机构，持有多项核心专利支撑其技术。2024年9月，公司加入德国Lab 14集团，与旗下Heidelberg Instruments形成技术协同，进一步强化在微纳制造领域的竞争力。

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      当前，Nanoscribe的技术主要应用于量子计算和光学计算领域。其核心实验室专注于多场景可行性研究，通过3D微打印技术实现光学元件的高精度制造，为光子封装提供低损耗、高可靠性的连接方案。

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二、技术核心：双光子光刻与灰度打印的协同创新

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      Nanoscribe的核心技术基于双光子光刻（Two-Photon Lithography），通过飞秒激光聚焦于光敏树脂，利用扫描镜实现纳米级分辨率的3D结构打印。其独特的灰度曝光技术可在扫描过程中以100 MHz速率快速动态调整3d像素（Voxel），无需多层切片即可生成表面光滑的光学元件，显著提升光学质量并降低耦合损耗。 3.1 光耦合挑战与微光学元件设计

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      在集成光子学中，波导（如200纳米硅波导）与光纤（如1550nm波段5微米单模光纤）的模式场失配会导致显著耦合损耗（直接耦合损耗可达-7dB）。Nanoscribe通过打印微光学元件（如准直透镜、聚焦透镜）匹配不同模式场： - 准直透镜：扩展光束以增加横向容差。例如，10微米直径单模光纤的横向容差为2.5微米，经准直透镜扩展后模场可提升至25微米以上。

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- 设计与制造流程：通过内部软件输入透镜公式，选择光学质量、打印速度或附着力等预设参数，实现光纤端和芯片端的批量加工。芯片端通过基准标记（Fiducial marker）精确定位波导位置，结合扫描机制实现透镜与波导的三维精准对准。

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3.2 性能验证与实测数据

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      在Phoenix项目(IBM合作)中，Nanoscribe实现了光纤到芯片的低损耗耦合： - 案例1：InP芯片与光子集成器件（PIC）的耦合，通过准直透镜将损耗降至1.35dB（目标值1dB以下）。

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- 打印效率：硅光子芯片（SOI）上单透镜打印时间约2分钟，光纤端透镜约45秒，尚未完全优化但已展现工业级潜力。 - 光束匹配精度：通过自研模拟工具和光束轮廓测量仪，实现光束重叠误差趋近于零，验证了光学元件的高精度匹配能力。 四、应用拓展：从光子集成到成像光学的多元场景

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      除光束整形外，Nanoscribe技术还可应用于成像光学领域。例如，为内窥镜系统打印定制化光学元件，并与合作伙伴共同开发光轨道角动量相关元件。尽管技术细节复杂，但该公司可提供设计团队对接，展现了技术平台的灵活性和广泛适用性。 四、规模化能力：从单芯片到晶圆级的批量生产

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      Nanoscribe技术支持多尺度批量处理：

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- 光纤端批量加工：实现光纤阵列的透镜集成。 - 芯片级与晶圆级制造：支持单芯片（Die）和晶圆级（Wafer-Level）打印，适用于不同规模的光子器件生产需求。 - 技术指标：光学元件形状精度达亚微米级(200nm)，表面粗糙度低于10nm，3um MFD模斑的一致性＜40nm，满足高功率激光和精密光学系统的要求。 五、结语：光子学工业的赋能者       Nanoscribe通过高精度3D微打印技术，为光学计算和光子集成提供了低损耗、高效率的解决方案。其技术不仅解决了传统光电子集成中的耦合难题，更通过规模化制造能力推动光子学从实验室走向工业应用。随着与Lab 14集团的协同深化，该公司有望在AI算力升级、量子通信等前沿领域发挥更关键的作用。