光子制造生产用于通信、传感和能源系统的光学元件和光基器件。这些技术是现代基础设施的核心。随着对太阳能技术、5G网络和新型传感器的需求不断增长，该行业的环境影响日益受到关注。每一片晶圆和透镜都伴随着能源和材料成本，这些成本越来越不容忽视。该领域的可持续制造旨在通过减少能源消耗、减少化学废料以及开发支持循环材料流而非单向生产链的设计来降低这些成本。

光子制造中的环境挑战

光子器件的制造依赖于洁净室、晶圆加工和化学蚀刻。这些步骤都会对环境造成影响。生命周期评估有助于展现这些影响的程度。在光伏领域（光子学中最大的应用领域之一），多晶硅供应链在材料循环指标上的得分仅为0.54，表明材料回收利用有限。到2050年，硅光伏组件每发电一千瓦时仍可能排放8至13克二氧化碳当量。即使电网更加清洁，制造过程中的能源消耗和碳排放仍然相对较高。

洁净室占用大量空间。它们需要持续运行，维持过滤后的空气和稳定的温度，这需要大量的电力。内部设备也需要长时间运转，因为中断会增加污染风险。所有这些因素共同使得制造工厂成为技术制造业中能源消耗最高的建筑之一。

化学工艺加剧了这一挑战。等离子刻蚀依赖于氟化气体，其全球变暖潜能值远高于二氧化碳。水资源消耗和稀土材料的获取也给资源带来了额外的压力。然而，关于这些环境因素的详细数据仍然有限，导致部分环境足迹无法量化，在某些情况下甚至容易被忽视。

材料创新：更环保的替代方案

解决方案中日益重要的部分在于引入新型材料和制造工艺。研究团队正在开发生物基聚合物、可回收基材和低温工艺，以在保持光学性能的同时降低对环境的影响。芬兰VTT的研究表明，基于PLA和再生PET的超薄有机光伏器件的碳足迹比使用原生材料制成的器件降低了10%至85%。意大利技术研究所（Istituto Italiano di Tecnologia）已生产出完全基于纤维素的光子晶体和超表面，这些材料符合ISO 17556生物降解标准，同时保持了玻璃般的光学透明度。

其他研究则利用生物材料和废弃物衍生材料。立陶宛的研究团队开发出用于光学3D打印的大豆基生物树脂，无需添加光引发剂即可制造从纳米级到宏观尺度的光子元件。塔夫茨大学的研究人员正在开发用于可穿戴和植入式设备的丝蛋白光学器件。甚至消费后废弃物，例如聚苯乙烯包装和香烟过滤嘴醋酸盐，也被转化为性能接近商用聚合物的多层光子晶体。

玻璃提供了另一条尚未充分开发的途径。晶圆级模塑可以在一个循环中复制数千个微光学元件，从而减少之前研磨和抛光所需的能量。利用溶胶-凝胶化学方法对二氧化钛进行软纳米压印光刻，也能实现更低的制造温度（约 400 °C），并且与传统的高温工艺相比，可以减少对环境的影响。

清洁制造技术

工艺创新与材料选择同等重要。增材制造逐层构建部件，产生的废料极少，因此非常适合采用生物基树脂的光学3D打印。用于TiO2结构的低温沉积和纳米压印光刻技术也能在保持所需分辨率的同时降低能耗。

一项关键进展是无溶剂光刻技术。研究人员利用机械可剥离的光刻胶，证明干式胶带图案转移可以取代化学显影剂和剥离剂。该方法能够干净利落地剥离层图案，且废料极少，并且适用于无法承受传统湿化学处理的可生物降解基材。

在化合物半导体光子学领域，尤其是在III-V族体系中，提高金属有机化学气相沉积（MOVPE）的效率至关重要。调整气体流量、温度和反应器设计可以降低能耗并减少三氯化铟等耗材的使用。除了这些物理方面的改进，人工智能也开始通过监测生长条件、优化良率和识别可能导致废品的异常情况来辅助工艺控制。尽管商业数据仍然有限，但早期研究表明，将人工智能与自动化相结合可以显著减少浪费。

循环设计

设备的设计越来越倾向于可拆卸和材料回收，而非永久组装。模型显示，这种闭环供应链可以将材料循环指标从0.54提升至0.80，同时将生命周期影响降低约12% 。

报废回收如今已从一开始就融入设计之中。前瞻性的生命周期研究模拟了从太阳能组件中回收硅和银的过程，揭示了不同的回收方式如何影响毒性和颗粒物排放。简化图案转移的可剥离光刻胶技术也有助于拆卸，因为它能够使各层干净地分离。

为了确保环境效益在产品整个生命周期内得以维持，目前正在为新型光伏技术制定耐久性和翻新阈值。玻璃光学元件本身就具有长期稳定性，自然而然地契合了这一理念：它们可以使用数十年，必要时可以重新成型，并且支持晶圆级复制，从而节省时间和材料。

欧盟的循环经济行动计划和新兴的生态设计措施鼓励制造商采用更循环的方法，尽管针对光子学的具体要求仍在制定中。

商业应用

在生产规模增加导致环境成本上升的领域，例如太阳能光伏发电，人们对可持续光子学的兴趣最为浓厚。循环性和生命周期评估现已成为该领域的常用工具。模型显示，到2035年，将晶体硅光伏发电的生产转移到美国，与2020年的进口基准相比，可减少约30%的排放量和约13%的能源消耗。这些收益主要来自更清洁的区域电力和更短的运输距离。

照明和显示技术正朝着同一方向发展。LED 、钙钛矿LED和OLED都具有可识别的环境影响，研究表明，钙钛矿LED需要约10,000小时的使用寿命才能在关键可持续性指标上与其他系统相匹配。集成光子学也在进行变革，目前正在研究混合平台和溶胶-凝胶平台，以简化制造工艺并降低资源消耗。

商业应用仍然有限。目前，大部分工作仍停留在研究实验室和试点项目阶段，而非大规模产品线。只有少数公司在其供应链中提及“可持续光子学”，大多数公司仍然专注于性能和效率。尽管用于测量和报告环境影响的工具日趋完善，但环境因素往往被忽视。

接下来是什么？

要扩大可持续光子制造的规模，需要技术、政策和产业等多个领域的协调合作。进展取决于工厂的实践和新器件的设计。短期重点包括提高沉积设备的能源效率、替换高全球变暖潜值（GWP）的刻蚀化学品，以及通过改善气流和管理闲置时间来减少洁净室排放。在开发早期阶段整合生命周期评估是另一个重要步骤。

此外，本地化生产可以减少运输排放，并利用更清洁的区域电力，在无需重大技术变革的情况下实现环境效益。统一的衡量标准，例如一致的可持续性指标、生态标签和循环设计指南，将有助于更广泛地推广应用。

随着监管力度加大，采购环节也更加注重可持续性，采用更清洁的材料、更高效的工艺以及便于回收再利用的设计方案的公司将更具优势。目前的主要挑战在于如何将这些方法从实验室转化到生产线上。

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