CN110716261B - 多层柔性波导写入装置及多包层聚合物波导的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多层柔性波导写入装置，包括针头、针筒、活塞，针头包括第一外针管、第二外针管、内针管和针头主体，第一外针管、第二外针管和内针管同轴放置，针筒设有第一外针筒、第二外针筒和内针筒，第一外针筒和第二外针筒下端设有固定连接部，第一外针管、第二外针管和内针管分别与第一外针筒、第二外针筒和内针筒连通，活塞包括置于第一、第二外针筒之间的第一外活塞，位于第二外针筒和内针筒之间的第二外活塞以及内针筒内部的内活塞。本发明还提出一种多层柔性波导制备方法。利用本装置可制备多包层聚合物波导，解决了聚合物波导单包层应力不均匀带来的损耗及色散问题，该方法工艺简单，快速高效，可控性高，极大程度上降低了生产成本。

Description

多层柔性波导写入装置及多包层聚合物波导的制备方法

技术领域

本发明涉及集成光子器件技术领域，具体来说，涉及一种多层柔性波导写入装置及制备方法。

背景技术

随着信息技术的不断发展，人们对数据传输容量和性能的要求不断提高，也对光通信器件提出更加苛刻的要求：性能高、尺寸小、成本低。目前，广泛使用的光波导材料主要有无机的III-V族材料和有机聚合物材料，但是无机波导材料成本高昂、加工程序繁复，限制了其在光通信领域的应用。有机聚合物作光波导材料有柔韧性好、通信波段损耗低、折射率容易调整、加工工艺简单等优点，以其优越的综合性能逐渐成为光通信器件制作的重要材料。

然而，有机聚合物波导应用于集成光器件最大的缺点是其应力不均匀、稳定性差、寿命低，而且高质量的聚合物材料价格昂贵，这大大限制了其在光通信领域的商业化应用。目前的聚合物波导多为单包层，单一包层的柔性波导应力不均匀，会带来较大的损耗和色散问题。多包层波导可以抵消应变不均匀的影响，而且可以通过调整多包层波导的不同参数来获得更好的传输特性。多包层聚合物波导具有传统单包层波导不具有的优越性。

发明内容

本发明目的在于提供一种多层柔性波导写入装置及多包层聚合物波导的制备方法，采用多层柔性波导写入装置可以简单快速地制备出多包层的聚合物波导，通过合理的设计波导芯层及各包层的折射率和厚度，可制备出种类丰富及性能更加优良的光器件。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

本发明所述的一种多层柔性波导写入装置，包括针头、针筒、活塞等组件，其特征在于所述针头包括针头主体、第一外针管、第二外针管和内针管，三层针管相对于针头主体中心轴线同轴放置，所述针筒设有第一外针筒、第二外针筒和内针筒，所述第一外针筒和第二外针筒下端设有固定连接部，三层针管分别与三层针筒连通，所述活塞包括置于第一外针筒和第二外针筒之间的第一外活塞，位于第二外针筒和第二外针筒之间的第二外活塞和内针筒内部的内活塞，活塞用于密封各针筒以及固定各针筒的相对位置。

本发明还可以采用以下技术措施来进一步优化多层柔性波导写入装置：

A)第一外针管的长度略长于第二外针管，第二外针管的长度略长于内针管。

B)三个针管出口均为平口，与针头主体中心轴线成90°角。

C)内活塞为圆形，第一外活塞和第二外活塞为环形。

D)活塞的材料可以是塑料、橡胶等。

E)固定连接部位于第一外针筒和第二外针筒拐点上方。

F)固定连接部与针筒是一体的，是四个夹角90°的凸出结构。

G)外层针管与内层针管的内径尺寸之比大于1/2。

本发明还提供一种多包层聚合物波导的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：取一衬底，使用旋涂法将一定粘度的液态聚合物单体涂布在衬底上，形成具有一定厚度的液态外包层。

步骤2：将液态芯层、内包层、中间包层聚合物单体分别加入到内针筒、第二外针筒、第一外针筒中；

步骤3：将针头插入到液态外包层中，对不同针筒中的液态聚合物材料施加一定的压强，使针头按照一定的速度和轨迹将液态聚合物材料分散到液态外包层中；

步骤4：用黑色挡板遮住波导两端多余部分，并在紫外光源下固化，然后在一定温度条件下老化一段时间；

步骤5：端面研磨和抛光处理。

本发明还可以采用以下技术措施来进一步优化多包层聚合物波导制备方法的技术方案，即：

A)所有材料均为紫外固化聚合物，例如硅酸盐基树脂、变形丙烯酸酯、环氧树脂或者有机-无机杂化树脂等。

B)芯层材料折射率大于三个包层材料的折射率，才能使光在芯层波导中传播。

C)芯层、内包层、中间包层材料的粘度要大于外包层材料的粘度，液态聚合物单体才可在外包层中维持一定形状。

D)多层波导形状由针头移动轨迹来决定，多层波导各层厚度由压强、针头内径、针头移动速度控制，压强越小、针头内径越小、针头移动速度越快，波导直径越小。

E)通过调整多层聚合物波导各层的折射率和厚度，可获得不同传输特性的波导。有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1.损耗低，色散补偿效果。本发明一种多层柔性波导写入装置，可以制备多包层聚合物波导，消除了单层波导应力不均匀带来的损耗和色散问题。

2.调节方法简便高效，可控性高。本发明一种多层柔性波导制备方法，波导折射率容易调节，且只需调节针管内径、移动速度、压强等参数，就可控制波导的形状和尺寸，进而获得性能更加优良的结构。

3.工艺简单，成本低廉。本发明一种多层柔性波导的制备方法，工艺简单，几分钟就可完成制作，很好地降低了生产成本。

附图说明

图1是本发明实施例提供的多层柔性波导写入装置的针筒基本结构示意图；

图2是本发明实施例提供的多层柔性波导写入装置的针头基本结构示意图；

图3是活塞部分的俯视图；

图4是固定连接部的俯视图；

图5—图8是多包层聚合物波导的制备步骤；

图9是双包层聚合物波导的端面示意图；

图10是双包层聚合物波导的色散曲线图；

图11是双包层聚合物“S”型弯曲锥波导的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，但本发明不限于实施例。

如图1所示，本发明一种多层柔性波导写入装置，包括针头1、针筒2、活塞3等组件。针头由第一外针管11、第二外针管12、内针管13和针头主体14组成，第一外针管11、第二外针管12和内针管13同轴放置，三者的内径分别为500μm、230μm、100μm。针筒设有第一外针筒21、第二外针筒22和内针筒23，第一外针筒21和第二外针筒22拐点上方设有固定连接部24，内针管13、第一外针管11和第二外针管12分别与内针筒23、第一外针筒21和第二外针筒22连通。所述活塞3包括第一外活塞31、第二外活塞32和内活塞33，内外活塞均为轻质塑料结构，内活塞为圆形，外活塞为环形，分别密封住各个针筒。固定连接部与外针筒是一体的，是四个夹角90°的凸出结构，与外活塞一起用于各层针筒间相对位置的固定。

所有材料均为美国NORLAND公司的紫外固化光学胶水。芯层材料的型号为NOA68T，粘度为25,000mPa·s，折射率为1.54。内包层材料的型号为NOA78，粘度为8,000mPa·s，折射率为1.50。外包层和中间包层材料的型号为NOA76，粘度为5,000mPa·s，折射率为1.51。

参照图5-8所示，下面详细介绍一种多包层聚合物波导的制备方法：

步骤1：取一尺寸为200mm×200mm的玻璃基板作为衬底，将玻璃基板放在旋涂仪上，将液态外包层单体滴在衬底上，调到最低转速，形成具有一定厚度的液态外包层。

步骤2：将液态芯层、内包层、中间包层聚合物单体分别加入到内针筒、第二外针筒、第一外针筒中；

步骤3：将针头插入到液态外包层中，对不同针筒中的液态聚合物材料施加150kPa的压强，使针头按照250mm/s的速度沿着直线运动，将液态聚合物材料分散到液态外包层中；

步骤4：用黑色挡板遮住波导两端多余部分，在波长为365nm、功率为为100W的UV光源下固化30分钟，然后在50℃下老化24小时；

步骤5：端面研磨和抛光处理，其处理后端面示意图如图10。

双包层聚合物波导的色散仿真结果如图11所示，从图11中可以看出：双包层聚合物波导相比于单包层聚合物波导其色散值为负。而且，双包层聚合物波导在1550nm处的色散斜率为负，因此能够补偿二阶色散，可以调整使内包层折射率凹陷度增大，将会提高负的色散值。

实施例2：实施例1在外包层、中间包层、内包层均使用美国NORLAND公司型号NOA87的紫外固化聚合物，其粘度为1,200mPa·s，折射率为1.524。在各层材料加入到对应针筒之后，步骤3中将针头插入到液态外包层中，对不同针筒中的液态聚合物材料施加150kPa的压强，使针头沿着两段半圆弧曲线运动，同时控制针头的移动速度从300mm/s逐渐变化到50mm/s，可得到“S”型弯曲的锥波导，其左侧端面直径为3μm，右侧端面直径为8μm，如图11所示(不包括外包层)。相比如传统锥波导，该波导在径向尺寸变化的同时，输出输出端不在同一水平层，这种新型结构可用于多层光波导平台的耦合，在光子集成芯片领域有很大应用前景。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种多层柔性波导写入装置，包括针头、针筒和活塞；其特征在于：所述针头包括针头主体、第一外针管、第二外针管和内针管，三层针管相对于针头主体中心轴线同轴放置，所述针筒设有第一外针筒、第二外针筒和内针筒，所述第一外针筒和第二外针筒下端设有固定连接部，三层针管分别与三层针筒连通；固定连接部位于第一外针筒和第二外针筒拐点上方；所述固定连接部与针筒是一体的，是四个夹角90°的凸出结构；所述活塞包括置于第一外针筒和第二外针筒之间的第一外活塞，位于第二外针筒和内针筒之间的第二外活塞和内针筒内部的内活塞，活塞用于密封各针筒以及固定各针筒的相对位置；所述活塞的材料是塑料或橡胶。

2.如权利要求1所述的多层柔性波导写入装置，其特征在于：所述第一外针管的长度长于第二外针管，第二外针管的长度长于内针管；所述第一外针管、第二外针管和内针管的出口均为平口，与针头主体中心轴线成90°角；所述内活塞为圆形，第一外活塞和第二外活塞为环形；所述第一外针管与第二外针管的内径尺寸之比大于1/2，第二外针管与内针管的内径尺寸之比大于1/2。

3.一种基于权利要求1所述的多层柔性波导写入装置的多包层聚合物波导的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：取一玻璃基板作为衬底，使用旋涂法将一定粘度的液态聚合物单体涂布在衬底上，形成具有一定厚度的液态外包层；

步骤2：将液态芯层、内包层、中间包层聚合物单体分别加入到内针筒、第二外针筒、第一外针筒中；芯层材料折射率大于三个包层材料的折射率，芯层、内包层、中间包层材料的粘度大于外包层材料的粘度；

步骤3：将针头插入到液态外包层中，对不同针筒中的液态聚合物材料施加一定的压强，使针头按照一定的速度和轨迹将液态聚合物材料分散到液态外包层中；

步骤4：用黑色挡板遮住波导两端多余部分，并在紫外光源下固化，然后在一定温度条件下老化一段时间；

步骤5：端面研磨和抛光处理。

4.如权利要求3所述的多包层聚合物波导的制备方法，其特征在于：所有材料均为紫外固化聚合物，包括硅酸盐基树脂、变形丙烯酸酯、环氧树脂或者有机-无机杂化树脂。

5.如权利要求3所述的多包层聚合物波导的制备方法，其特征在于：多层波导形状由针头移动轨迹来决定，多层波导各层厚度由压强、针头内径、针头移动速度控制，压强越小、针头内径越小、针头移动速度越快，波导直径越小；通过调整多层聚合物波导各层的折射率和厚度，能够获得不同传输特性的波导。

6.如权利要求3所述的多包层聚合物波导的制备方法，其特征在于：将针头插入到液态外包层中，将不同针头中的液态聚合物材料施加150kpa压强，使针头沿着两段半圆弧曲线运动，同时控制针头的移动速度从300mm/s逐渐变化到50mm/s，得到 “S”型弯曲的锥波导，其左侧端面直径为3μm，右侧端面直径为8μm，在径向尺寸变化的同时，输入输出端不在同一水平层。

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