CN105849610A - 光波导的制备和使用 - Google Patents

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Abstract

无反射镜光波导可以包括包层和芯。该芯可包括平行于表面平面的纵长段。该芯可进一步包括朝向表面平面弯曲的两个弯曲端部。表面平面可平行于衬底。包层可具有由丙烯酸和/或聚氨酯制成的纳米颗粒。芯可以具有类似的丙烯酸和/或聚氨酯的纳米颗粒以及诸如氧化锆的具有高折射率的纳米颗粒。无反射镜光波导能够通过喷墨印刷来形成。

Description

光波导的制备和使用
背景技术
光波导是能够用于在光电子电路中引导电磁波(例如，光)的结构。反射镜可用于使光进出光波导。然而，在反射镜处的反射会导致光损耗。另外，反射镜会增加制造过程的成本和时间。
概述
前面的概述仅仅是示例性的，而不意在以任何方式进行限制。通过参考附图以及下面的详细说明，除了上文所描述的示例性的方面、实施例和特征之外，另外的方面、实施例和特征将变得清楚。
在一些实施例中，无反射镜光波导可以包括：芯结构，其包括第一端部、第二端部以及在第一端部与第二端部之间的纵长段，其中所述纵长段基本上平行于表面平面，并且其中所述第一端部和第二端部是弯曲的从纵长段延伸到表面平面；以及包层结构，其至少部分地围绕所述芯结构，其中所述芯结构的折射率比所述包层结构的折射率高。
在一些实施例中，制作无反射镜光波导的方法可以包括：将多个层依次沉积到衬底上，每层包括形成芯结构部的第一墨以及形成包层结构部的第二墨；其中一层中的芯结构部被构造为相对于相邻层中的芯结构部偏移，使得当多个二维层被沉积时，第一墨部形成具有朝向光波导的表面延伸的弯曲端部的三维芯结构，并且所述第二墨部形成至少部分地围绕所述芯结构的三维包层结构。
在一些实施例中，使用无反射镜光波导的方法可以包括提供光波导，该光波导包括芯结构和至少部分地围绕芯结构的包层结构，所述芯结构包括第一端部、第二端部以及在第一端部与第二端部之间的纵长段，所述纵长段基本上平行于表面平面，所述第一端部和第二端部是弯曲的且从纵长段延伸到表面平面，并且芯结构具有比包层结构高的折射率；以及通过将光发射到第一端部上来引导光通过芯结构，使得光从第一端部朝向纵长段传播且从第二端部出射。
在一些实施例中，光电子设备可以包括无反射镜光波导，该无反射镜光波导包括芯结构和至少部分地围绕芯结构的包层结构，芯结构包括第一端部、第二端部以及在第一端部与第二端部之间的纵长段，所述纵长段基本上平行于表面平面，第一端部和第二端部是弯曲的且从纵长段延伸到表面平面，并且芯结构具有比包层结构高的折射率；光源，其将光照射到第一端部上，使得光从第一端部朝向纵长段传播且从第二端部出射；以及接收器组件，其接收从第二端部出射的光。
附图说明
通过下面结合附图给出的详细说明和随附的权利要求，本公开的前述特征以及其它特征将变得更加清楚。应理解的是，这些附图仅描绘了依照本公开的若干实施例，因此，不应视为对范围的限制，将通过利用附图结合附加的具体描述和细节对本公开进行说明。
图1示出了常规的具有反射镜的波导的侧剖视图。
图2示出了根据一个实施例的无反射镜光波导的侧剖视图。
图3示出了光进入无反射镜光波导的一端且从波导的另一端出射。
图4示出了图2所示的无反射镜波导的部分俯视立体图。
图5A-5D示出了用于制造无反射镜光波导的3维印刷过程中的渐进阶段。
图6是无反射镜光波导的一层的一部分沉积的立体图，该层具有围绕芯结构部的包层结构部。
图7示出了根据一个实施例在制造过程的一个步骤中部分地形成的无反射镜光波导。
图8示出了完整的无反射镜光波导，其中衬底的部分被去除以露出芯结构的端部。
图9示出了根据一个实施例制备包层墨的方法。
图10示出了根据一个实施例来制备芯墨的方法。
图11示出了根据替选实施例来制备芯墨的方法。
图12是描绘芯结构中的纳米颗粒的浓度与芯结构的折射率之间的关系的曲线图。x轴表示作为芯结构的重量百分比的纳米颗粒浓度。y轴表示芯结构的折射率。
具体实施方式
在光电子电路中，光波导可用于将光从光源(例如，垂直腔表面发射激光器)引导到光接收器组件(例如，光电二极管)中。入射到光波导的一端的光可以通过光波导传播且进入光接收器(例如，光电二极管)。常规的波导可包括反射镜以引导光路进出光波导。相反，本文公开的实施例将该反射镜从波导省略。省略反射镜能够有助于防止由反射镜处的反射导致的光损耗。此外，省略反射镜能够降低制造成本和时间。
喷墨印刷能够用于制作根据本文公开的实施例的无反射镜光波导。在一些实施例中，无反射镜光波导可以是具有芯结构以及至少部分地围绕芯结构的包层结构的三维结构。包层结构能够由包括聚氨酯、丙烯酸或两者的纳米颗粒的墨制成。用于形成芯结构的墨可以具有类似的聚氨酯、丙烯酸或两者的纳米颗粒，以及具有高折射率的附加纳米颗粒(诸如氧化锆)。在一些实施例中，芯结构具有纵长段以及从纵长段延伸出且朝向表面平面弯曲的两个弯曲端部。
图1示出了在具有光源110、光接收器120和衬底210的光电子电路中使用的常规的波导100的侧剖视图。如图1所示，波导100可以包括芯结构240以及至少部分地围绕芯结构的包层结构250。波导100可进一步布置在光源110和光接收器120的下方。图1还示出了光源110和光接收器120的下方的波导100的相对端处布置的反射镜142、144。反射镜142、144可以以关于芯240的轴线倾斜的角度定位。光源110下方的反射镜142可以如下角度定位：使得入射到该反射镜142上的、从光源110发射的光可以被引入240且引向波导200的相对端。光接收器120下方的反射镜144可以如下角度定位：使得入射到该反射镜144上的光能够被引出芯240且引入光接收器120。
图2示出了形成在衬底210上的无反射镜光波导200的一个实施例的侧剖视图。在一些实施例中，衬底210是硅衬底。光波导200可以包括芯结构240以及围绕芯结构的包层结构250。图3示出了在示例性的光电子设备中进入光波导200的一端且传播通过波导200的光的示例说明。根据本文所描述的方法所形成的波导200的形状和结构以及包层结构250与芯结构240的折射率之差，允许光进入波导200且传播通过波导200，而无需使用诸如图1的常规波导中所描绘的反射镜142、144的反射镜。
参考图2，无反射镜光波导200的一些实施例包括芯结构240，芯结构240具有纵长段230以及在纵长段230的相对端处的两个弯曲端部222、224。纵长段230可以基本平行于衬底210。弯曲端部222、224中的每一个可以从纵长段230延伸并向平行于衬底210的表面平面260弯曲。因此，根据一些实施例，芯结构240能够限定大致“U”形。每个弯曲端部可终止于表面平面中的开口272、274。在一些实施例中，一个开口272可以是入口，该入口接收从光源110发射的光。另外，另一个开口272可以是出口，光通过该出口出射而进入光检测器120。在一些实施例中，除了开口272、274周围之外，包层结构250完全地围绕芯结构240。
参考图2，在一些实施例中，弯曲端部222、224能够限定曲率半径，该曲率半径可从纵长段230朝向表面平面260增大。因此，弯曲端部222、224可以朝向表面平面260向上弯曲。另外，曲线的陡度可以是越靠近表面平面250越大。在一些实施例中，曲率半径可以大于或等于约4mm。在一些实施例中，曲率半径可以大于或等于约5mm。其它曲率半径也是可能的。根据一些实施例，两个端部222、224的曲率半径可以相同。根据一些实施例，两个端部222、224的曲率半径还可以不同。另外，在一些实施例中，一个弯曲端部222的曲率半径可独立于另一弯曲端部224的曲率半径。因此，弯曲端部222、224能够独立地限定曲率半径。
在一些实施例中，如图2所示，弯曲端部222、224能够远离衬底210但是朝向平行于衬底210的表面平面260而弯曲。在其它实施例中，如图3所示，弯曲端部222、224能够朝向衬底210以及朝向平行于衬底210的表面平面260弯曲。在这些实施例中，衬底210的覆盖弯曲端部222、224的开口272、274的部分能够被去除以允许例如来自光电二极管210的光进入波导200，而且还允许光从波导200出射到例如光检测器120，如图3所示。
芯结构240的截面形状可以为正方形，如图4所示，该图描绘了图2所示的波导200的部分俯视立体图。芯结构240的截面区域可以是任何几何形状，而无需限于正方形。在一些实施例中，芯结构240的截面形状是矩形。在其它实施例中，芯结构240的截面形状是椭圆形。其它截面形状也是可能的。芯结构的尺度不特别限定，一般可以是任何尺度。芯结构240的截面可以具有范围从约30μm x30μm至约200μm x200μm的长度和宽度。例如，芯结构240的截面可以具有约30μm x 30μm、50μm x 50μm、70μmx 70μm、90μm x 90μm、110μm x 110μm、130μm x 130μm、150μm x 150μm、170μm x 170μm、190μm x 190μm、200μm x 200μm的长度和宽度，或者这些值中的任意值之间的长度和宽度。芯结构240的截面积可以为约900pm2至约40nm2。例如，芯结构240的截面积可以为约900pm2、1000pm2、2500pm2、4900pm2、8100pm2、12.1μm2、16.9μm2、22.5μm2、28.9μm2、36.1μm2、40μm2，或这些值中的任意值之间的面积。在一些实施例中，芯结构240的截面积可以为约2500pm2。
包层结构250的材料可以包括丙烯酸、聚氨酯或两者的组合的纳米颗粒。在一些实施例中，包层纳米颗粒具有丙烯酸内层和聚氨酯外层。芯结构240的材料可以包括类似的丙烯酸、聚氨酯或两者的纳米颗粒，以及提高芯结构240的折射率的芯纳米颗粒。这些芯纳米颗粒可由具有高折射率的材料(诸如氧化锡、氧化铝、氧化锆、二氧化钛或者它们的任意组合)制成。例如，芯纳米颗粒可由氧化锆制成。在一些实施例中，芯纳米颗粒可以约40％至80％的量存在于芯结构240中。例如，芯纳米颗粒可以40％、50％,、60％、70％、80％的量或者这些值中的任意值之间的量存在于芯结构240中。例如，芯纳米颗粒可以约50％的量存在于芯中。在一些实施例中，芯纳米颗粒具有等于或小于约20nm的平均直径。例如，芯纳米颗粒的平均直径可以为约20nm、约16nm、约12nm、约8nm、约4nm、约2nm或这些值中的任意值之间的平均直径。
在一些实施例中，芯240的折射率可以高于包层结构250的折射率。折射率之差能够允许光在沿着芯240结构的形状的路径中穿过芯结构240。另外，由于芯结构240可包括朝向表面平面260弯曲的两个弯曲端部222、224，所以光能够行进进入波导200以及离开波导200，而无需使用反射镜。包层结构250的折射率可以为约1.490至约1.520。例如，包层结构250的折射率可以为约1.490、1.500、1.510、1.520，或者这些值中的任意值之间的折射率。芯结构240的折射率可为约1.502至约1.551。例如，芯结构240的折射率可以为约1.502、1.510、1.520、1.530、1.540、1.551，或者这些值中的任意值之间的折射率。在一些实施例中，包层结构250可以具有约1.490的折射率，并且芯结构240可具有约1.551的折射率。在一些实施例中，相对折射率差大于0.75％。相对折射率差由下面的公式(1)来表示：
n 1 2 - n 2 2 2 n 1 2 ≥ 0.75 % - - - ( 1 )
其中n1代表芯结构240的折射率，n2代表包层结构250的折射率。因此，例如，在一些实施例中，芯结构240可具有1.502的折射率，包层结构250可具有1.49的折射率。作为另一示例，在一些实施例中，芯240可具有1.532的折射率，包层结构250可具有1.52的折射率。在一些实施例中，提高芯结构240的折射率能够允许弯曲端部222、224由于相对大的临界角而具有较小的曲率半径。
参考图5-8，示出了制作无反射镜光波导200的方法。图5A-5D以及图7-8示出了根据制造过程中的不同步骤而部分地形成的无反射镜光波导。利用任何适合的方法(诸如喷墨印刷)，多个层510能够顺序地沉积到衬底210上。每层可以包括利用芯墨沉积的芯结构部以及利用包层墨沉积的包层结构部。例如，图6示出了具有芯结构部910和包层结构部920的层的一个示例。在一些实施例中，一些层仅具有包层结构部920，而没有芯结构部910。在一些实施例中，每层中的芯结构部910以及包层结构部920可同时沉积。在其它实施例中，芯结构部910和包层结构部920能够依次沉积在每层中。例如，在芯结构部910沉积在一层中之后，包层结构部920然后可以沉积在该同一层中。
在一些实施例中，制作无反射镜光波导200的方法包括喷墨印刷。在这些实施例中，喷墨印刷可以包括将液滴沉积到衬底210上。根据一些实施例，液滴可以具有约1pl至约10pl的体积。例如，液滴可具有约1pl、2pl、4pl、6pl、8pl、10pl的体积，或者在这些值中的任意值之间的体积。一旦液滴印刷到衬底210上，液滴可以形成直径为约12μm至约40μm的圆。例如，液滴可以形成直径为约12μm、15μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm或者在这些值中的任意值之间的直径的圆。
在一些实施例中，每层可以在后一层沉积到其上之前进行干燥。每层的厚度可以为约0.1μm至约1.6μm。例如，每层的厚度可以为约0.1μm、0.2μm、0.4μm、0.6μm、0.8μm、1.0μm、1.2μm、1.4μm、1.6μm，或者这些值中的任意值之间的厚度。根据一些实施例，每层的厚度可为0.83μm。在一些实施例中，约50至约6000层能够印刷到衬底210上，从而得到高度为约90μm至约600μm的光波导200。例如，一百八十(180)层能够印刷到衬底210上，从而得到高度为约150μm的光波导200。层数和光波导200的高度能够变化。
参考图5A-D，层能够依次沉积到衬底210上，使得一层中的芯结构部910相对于相邻层中的芯结构部910偏移。例如，两个相邻层可以具有部分交叠的芯结构部910。每层中的芯结构部910和包层结构部920的布局和尺度能够设计成使得当多个层被沉积时，芯结构部910形成三维芯结构240。参考图5D，在一些实施例中，三维芯结构240具有两个弯曲端部222、224以及在它们之间的纵长段230。另外，在一些实施例中，两个弯曲端部222、224限定了曲率半径且朝向表面平面260弯曲，其中弯曲端部222、224均终止于开口272、274。类似地，每层中芯结构部910和包层结构部920的布局可设计成使得当多个层被沉积时，包层结构部910形成围绕芯结构240的三维包层结构250。在一些实施例中，包层结构250不围绕弯曲端部222、224的开口272、274。
参考图5A，在一些实施例中，制作无反射镜光波导200的方法可以将包层510沉积到衬底210上而开始。包层可仅具有包层结构部920，而没有芯结构部910。接着，参考图5B，具有一个芯结构部910的多个层能够沉积到先前沉积的层上。具有一个芯结构部910的层能够形成三维芯结构240的纵长段230。接着，参考图5C，具有两个芯结构部910的多个层能够沉积到先前沉积的层上。具有两个芯结构部910的层最终能够形成三维芯240的两个弯曲端部222、224。在一些实施例中，两个弯曲端部222、224终止于与包层510相对的表面。每层中芯结构部910和包层结构部920的布局和尺度能够设计成使得当沉积多个层时，多个层形成图5D所示的三维芯结构240以及包层结构250。
图5A-D示出了制作具有远离衬底210弯曲的弯曲端部222、224的无反射镜光波导的方法。为了制作具有朝向衬底210弯曲的弯曲端部的无反射镜波导(在图7中描绘了其示例)，能够采用类似图5A-D的方法。例如，图7中沉积的层的顺序与图5D中沉积的层的顺序相比是相反的。例如，包层510可以最后沉积而不是首先沉积。参考图8，在全部的层沉积到衬底210上之后，衬底210的与两个弯曲端部222、224的开口272、274相邻的部分可被去除，从而允许进出芯240。
图9示出了制备能够用于形成无反射镜光波导200的包层结构250的包层墨的方法。在步骤1210中，能够提供包层纳米颗粒的复合乳液(emulsion composite)。纳米颗粒的材料可以是丙烯酸、聚氨酯或两者。在一些实施例中，纳米颗粒可具有丙烯酸内层以及聚氨酯外层。因此，复合乳液可具有丙烯酸(例如，膜形成简易、光泽、耐气候性、硬度、颜料可扩散性)以及聚氨酯(例如稳固性、附着性以及耐摩擦性)两者的优点。
接着，在步骤1220中，水基溶剂能够用于稀释复合乳液。水基溶剂的水重量比的范围可从约20:80至约80：20。例如，水基溶剂的水重量比可以为约20:80、30:70、40:60、50:50、60:40、70:30、80:20，或者在这些值中的任意值之间的比值。在一些实施例中，水重量比是80：20。在用水基溶剂稀释了复合乳液之后，包层纳米颗粒的浓度的范围可从约1％至约20％。例如，包层纳米颗粒的浓度可以为约1％、2％、4％、6％、8％、10％、12％、14％、16％、18％、20％，或者在这些值中的任意值之间的浓度。例如，稀释的乳液中包层纳米颗粒的浓度按重量计可为约10％。包含稀释的纳米颗粒复合乳液的组合物能够充当用于包层结构250的墨。
在一些实施例中，用以稀释纳米颗粒复合乳液的水基溶剂具有高的沸腾温度。高的沸腾温度能够防止墨过快干燥。墨干燥过快会由于过大的表面张力或喷嘴阻塞而妨碍喷墨印刷。水基溶剂可具有从约100℃至约320℃的范围的沸腾温度。例如，水基溶剂可具有约100℃、120℃、140℃、160℃、180℃、200℃、220℃、240℃、260℃、280℃、300℃、320℃的沸腾温度，或者在这些值中的任意值之间的沸腾温度。在一些实施例中，水基溶剂包含了水以及如下中的一种或多种：甲基异丁基酮、双丙酮醇、环己酮、3,5,5-三甲基-2-环己烯-1-酮、丙二醇一甲基醚、乙二醇一乙基醚、乙二醇一丁基醚、二甘醇一乙基醚、二甘醇一丁基醚、丙二醇一丁基醚醋酸酯、乙二醇一乙基醚醋酸酯、乙二醇一丁基醋酸酯、二甘醇一乙基醚醋酸酯、1,3-丁二醇、1,4-丁二醇、1,5-戊二醇、2-甲基-1,3-丙二醇、四甘醇、和四甘醇二甲醚。
在选择水基溶剂时，可以考虑到诸如挥发性、与水可混性、透明度以及保持用户安全的可容许环境浓度等参数。在一些实施例中，水基溶剂包含水和四甘醇。
图10示出了制备能够用于形成无反射镜光波导200的芯结构240的芯墨的方法。在步骤1310中，能够提供以如图9中的相同的方式制备的包层墨。接着，在步骤1320中，芯纳米颗粒的悬浮液能够添加到包层墨中，从而产生在复合乳液中具有芯纳米颗粒和包层纳米颗粒的组合物。在一些实施例中，芯纳米颗粒能够以如下量添加：使得纳米颗粒与包层纳米颗粒之比的范围从约40：60至约90：10。例如，芯纳米颗粒与包层纳米颗粒之比可以为约40:60、50:50、60:40、70:3、80:20、90:10，或者这些值中的任意值之间的比。在一些实施例中，芯纳米颗粒与包层纳米颗粒之比为约50：50。在一些实施例中，芯纳米颗粒可以是氧化锡、氧化铝、氧化锆、二氧化钛或它们的组合。
芯纳米颗粒能够用于提高组合物的折射率。因此，在一些实施例中，芯纳米颗粒能够由具有高折射率的材料制成。例如，芯纳米颗粒能够由氧化锡、氧化铝、氧化锆和/或二氧化钛制成。在一些实施例中，芯纳米颗粒能够由具有约1.95的折射率的氧化锆制成。芯纳米颗粒可以具有等于或小于约20nm的平均直径。例如，芯纳米颗粒的平均直径可以为约20nm、约16nm、约12nm、约8nm、约4nm、约2nm或者这些值中的任意值之间的平均直径。控制添加到包层墨中的芯纳米颗粒的量能够控制组合物的折射率。一般地，增大组合物中芯纳米颗粒的量可以提高组合物的折射率。
在芯纳米颗粒添加到包层墨之后，在步骤1330中可利用水基溶剂来稀释组合物，从而产生芯墨。水基溶剂可以与用于制备包层墨的水基溶剂相同。在一些实施例中，在稀释步骤完成之后，纳米颗粒(包层纳米颗粒和芯纳米颗粒一起)的浓度可为按重量计约1％至约20％。例如，纳米颗粒的浓度可以为按重量计约1％、2％、4％、6％、8％、10％、12％、14％、16％、18％、20％，或者这些值中的任意值之间的浓度。例如，包层墨中的纳米颗粒的浓度为按重量计约10％。在芯墨和包层墨干燥之后，存在于芯结构240中的芯纳米颗粒的量可与芯纳米颗粒与包层纳米颗粒之比相同。例如，如果芯纳米颗粒与包层纳米颗粒之比为40：60，则存在于芯结构240中的芯纳米颗粒的量将为40％。
图11示出了制备芯墨的另一方法。在步骤1410中，能够提供包层纳米颗粒的复合乳液。包层纳米颗粒的材料可以是丙烯酸、聚氨酯或两者。接着，在步骤1430中，芯纳米颗粒的悬浮液添加到复合乳液中。接着，在步骤1430中，包层纳米颗粒和芯纳米颗粒的混合物能够利用水基溶剂来稀释，使得纳米颗粒(包层纳米颗粒以及芯纳米颗粒一起)的浓度为约1％至约20％。例如，纳米颗粒的浓度可以为按重量计约1％、约2％、约4％、约6％、约8％、约10％、约12％、约14％、约16％、约18％、约20％，或者在这些值中的任意值之间的浓度。例如，固体含量可以是按重量计约10％。水基溶剂可以与上文结合图12所描述的水基溶剂相同。
因此，与图10所示的方法相比，图11示出了芯纳米颗粒的悬浮液添加到包层纳米颗粒而不是包层墨的复合乳液中的方法。因此，芯纳米颗粒能够直接添加到包层纳米颗粒的复合乳液中，而不首先稀释包层纳米颗粒的复合乳液。在其他实施例中，水基溶剂添加到包层纳米颗粒的复合乳液中，随后添加芯纳米颗粒、水基溶剂或两者。
本公开不限于本文所描述的特定实施例，这些实施例意在各方面的示例。能够在不偏离其精神和范围的情况下做出多种改进和变型，这对于本领域技术人员而言是显而易见的。通过前面的说明，除了本文所列举的那些之外，在本公开的范围内的功能上等同的方法和装置对于本领域技术人员而言将是显而易见的。旨在使这些改进和变型落在所附权利要求书的范围内。本公开仅受所附权利要求书以及这些权利要是所给予权利的等同方案的整个范围所限制。应当理解的是，本公开不限于特定的方法、试剂、化合物、组合物或生物系统，当然这些会变化。还应理解的是，本文所使用的术语是仅仅是为了描述特定实施例的目的，而不意在限制。
关于本文中基本上任何复数和/或单数术语的使用，本领域技术人员能够根据上下文和/或应用适当地从复数变换成单数和/或从单数变换成复数。为了清晰的目的，本文中明确地阐明了各单数/复数的置换。
示例1制备用于包层结构的墨
提供具有纳米颗粒的复合乳液。(来自日本Taisei Fine Chemical公司的WEM-3008)。复合乳液具有100nm的平均直径的纳米颗粒。纳米颗粒具有丙烯酸内层以及聚氨酯外层。复合乳液中纳米颗粒的浓度为按重量计32％。接着，水基溶剂，具体为四甘醇(沸点为328℃，水重量比是80：20)，添加到纳米颗粒复合乳液中，使得复合乳液中的纳米颗粒的浓度变成按重量计10％。得到的组合物被用作包层结构的墨。墨组合物被涂覆到玻璃衬底上，从而形成膜。膜厚度测量装置(加利福尼亚的圣地牙哥F20Filmetrics公司)用于确定墨膜的折射率。墨的折射率是1.490。
示例2制备用于芯的墨
以与示例1相同的方式来制备包层墨组合物。氧化锆纳米颗粒(NanoUse ZR-30BF,比重是1.37,pH值是7.1,折射率是1.95,以及按重量计30％纳米颗粒浓度,日本的Nissan Chemical Industries,Ltd.)添加到包层墨组合物中以形成用于芯结构的墨。制备多种不同的混合物，每种具有不同的氧化锆纳米颗粒的量。包层墨中氧化锆纳米颗粒的量与总纳米颗粒量之比是：0:100、40:60、50:50、60:40、70:30、80:20、90:10和100:0。每种得到的具有不同氧化锆纳米颗粒的量的墨组合物涂覆到玻璃衬底上，从而形成膜。墨的膜的折射率是利用膜厚度测量装置(加利福尼亚的圣地亚哥的F20Filmetrics公司)来测量的。图12示出了具有不同的氧化锆纳米颗粒的量的每种墨组合物的折射率。下面的表1示出了具有不同的氧化锆纳米颗粒的量的每种墨组合物的折射率的值。因此，芯结构的折射率能够基于引入起始墨组合物的氧化锆纳米颗粒的量来调整。
表1
示例3制作无反射镜光波导
以与示例1相同的方式制备包层墨。以与示例2相同的方式制备芯墨。利用包层墨，利用喷墨印刷将多个包层沉积到硅衬底上。接着，分别利用包层墨和芯墨将具有包层结构部和芯结构部的层沉积到先前沉积的层上。因此，由包层墨印刷包层结构部，并且由芯墨来印刷芯结构部。接着，具有包层结构部和一个芯结构部的另一层沉积到先前沉积的层上。在该层中的芯结构部和前一层中的芯结构部彼此偏移。具有包层结构部和一个芯结构部的多个层依次沉积到先前沉积的层上，每个芯结构部相对于相邻层中的芯结构部偏移。接着，多个层依次沉积到先前沉积的层上，每层具有包层结构部和两个芯结构部。一层中的两个芯结构部中的每一个相对于相邻层中的两个芯结构部中的每一个偏移。
在全部层沉积之后，芯结构部形成三维芯结构，该三维芯结构具有纵长段以及从纵长段延伸且朝向表面平面远离衬底弯曲的两个弯曲端部。每个弯曲端部在表面平面中形成开口。另外，包层结构部形成除了开口之外完全地围绕芯的三维包层结构。
示例4制作和使用光电子电路
以与示例3相同的方式来制备无反射镜光波导。光源(垂直腔表面发射激光器)位于波导芯结构的一个弯曲端部的开口上方。检测器(光电二极管)位于波导芯结构的另一弯曲端部的开口上方。光从光源发射到一个弯曲端部的开口中。光传播通过波导芯结构，从另一弯曲端部的开口出射，并且由检测器接收。因此，能够表明，根据公开的实施例的光波导不需要用于光传播的反射镜，并且因此能够减轻或避免由于使用反射镜导致的光损耗。
本领域技术人员将理解，一般地，本文所使用的术语，尤其是随附权利要求(例如，随附权利要求的主体)中所使用的术语，通常意在为“开放式”术语(例如，术语“包括”应当解释为“包括但不限于”，术语“具有”应解释为“至少具有”，术语“包括”应解释为“包括但不限于”，等等)。本领域技术人员还理解，如果意图表达引导性权利要求记述项的具体数量，该意图将明确地记述在权利要求中，并且在不存在这种记述的情况下，不存在这样的意图。例如，为辅助理解，下面的随附权利要求可能包含了引导性短语“至少一个”和“一个或多个”的使用以引导权利要求记述项。然而，这种短语的使用不应解释为暗指不定冠词“一”或“一个”引导权利要求记述项将包含该所引导的权利要求记述项的任何特定权利要求局限于仅包含一个该记述项的实施例，即使当同一权利要求包括了引导性短语“一个或多个”或“至少一个”以及诸如“一”或“一个”的不定冠词(例如，“一”和/或“一个”应当解释为表示“至少一个”或“一个或多个”)；这同样适用于对于用于引导权利要求记述项的定冠词的使用。另外，即使明确地记述了被引导的权利要求记述项的具体数量，本领域技术人员将理解到这些记述项应当解释为至少表示所记述的数量(例如，没有其它修饰语的裸记述“两个记述项”表示至少两个记述项或两个以上的记述项)。此外，在使用类似于“A、B和C等中的至少一个”的惯用法的这些实例中，通常这样的构造旨在表达本领域技术人员理解该惯用法的含义(例如，“具有A、B和C中的至少一个的系统”将包括但不限于仅具有A、仅具有B、仅具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B和C等等的系统)。在使用类似于“A、B或C等中的至少一个”的惯用法的这些实例中，通常这样的构造旨在表达本领域技术人员理解该惯用法的含义(例如，“具有A、B或C中的至少一个的系统”将包括但不限于仅具有A、仅具有B、仅具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B和C等等的系统)。本领域技术人员将进一步理解，呈现两个以上可选项的几乎任何分隔词和/或短语，无论是在说明书、权利要求或附图中，都应理解为设想包括一项、任一项或两项的可能性。例如，术语“A或B”将理解为包括“A”或“B”或“A和B”的可能性。
本领域技术人员将理解的是，为了任何以及全部的目的，诸如在提供所撰写的说明书方面，本文所公开的全部范围也涵盖了任何和全部的可能的子范围及其子范围的组合。能够容易地认识到任何所列范围都充分地描述了同一范围并且使同一范围分解成至少均等的一半、三分之一、四分之一、五分之一、十分之一等等。作为非限制示例，本文所论述的每个范围能够容易地分解成下三分之一、中三分之一和上三分之一，等等。本领域技术人员还将理解的是，诸如“多达”、“至少”等所有的语言包括所记述的数量并且是指如上文所论述的随后能够分解成子范围的范围。最后，本领域技术人员将理解的是，范围包括每个独立的成员。因此，例如，具有1-3个单元的组是指具有1个、2个或3个单元的组。类似地，具有1-5个单元的组是指具有1个、2个、3个、4个、或5个单元的组，等等。
通过前面的论述，将理解到本文已经为了示例的目的描述了本公开的各实施例，并且可以在不偏离本公开的范围和精神的情况下进行各种改进。因此，本文所公开的各个实施例不意在限制，真正的范围和精神是通过随附的权利要求表示的。

Claims (53)

1.一种无反射镜光波导，包括：
芯结构，其包括第一端部、第二端部以及在所述第一端部与所述第二端部之间的纵长段，其中所述纵长段基本上平行于表面平面，并且其中所述第一端部和所述第二端部是弯曲的且从所述纵长段延伸到所述表面平面；以及
包层结构，其至少部分地围绕所述芯结构，其中所述芯结构的折射率高于所述包层结构的折射率。
2.根据权利要求1所述的无反射镜光波导，其中所述第一端部和所述第二端部独立地限定曲率半径。
3.根据权利要求2所述的无反射镜光波导，其中所述曲率半径从所述纵长段朝向所述表面平面增大。
4.根据权利要求3所述的无反射镜光波导，其中所述曲率半径大于或等于约4mm。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的无反射镜光波导，其中所述芯结构的截面积为约900pm2至约40nm2。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的无反射镜光波导，其中所述包层结构包括丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、或两者的组合。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的无反射镜光波导，其中所述包层结构具有约1.490至约1.520的折射率。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的无反射镜光波导，其中所述芯结构具有约1.502至约1.551的折射率。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的无反射镜光波导，其中所述包层结构包括包层纳米颗粒。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的无反射镜光波导，
其中所述芯结构包括：
包层纳米颗粒；以及
芯纳米颗粒。
11.根据权利要求9-10中任一项所述的无反射镜光波导，其中所述包层纳米颗粒包括丙烯酸内层以及聚氨酯外层。
12.根据权利要求10-11中任一项所述的无反射镜光波导，其中所述芯纳米颗粒包括氧化锡、氧化铝、氧化锆、二氧化钛、或它们的组合。
13.根据权利要求10-12中任一项所述的无反射镜光波导，其中所述芯纳米颗粒具有等于或小于约20nm的平均直径。
14.根据权利要求10-13中任一项所述的无反射镜光波导，其中所述芯纳米颗粒以约40％至约80％的量存在于所述芯中。
15.根据权利要求10-13中任一项所述的无反射镜光波导，其中所述芯纳米颗粒以约50％的量存在于所述芯中。
16.一种制作无反射镜光波导的方法，所述方法包括：
将多个层依次沉积到衬底上，每个层包括形成芯结构部的第一墨以及形成包层结构部的第二墨；
其中一层中的所述芯结构部被构造为相对于相邻层中的所述芯结构部偏移，使得当多个二维层沉积时，第一墨部形成具有朝向所述光波导的表面延伸的弯曲端部的三维芯结构，并且所述第二墨部形成至少部分地围绕所述芯结构的三维包层结构。
17.根据权利要求16所述的方法，其中沉积包括喷墨印刷。
18.根据权利要求16-17中任一项所述的方法，进一步包括将一个或多个包层沉积到与所述弯曲端部相对的表面上，其中每个包层包括所述第二墨。
19.根据权利要求16-18中任一项所述的方法，进一步包括：
通过如下步骤来形成所述第一墨：
提供具有包层纳米颗粒的复合乳液；
将芯纳米颗粒添加到所述复合乳液中，从而产生混合物；以及
将水基溶剂添加到所述复合乳液或所述混合物中。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述包层纳米颗粒和所述芯纳米颗粒一起以从按重量计约1％至约20％的范围的量存在于所述第一墨中。
21.根据权利要求19-20中任一项所述的方法，其中所述包层纳米和所述芯纳米颗粒一起以按重量计约10％的量存在于所述第一墨中。
22.根据权利要求19-21中任一项所述的方法，其中所述芯纳米颗粒具有等于或小于约20nm的平均直径。
23.根据权利要求19-22中任一项所述的方法，其中所述芯纳米颗粒包括氧化锡、氧化铝、氧化锆、二氧化钛、或它们的组合。
24.根据权利要求19-23中任一项所述的方法，其中所述芯纳米颗粒包括氧化锆。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述氧化锆纳米颗粒与所述包层纳米颗粒之比的范围从约40:60到约90:10。
26.根据权利要求24-25中任一项所述的方法，其中所述氧化锆纳米颗粒与所述包层纳米颗粒之比为约50:50。
27.根据权利要求24-26中任一项所述的方法，其中所述氧化锆纳米颗粒具有1.95的折射率。
28.根据权利要求16-27中任一项所述的方法，进一步包括：
通过如下步骤来形成所述第二墨：
提供具有包层纳米颗粒的复合乳液；以及
将水基溶剂添加到所述复合乳液中。
29.根据权利要求16-28中任一项所述的方法，其中所述水基溶剂包括四甘醇、正甲基-2-吡咯烷酮、2-甲基-1,3-丙二醇、二甘醇一丁基醚、1,5-戊二醇、四甘醇二甲基醚、或它们的组合的有机溶剂。
30.根据权利要求31所述的方法，其中所述水基溶剂的有机溶剂具有约100℃至约320℃的沸腾温度。
31.根据权利要求16-30中任一项所述的方法，其中所述水基溶剂的水重量比在约20:80至约80:20之间。
32.根据权利要求16-31中任一项所述的方法，其中所述水基溶剂的水重量比为约80:20。
33.根据权利要求16-32中任一项所述的方法，其中所述水基溶剂包括四甘醇和水，其中所述水基溶剂的重量比为约80:20。
34.根据权利要求28所述的方法，其中所述包层纳米颗粒包括丙烯酸内层和聚氨酯外层。
35.根据权利要求34所述的方法，其中所述包层纳米颗粒以按重量计约1％至按重量计约20％的量存在于所述第二墨中。
36.根据权利要求34-35中任一项所述的方法，其中所述包层纳米颗粒以按重量计约10％的量存在于所述第二墨中。
37.根据权利要求16-18中任一项所述的方法，进一步包括：通过将芯纳米颗粒的悬浮液与所述第二墨混合来形成所述第一墨；以及将水基溶剂添加到芯纳米颗粒与所述第二墨的混合物中。
38.根据权利要求37所述的方法，其中所述水基溶剂包括四甘醇和水，其中所述水基溶剂的水重量比为约80:20。
39.根据权利要求37-38中任一项所述的方法，其中所述第二墨中的所述芯纳米颗粒与包层纳米颗粒之比的范围从约40:60至约80:20。
40.根据权利要求37-39中任一项所述的方法，其中所述第二墨的所述芯纳米颗粒与固态含量之比为约50:50。
41.根据权利要求16所述的方法，其中所述衬底是硅衬底。
42.根据权利要求16所述的方法，其中所述沉积包括印刷所述第一墨的液滴以形成所述芯结构部，以及印刷所述第二墨的液滴以形成所述包层结构部，其中所述第一墨的印刷和所述第二墨的印刷能够同时地或者依次执行。
43.根据权利要求16所述的方法，其中所述沉积包括：针对所述多个二维层中的每一个协调所述第一墨的印刷和所述第二墨的印刷，使得一层中的所述芯结构部被构造为相对于相邻层中的所述芯结构部偏移。
44.根据权利要求16所述的方法，进一步包括：在将相邻层沉积到每个层上之前，对每个层进行干燥。
45.根据权利要求44所述的方法，其中所述芯结构部包括在干燥之后按重量计约40％至约80％的芯纳米颗粒。
46.一种使用无反射镜光波导的方法，所述方法包括：
提供包括芯结构和至少部分地围绕所述芯结构的包层结构的光波导，所述芯结构包括第一端部、第二端部以及在所述第一端部与所述第二端部之间的纵长段，所述纵长段基本上平行于表面平面，所述第一端部和所述第二端部是弯曲的且从所述纵长段延伸到所述表面平面，并且所述芯结构具有比所述包层结构高的折射率；以及
通过将光发射到所述第一端部上来引导该光通过所述芯结构，使得该光从所述第一端部朝向所述纵长段传播且从所述第二端部出射。
47.根据权利要求46所述的方法，其中引导光包括将来自光源的光发射到所述第一端部上。
48.根据权利要求47所述的方法，其中所述光源是垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。
49.根据权利要求46所述的方法，进一步包括利用接收器组件接收从所述第二端部出射的光。
50.根据权利要求49所述的方法，其中所述接收器组件是光电二极管。
51.一种光电子设备，包括：
无反射镜光波导，其包括芯结构和至少部分地围绕所述芯结构的包层结构，所述芯结构包括第一端部、第二端部以及在所述第一端部与所述第二端部之间的纵长段，所述纵长段基本上平行于表面平面，所述第一端部和所述第二端部是弯曲的且从所述纵长段延伸到表面平面，并且所述芯结构具有比所述包层结构高的折射率；
光源，其将光照射到所述第一端部上，使得该光从所述第一端部朝向所述纵长段传播且从所述第二端部出射；以及
接收器组件，其接收从所述第二端部出射的光。
52.根据权利要求51所述的设备，其中所述光源是垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。
53.根据权利要求51所述的设备，其中所述接收器组件是光电二极管。
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