一种基于嵌入式3D打印的有机光波导制备方法

技术领域

本发明涉及有机光波导制备技术领域，具体涉及一种基于嵌入式3D打印的有机光波导制备方法。

背景技术

过去的几十年间，电通讯的发展进行了一场计算和通讯速度的革命，极大地革新了我们的生活方式。然而，随着社会的发展和技术的进步，人们对数据传输与处理速度提出了更高的要求，电通讯已经无法适应日益增长的数据传输速度，比如电讯行业要求更宽的信息传输带宽。想要克服这些问题，我们必须进行一场新的基于光的计算和通讯革命。相比电通讯，光通讯有着更大的信息容量，更低的传输损耗，以及对于串扰和电磁干扰更好的免疫效果，更为轻质且具有更小的尺寸。光波导是光路中的一种基本元件，相当于电路中的导线，起到传输光和连通的作用。光波导主要是利用光的全反射原理，将光束缚在光波导内部，实现光的定向传输。相比无机光波导材料，有机光波导材料具有易于加工、成本低、性能好等优点，广泛应用于通讯、医疗、传感等领域。

传统的有机光波导制备技术主要可以分为以下几种：

1、光刻法，对于可以直接光固化的聚合物波导材料，直接用掩模对聚合物波导进行图案化，再将未固化的波导材料除去即可；对于无法直接光固化的聚合物波导材料，先在衬底上制作聚合物波导薄膜，通过掩模对光刻胶进行图案化，然后通过刻蚀使聚合物波导图案化，最后去掉光刻胶。

2、模具法，通过制作与实际光波导结构互补的透明模具，利用毛细作用力将聚合物波导材料引流并填满空隙，或者直接利用模具在已经涂覆聚合物波导材料的衬底上进行压痕，最终将聚合物波导固化后取下模具即可。

3、Mosquito方法，通过将装有可光固化的芯层聚合物波导材料的针头嵌入进液态的包层聚合物材料，通过边挤出芯层材料边移动针头的方式，将芯层聚合物波导材料留在包层内，最终通过紫外照射进行固化。

4、双光子打印，通过逐点对可光固化的聚合物波导材料进行聚合固化，可以在小幅面上实现任意形状的光波导结构。

其中，前两种方法由于其属于平面加工的范畴，难以实现三维空间任意取向的光波导结构，难以实现复杂三维结构的光波导网络的集成。第三种方法也只能实现简单的平面光波导结构，因为其用于支撑芯层波导的包层材料是液态的，很容易受到针头的扰动而导致结构被破坏；而且第三种方法需要保证包层材料与光波导材料密度接近，不然光波导材料会发生下沉和变形；进一步，第三种方法中包层材料与光波导材料之间会必不可免地发生扩散，做出来的是渐变折射率的波导。第四种双光子打印的方法，虽然原则上可以实现三维空间任意取向的光波导结构，但其受限于双光子打印机很小的工作幅面，以及极慢的逐点扫描的打印速度，难以实现产业化。

现有直写3D打印技术只能打印具有自支撑性的材料，但目前的有机波导胶一般粘度和模量都比较低，难以实现直接打印。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种新的基于嵌入式3D打印的有机光波导制备方法，该方法选择一种可牺牲的嵌入式基质材料，用于支撑光波导材料的打印。该方法适用于可光固化有机材料的3D打印成型，但不限于光波导材料。

本发明具体如下：首先将针头通过导管与盛有可紫外光固化的聚合物波导材料的料筒出液口连接，并将针头固定在xyz三轴联动打印设备上；然后，在xyz三轴联动打印设备的平台上放置盛有透紫外光的嵌入式基质材料(该嵌入式基质材料可以起到支撑聚合物波导材料的作用)的器皿，并使嵌入式基质材料呈凝胶状态；接着，通过计算机控制xyz三轴联动打印设备带动针头浸入到呈凝胶状态的嵌入式基质材料中，并带动针头按预设轨迹移动，同时控制料筒内的聚合物波导材料以预设流量(由空压机分配的压力控制)从针头流出，从而在呈凝胶状态的嵌入式基质材料中打印出聚合物波导材料的线路；由于嵌入式基质材料具有很好的支撑性，可以实现任意取向的三维光波导结构。打印完成后，通过紫外照射将聚合物波导材料固化，最终得到有机光波导。

优选地，所述的嵌入式基质材料为普朗尼克F-127水溶液或卡波姆水溶液。

更优选地，所述的普朗尼克F-127水溶液中普朗尼克F-127的质量分数为20％～25％。

更优选地，所述的卡波姆水溶液中卡波姆的质量分数为0.5％。

更优选地，针头浸入到嵌入式基质材料后，与水平设置的衬底顶面接触，聚合物波导材料从针头流出时便在衬底上打印出聚合物波导材料的线路，则打印完成通过紫外照射将聚合物波导材料固化后，将嵌入式基质材料去除，最终得到以衬底和空气作为包层材料的有机光波导。

更优选地，若嵌入式基质材料为普朗尼克F-127水溶液，将嵌入式基质材料去除的过程具体为：①将带有固化聚合物波导材料的衬底浸泡在清水中，使得嵌入式基质材料在水中稀释溶解；②重复步骤①若干次，然后蒸干带有固化聚合物波导材料的衬底上的水分。若嵌入式基质材料为卡波姆水溶液，将嵌入式基质材料去除的过程具体为：在带有固化聚合物波导材料的衬底上加入盐酸，调节pH值为酸性，使卡波姆凝胶液化，再反复用清水冲洗，最后蒸干带有固化聚合物波导材料的衬底上的水分。

更优选地，所述的衬底采用带氧化层的硅片。

优选地，所述的料筒、针头和导管均采用防紫外光的材料。

优选地，控制料筒内的聚合物波导材料从针头流出的过程具体为：通过设定空压机的气压值，并通过计算机控制空压机的开关对料筒内腔加压，则聚合物波导材料在预设压力下以预设流量从针头流出。

本发明具有以下优点：

1、本发明在呈凝胶状态下的嵌入式基质材料中打印光波导，凝胶状嵌入式基质材料受针头扰动的影响很小，光波导结构不易受到针头的扰动而破坏，光波导材料不易在凝胶状嵌入式基质材料中发生下沉、变形或扩散；因此，本发明对光波导材料的密度、粘度、模量等流变性能不敏感，可以实现较大粘度和模量范围的光波导材料的成型，实现较快的打印速度，打印速度可以超过5mm/s，打印出的光波导折射率均匀。

2、本发明可以通过调节针头尺寸、料筒内腔压力、光波导材料流量等参数来调节光波导的尺寸，实现极小尺寸的光波导结构(光波导直径可以达到1um)；本发明通过设定针头的预设轨迹，可以实现空间上任意方向的光波导，光波导的几何排布结构可以任意调节，从而实现复杂的三维光波导集成网络。

3、本发明可以实现硅基波导之间的连接，波导与光纤之间的连接等，在硅基上打印出的光波导截面呈“优弧弓”形(接触衬底的一侧是平的，另一侧为圆弧(优弧)。

附图说明

图1为本发明实施例4或实施例5的流程图；

图2为本发明在衬底上打印出并排布置的若干光波导示意图；

图3为图2中其中一根光波导示意图；

图4为本发明在衬底上打印出网状分布的若干光波导示意图；

图5为图4中其中两根交叉布置的光波导示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明保护范围的限制。

一种基于嵌入式3D打印的有机光波导制备方法，具体如下：

实施例1：在嵌入式基质材料中打印OrmoClear光波导。

首先，通过计算机设计出待打印的光波导结构，将针头的预设轨迹、气压控制的IO接口(空压机与计算机的IO接口)控制信息编译为3D打印机(即xyz三轴联动打印设备)可识别的Gcode语言程序；然后，将OrmoClear光波导材料(德国Micro Resist Technology GmbH公司生产)在避光条件下倒入防紫外光的料筒中，将针头通过导管连接料筒的出液口，并固定在3D打印机上；将嵌入式基质材料：普朗尼克F-127质量分数为20％的水溶液(在冰箱中保存，低温下为液态)，倒入透明的石英玻璃方缸中，将石英玻璃方缸置于3D打印机的平台上，等待普朗尼克F-127水溶液回升至室温(室温下为凝胶状态)，得到普朗尼克F-127凝胶；接着，通过计算机控制3D打印机带动针头浸入到普朗尼克F-127凝胶中，运行Gcode语言程序进行打印；打印过程中，计算机控制3D打印机带动针头按预设轨迹移动，同时控制空压机对料筒内腔加压使料筒内腔达到预设压力，则OrmoClear光波导材料在预设压力下以预设流量从针头流出；打印结束后，将石英玻璃方缸置于紫外灯下照射，使OrmoClear光波导材料固化，即得到OrmoClear光波导。

实施例2：在嵌入式基质材料中打印NOA65光波导。

首先，通过计算机设计出待打印的光波导结构，将针头的预设轨迹、气压控制的IO接口(空压机与计算机的IO接口)控制信息编译为3D打印机(即xyz三轴联动打印设备)可识别的Gcode语言程序；然后，将NOA65光波导材料(美国Norland公司生产)在避光条件下倒入防紫外光的料筒中，将针头通过导管连接料筒的出液口，并固定在3D打印机上；将嵌入式基质材料：普朗尼克F-127质量分数为25％的水溶液(在冰箱中保存，低温下为液态)，倒入透明的石英玻璃方缸中，将石英玻璃方缸置于3D打印机的平台上，等待普朗尼克F-127水溶液回升至室温(室温下为凝胶状态)，得到普朗尼克F-127凝胶；接着，通过计算机控制3D打印机带动针头浸入到普朗尼克F-127凝胶中，运行Gcode语言程序进行打印；打印过程中，计算机控制3D打印机带动针头按预设轨迹移动，同时控制空压机对料筒内腔加压使料筒内腔达到预设压力，则NOA65光波导材料在预设压力下以预设流量从针头流出；打印结束后，将石英玻璃方缸置于紫外灯下照射，使NOA65光波导材料固化，即得到NOA65光波导。

实施例3：在嵌入式基质材料中打印PMMA(有机玻璃)光波导。

首先，通过计算机设计出待打印的光波导结构，将针头的预设轨迹、气压控制的IO接口(空压机与计算机的IO接口)控制信息编译为3D打印机(即xyz三轴联动打印设备)可识别的Gcode语言程序；然后，将备好的PMMA光波导材料(由35％质量分数的12万分子量聚甲基丙烯酸甲酯、64.5％质量分数的MMA(丙烯酸类树脂)和0.5％质量分数的光引发剂混合而成)在避光条件下倒入防紫外光的料筒中，将针头通过导管连接料筒的出液口，并固定在3D打印机上；将嵌入式基质材料：0.5％质量分数的卡波姆(Carbopol ETD 2020)和99.5％的水混合而成的水溶液(此时为液态)，倒入透明的石英玻璃方缸中，加入NaOH调节pH至中性，并真空除气泡后，得到卡波姆凝胶；接着，将石英玻璃方缸置于3D打印机的平台上，通过计算机控制3D打印机带动针头浸入到卡波姆凝胶中，运行Gcode语言程序进行打印；打印过程中，计算机控制3D打印机带动针头按预设轨迹移动，同时控制空压机对料筒内腔加压使料筒内腔达到预设压力，则PMMA光波导材料在预设压力下以预设流量从针头流出；打印结束后，将石英玻璃方缸置于紫外灯下照射，使PMMA光波导材料固化，即得到PMMA光波导。

实施例4：在衬底上打印OrmoClear光波导。

如图1所示，首先，通过计算机设计出待打印的光波导结构，将针头的预设轨迹、气压控制的IO接口(空压机与计算机的IO接口)控制信息编译为3D打印机(即xyz三轴联动打印设备)可识别的Gcode语言程序；然后，将OrmoClear光波导材料(德国Micro ResistTechnology GmbH公司生产)在避光条件下倒入防紫外光的料筒中，将针头通过导管连接料筒的出液口，并固定在3D打印机上；将嵌入式基质材料：普朗尼克F-127质量分数为20.5％的水溶液(在冰箱中保存，低温下为液态)，倒入透明的石英玻璃方缸中，将衬底(优选表面折射率较低的带氧化层硅片)水平置于普朗尼克F-127水溶液中；接着，将石英玻璃方缸置于3D打印机的平台上，等待普朗尼克F-127水溶液回升至室温(室温下为凝胶状态)得到普朗尼克F-127凝胶后，通过计算机控制3D打印机带动针头浸入到普朗尼克F-127凝胶中与衬底顶面接触；再接着运行Gcode语言程序进行打印；打印过程中，计算机控制3D打印机带动针头按预设轨迹移动，同时控制空压机对料筒内腔加压使料筒内腔达到预设压力，则OrmoClear光波导材料在预设压力下以预设流量从针头流出；打印结束后，将石英玻璃方缸置于紫外灯下照射，使OrmoClear光波导材料固化；固化后，将带有固化OrmoClear光波导材料的衬底浸泡在清水中，使普朗尼克F-127凝胶稀释到水中；用清水反复稀释几次普朗尼克F-127凝胶后，蒸干OrmoClear光波导材料上的水分，即得到带衬底的OrmoClear光波导。

实施例5：在衬底上打印EpoCore光波导。

如图1所示，首先，通过计算机设计出待打印的光波导结构，将针头的预设轨迹、气压控制的IO接口(空压机与计算机的IO接口)控制信息编译为3D打印机(即xyz三轴联动打印设备)可识别的Gcode语言程序；然后，将EpoCore光波导材料(EpoCore 50，德国MicroResist Technology GmbH公司生产)在避光条件下倒入防紫外光的料筒中，将针头通过导管连接料筒的出液口，并固定在3D打印机上；将嵌入式基质材料：普朗尼克F-127质量分数为21％的水溶液(在冰箱中保存，低温下为液态)，倒入透明的石英玻璃方缸中，将衬底(优选表面折射率较低的带氧化层硅片)水平置于普朗尼克F-127水溶液中；接着，将石英玻璃方缸置于3D打印机的平台上，等待普朗尼克F-127水溶液回升至室温(室温下为凝胶状态)得到普朗尼克F-127凝胶后，通过计算机控制3D打印机带动针头浸入到普朗尼克F-127凝胶中与衬底顶面接触；再接着运行Gcode语言程序进行打印；打印过程中，计算机控制3D打印机带动针头按预设轨迹移动，同时控制空压机对料筒内腔加压使料筒内腔达到预设压力，则EpoCore光波导材料在预设压力下以一定流量从针头流出；打印结束后，将石英玻璃方缸置于紫外灯下照射，使EpoCore光波导材料固化；固化后，将带有固化EpoCore光波导材料的衬底浸泡在清水中，使普朗尼克F-127凝胶稀释到水中；用清水反复稀释几次普朗尼克F-127凝胶后，蒸干EpoCore光波导材料上的水分，即得到带衬底的EpoCore光波导。

实施例4根据针头的预设轨迹不同，可以在衬底上打印出不同排布方式的OrmoClear光波导，实施例5根据针头的预设轨迹不同，可以在衬底上打印出不同排布方式的EpoCore光波导。在衬底上打印出并排布置的若干OrmoClear光波导或EpoCore光波导，如图2所示，图3为并排布置的若干OrmoClear光波导或EpoCore光波导中其中一根的形状示意图。在衬底上打印出网状分布的若干OrmoClear光波导或EpoCore光波导，如图4所示，图5为网状分布的若干OrmoClear光波导或EpoCore光波导中交叉的两根示意图。