[发明专利]一种基于嵌入式3D打印的有机光波导制备方法

说明书

本发明公开了一种基于嵌入式3D打印的有机光波导制备方法。传统有机光波导制备技术难以实现三维空间任意取向的光波导结构，或打印速度极慢。本发明将针头通过导管与盛有聚合物波导材料的料筒连接，针头固定在xyz三轴联动打印设备上；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的器皿，并使嵌入式基质材料呈凝胶状；xyz三轴联动打印设备带动针头浸入呈凝胶状的嵌入式基质材料中按预设轨迹移动，同时控制料筒内的聚合物波导材料以预设流量从针头流出，从而在呈凝胶状的嵌入式基质材料中打印出聚合物波导材料线路；最后通过紫外照射将聚合物波导材料固化得到有机光波导。本发明可实现复杂三维光波导的快递打印。

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。