CN109669244B - 一种基于3d打印的三维光波导制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于3D打印的三维光波导制作方法，包括波导、基体、波导横向分支、波导纵向分支；在CAD软件中设计三维波光导结构模型，其中波导区域为空腔；使用3D打印机制作三维光波导结构，其中波导所在位置打印完成后为中空管道；使用液体和研磨颗粒混合物快速注入灌注口并冲刷中空管道内壁，直到中空管道内壁打磨光滑；波导材料为热熔性材料，沿灌注口和假波导管道灌入中空管道或直接灌入中空管道，并固化，形成波导胚体；加热三维光波导结构整体，再次冷却后形成波导；本发明适合光波导的小批量甚至单件的快速生产、三维光波导结构不但可以安装更多的功能模块，也更方便于计算机线路布局设计。

Description

一种基于3D打印的三维光波导制作方法
技术领域
本发明涉及光电集成线路板等领域，具体为一种基于3D打印的三维光波导制作方法。
背景技术
21世纪的科学技术是日新月异的，电子行业作为高新技术行业，技术发展更是一日千里。当前，随着多媒体业务，包括电话，有线电视(CATV)，数字电视和Internet的快速和全面发展，对电路带宽和容量的要求急剧增加。在传统的电学领域，信号的传输和开关的速度已经受到限制。以电子计算机为例，其CPU的主频已经达到2-2.9GHz，在电信干线上传输码流的速度更达到几十甚至上千Gbit。而与之相对照的是，计算机的总线传输依然停留在10-100M，高也不过Gbit。显然，计算机内部总线连接和计算机互连的速率已经成为整个计算机环境的瓶颈。因此有人提出把光作为计算机内部(包括电路板内部)及计算机之间的互连手段。从原理上讲，用导线连接的传输速率受到其寄生参量(寄生电阻、电感和旁生电容)的影响和限制，无法与光比拟，尤其在大的传输距离光传输对于电传输优势更加明显。光子具有较大的带宽和较低的传输损耗，免于串扰和电磁干扰，在同一个光学媒介中传输多个波长时，不同的波长可以平行通过。所以，光子在电子学领域的应用都发挥了重要作用。
在这样的背景下，光波导用于计算机通信基板是提高计算机通信速度和带宽的很好的方案，基于光波导基板的光电线路板是以光子做信号传输，以电子进行运算的新一代高运算所需的封装基板，将目前发展得非常成熟的传统印制电路板加上一层波导层。因此使得电路板的使用由现在的电连接技术发展到光传输领域。
目前光波导基板还是平面的二维结构，其制作方法还是基于半导体芯片加工的刻蚀、化学气相沉积等工艺，适合大批量的制作，而定制化小批量生产则成本较高；目前计算机内部网络更加复杂、功能模块更多，二维结构以及不能满足线路布局要求了；另一方面目前光波导基板光向垂直于波导基板的方向引出时，目前采用的是微结构反射镜，这种微结构反射镜制作工艺复杂、成本高。
基于以上原因，本发明提出一种基于3D打印的三维光波导制作方法，适合小批量甚至单件的快速生产、三维波导结构不但可以安装更多的功能模块，也更方便于计算机线路布局设计。
作为高速和高带宽通信基材，可以在其上安装芯片、传感器、显示模块、通信模块等模块和线路板，可用于制作计算机和超级计算机的基板，传感器基板，以及人工智能系统的基板等。
发明内容
本发明的目的是：提供一种基于3D打印的三维光波导制作方法，以解决现有技术中至少一种技术问题。
实现上述目的的技术方案是：一种基于3D打印的三维光波导制作方法，包括波导、基体、波导横向分支、波导纵向分支；
进一步的，波导的折射率高于基体，当光由波导一端射入，由于光在波导和基体界面形成全反射，因此光可沿波导内传输；
进一步的，波导上分布有波导横向分支和波导纵向分支，光沿波导传输遇到分支时光会按一定功率比例分成两束光；
进一步的，在CAD软件中设计三维波光导结构模型，其中波导区域为空腔；
进一步的，使用3D打印机制作三维光波导结构，其中波导所在位置打印完成后为中空管道；
进一步的，在三维光波导结构中留有灌注口和假波导管道；
进一步的，使用液体和研磨颗粒混合物快速注入灌注口并冲刷中空管道内壁，直到中空管道内壁打磨光滑；
进一步的，波导材料为热熔性材料，沿灌注口和假波导管道灌入中空管道或直接灌入中空管道，并固化，形成波导胚体；
进一步的，加热三维光波导结构整体，使得波导的热熔性材料与3D打印材料流动性提高，并互相渗透融合，在交界面形成连续过渡区域；
进一步的，再次冷却后形成波导；
进一步的，假波导管道内材料固化后也形成假波导，由于该假波导与通信光波导垂直所以不起导光作用；
进一步的，灌注波导材料过程中，在中空管道的其它开口处由于表面张力作用形成波导材料突起，但不会流出管道；
进一步对三维光波导结构6个面进行研磨和抛光，以达到与外接光波导对接通过的效果；
进一步的，所述3D打印的方法采用：熔融沉积式、选择性激光融化成型、选择性热烧结、选择性激光烧结、分层实体制造、立体平板印刷或数字光处理方法。
本发明的优点是：本发明的一种基于3D打印的三维光波导制作方法，适合小批量甚至单件的快速生产、三维结构不但可以安装更多的功能模块，也更方便于计算机线路布局设计。
作为高速和高带宽通信基材，可以在其上安装芯片、传感器、显示模块、通信模块等模块和线路板，可用于制作计算机和超级计算机的基板，传感器基板，以及人工智能系统的基板等。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步解释。
图1是本发明实施例的三维打印的三维光波导结构示意图。
图2是本发明实施例的折射率随波导边线尺寸变化示意图。
图3是本发明实施例的灌注口分布示意图。
图4是本发明实施例的假波导结构示意图。
图5是本发明实施例的研磨液体灌注口和流出口结构示意图。
其中，
11波导； 12基体；
13波导横向分支； 14波导纵向分支；
15灌注口； 16假波导；
17出水口。
具体实施方式
以下实施例的说明是参考附加的图式，用以例示本发明可用以实施的特定实施例。本发明所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「顶」、「底」等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。
实施实例：如图1所示，
提供一种基于3D打印的三维光波导制作方法，以解决现有技术中至少一种技术问题。
实现上述目的的技术方案是：一种基于3D打印的三维光波导制作方法，包括波导11、基体12、波导横向分支13、波导纵向分支14；
进一步的，如图2所示，折射率随波导边线尺寸变化，波导11区域折色率高于基体12区域，并在交界面连续过度，本实施实例中波导11区域折色率为1.62，基体区域折色率为1.52。
进一步的，由于波导11的折射率高于基体12，当光由波导一端射入，由于光在波导11和基体12界面形成全反射，因此光可沿波导11内传输；
进一步的，波导11上分布有波导横向分支13和波导纵向分支14，光沿波导11传输遇到分支时光会按一定功率比例分成两束光；
进一步的，在CAD软件中设计三维波光导结构模型，其中波导11区域为空腔；
进一步的，使用3D打印机制作三维光波导结构，其中波导11所在位置打印完成后为中空管道；
进一步的，如图3所示，在三维光波导结构中留有灌注口15和假波导管道；
进一步的，如图5所示，使用液体和研磨颗粒混合物，快速注入灌注口并冲刷中空管道内壁，在本实施实例中采用二次打磨的方式，先使用水和二氧化硅颗粒进行冲刷管道内壁10分钟，再使用水和二氧化铈颗粒冲刷管道内壁5分钟；如图5所示，水和研磨颗粒混合物由灌注口15进入，由出水口17流出；
进一步的，灌注的波导材料为热熔性材料，沿灌注口15和假波导管道灌入中空管道或直接灌入中空管道，并固化，形成波导胚体；
进一步的，加热三维光波导结构整体，使得波导的热熔性材料与3D打印材料流动性提高，并互相渗透融合，在交界面形成连续过渡区域；
进一步的，再次冷却后形成波导11；
假波导管道内固化材料固化后也形成假波导16，如图4所示，由于该假波导16与通信光波导11垂直，光波导11的光不会注入假波导16，所以不起导光作用；
进一步的，灌注波导材料过程中，在中空管道的其它开口处由于表面张力作用形成波导材料突起，但不会流出管道；
进一步对三维光波导结构6个面进行研磨和抛光，以达到与外接光纤或光波导对接通过的效果；
进一步的，本实施事例中的三维光波导结构仅为一种三维光波导结构举例，根据不同功能需要三维波导结构和其中波导11分布可以不同，但都是采用本发明的方法实现；
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于3D打印的三维光波导制作方法，其特征在于，三维光波导包括波导、基体、波导横向分支、波导纵向分支；波导的折射率高于基体，当光由波导一端射入，由于光在波导和基体界面形成全反射，因此光可沿波导内传输；波导上分布有波导横向分支和波导纵向分支，光沿波导传输遇到分支时光会分成两束光；在CAD软件中设计三维波光导结构模型，其中波导区域为空腔；使用3D打印机制作三维光波导结构，其中波导所在位置打印完成后为中空管道；在三维光波导结构中留有灌注口和假波导管道；使用液体和研磨颗粒混合物快速注入灌注口并冲刷中空管道内壁，直到中空管道内壁打磨光滑；波导材料沿灌注口和假波导管道灌入中空管道或直接灌入中空管道，并固化，形成波导；波导材料为热熔性材料，沿灌注口和假波导管道灌入中空管道或直接灌入中空管道，并固化，形成波导胚体；加热三维光波导结构整体，使得波导的热熔性材料与3D打印材料流动性提高，并互相渗透融合，在交界面形成连续过渡区域；再次冷却后形成波导；假波导管道内材料固化后也形成假波导，由于该假波导与通信光波导垂直所以不起导光作用；灌注波导材料过程中，在中空管道的其它开口处由于表面张力作用形成波导材料突起，但不会流出管道；
进一步对三维光波导结构6个面进行研磨和抛光，以达到与外接光波导对接通过的效果。
2.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的三维光波导制作方法，其特征在于，对于通信波长,所述波导的折射率高于基体的折射率，光在波导和基体的界面产生全反射。
3.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的三维光波导制作方法，其特征在于，所述波导材料对于其应用系统所需的通信波长光透明。
4.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的三维光波导制作方法，其特征在于，所述3D打印的方法采用：熔融沉积式、选择性激光融化成型、选择性热烧结、选择性激光烧结、分层实体制造、立体平板印刷或数字光处理方法。
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