CN114706163B - 一种悬空型脊状光波导器件及其3d打印制备方法 - Google Patents

一种悬空型脊状光波导器件及其3d打印制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种悬空型脊状光波导器件及其3D打印制备方法，包括波导部、平板部和对称分置于平板部两端的支撑座，波导部、平板部和支撑座一体加工成型；波导部为横截面为矩形、且沿光导方向延伸的长条形结构；平板部悬空状的搭接于两端的支撑座上，波导部位于两个支撑座的对称中心面上、且承接设置于所述平板部上侧；波导部上矩形横截面的宽度w1，平板部位于波导部两侧的宽度w2大于等于2倍的波导部的宽度w1；以上结构对应的光波导器件采用同一光敏聚合物材料通过激光双光子聚合物3D打印一体加工成型，使得波导部内部传播的光在与空气的界面处全反射，一次成型无对版误差，具有无微扰、立体化、小型化和低损耗的特点。

Description

一种悬空型脊状光波导器件及其3D打印制备方法
【技术领域】
本发明涉及聚合物光波导制备技术领域，尤其涉及一种采用双光子聚合3D打印技术制备的悬空型脊状光波导器件及其3D打印制备方法。
【背景技术】
随着近年来个人计算机或因特网的普及，信息传送需求急剧增加。为此，希望将传输速度快的光传输普及到个人计算机等的终端信息处理装置。为了实现这一点，必须低成本且大量地制造光相互连接用的高性能的光波导。聚合物材料是光波导器件的重要材料，在柔性、可拉伸、可穿戴领域应用广泛；由树脂制造的光波导，一般由聚酰亚胺形成光波导的芯层和包层，这样的聚合物的光波导按如下方法制造：在硅等基片上，形成下部包层，在该下部包层上形成第1树脂膜，将该第1树脂膜形成光波导形图案形状的芯层，在下部包层和芯层表面，利用旋转涂布法涂布第2树脂膜的材料溶液并使其干燥，以形成由第2树脂膜构成的上部包层。这样，通过由树脂形成芯层和包层，可由简单的制造工序制造树脂制成的光波导。
在光波导技术中，光波导主要通过光在芯层材料和包层材料界面处发生全反射实现光限制功能，对于Si波导，其芯层材料为3.42，与包层材料具有较高的折射率差(例如SOI器件中，二氧化硅的折射率为1.45)，高折射率差可以实现Si波导的小型化。
但是，由于光波导器件向小型化的方向发展，而聚合物材料的折射率范围主要在1.35-1.6区间，因此，对聚合物材料的波导而言，芯层和包层的折射率差有限，因此波导器件小型化受限。
因此，相比增加了芯层和包层的波导存在折射率差，有的研究人员采用空气作为聚合物波导的包层，波导采用悬臂型的聚合物波导结构，对光有更好的限制，更利于器件小型化。同时悬臂型聚合物波导可应用于光互连和多层芯片的端面空间连接方面，是光子芯片密集空间集成的重要方案。
然而，现有的悬臂型波导结构主要采用支架结构的底部支撑和侧面贴合支撑，上述结构虽然可以通过支撑参数的优化降低损耗，但这种支撑方案会在波导与支撑结构接触的地方带来光的泄露。同时，该结构将会带来支架处对光的相位的微扰，影响光栅等光学结构的输出波形。若采用不同材料作为支撑结构，虽然可以降低损耗，但是提高了制备流程的复杂性，同时带来后期对准的误差。如何采用同种材料，既实现了对波导的支撑，又能够使得光不从支撑结构中泄露，同时减小支撑结构的微扰，成为悬空波导行业迫切需要解决的技术问题。
【发明内容】
本发明实施例提供一种基于高精度的激光双光子聚合物3D打印技术，采用单一光学聚合物材料中制作波导和支撑结构，一次成型无对版误差，具有无微扰、立体化、小型化和低损耗的悬空型脊状光波导器件及其3D打印制备方法。
第一方面，本发明一实施例提供一种悬空型脊状光波导器件，用于光在波导中传输而不向支撑部分泄露，包括波导部、平板部和对称分置于平板部两端的支撑座，所述波导部、平板部和支撑座采用同一光敏聚合物材料一体加工成型，两个所述支撑座分别水平设置于用于两者固定的衬底上；
所述波导部为横截面为矩形、且沿光导方向延伸的长条形结构，在波导部内部传播的光在与空气的界面处全反射；
所述平板部悬空状的搭接于两端的支撑座上、并用于上侧所述波导部悬空支撑及定位；
所述波导部位于两个所述支撑座的对称中心面上、且承接设置于所述平板部上侧，且所述波导部的横截面波导中心在Y轴方向的投影与所述平板部矩形中心的投影重合、以及所述平板部在Y轴方向的上表面与Y轴方向上所述波导部的下表面重合；
所述波导部上矩形横截面的宽度w1，所述平板部位于所述波导部两侧的宽度w2大于等于2倍的所述波导部的宽度w1。
优选地，所述波导部上矩形横截面的宽度w1为0.2-25微米，所述波导部上矩形横截面的高度h1为0.4-25微米。
优选地，所述波导部的长条形长度L为100微米到3000微米。
优选地，所述平板部的厚度h2为200纳米-3微米。
优选地，所述支撑座的截面为矩形结构，所述支撑座与所述平板部的侧壁触接且两者之间相互垂直，所述支撑座的截面矩形宽度w3为1-3倍的所述波导部宽度w1，所述支撑座的截面矩形高度h3为1-20倍所述波导部上矩形横截面高度h1；且所述支撑座的截面矩形高度h3包含所述平板部的厚度h2，所述截面矩形的顶面与所述平板部长方形截面的上侧长边平齐重合，所述截面矩形的底面与衬底连接。
优选地，所述支撑座的截面为等腰梯形结构，所述支撑座的等腰梯形截面的上底宽度w4为1-3倍的所述波导部宽度w1，所述支撑座的等腰梯形截面的下底宽度w5为1.5-5倍的所述等腰梯形截面的上底宽度w4，所述支撑座的等腰梯形截面高度h4为1-20倍所述波导部上矩形横截面高度h1；且所述支撑座的等腰梯形截面高度h4包含所述平板部的厚度h2，所述等腰梯形截面的上底面与所述平板部长方形截面的上侧长边平齐重合，所述等腰梯形截面的下底面与衬底连接。
优选地，所述光敏聚合物材料为SU-8光刻胶材料、NOA光刻胶或greenA光刻胶。
第二方面，本发明一实施例提供一种悬空型脊状光波导器件的3D打印制备方法，包括以下步骤：
步骤1，采用3D软件构建3D打印模型；
步骤2，在矩形衬底上滴加未固化的光敏聚合物材料；
步骤3，将矩形衬底安装于显微镜的载物台上，启动计算机、激光器和激光控制器，激光器预热3-5分钟，所述激光控制器用于调整激光器的焦点位置、输出光强和激光器光斑运动路径：
步骤4，导入步骤1中3D打印模型对应的打印文件，采用切片软件对3D模型进行切片，切片纵向精度hz为0.08-1.98微米，该0.08-1.98微米为小于3D打印光斑的最小纵向尺寸，横向精度hh为0.03-0.98微米，0.03-0.98微米为小于3D打印光斑的最小横向尺寸，切片方向采用X轴方向、Y轴方向或Z轴方向，对应方向切片得到相应的薄层；
步骤5，切片后，得到激光器扫描的路径文件；
步骤6，将激光器扫描的路径文件导入激光控制器，激光控制器调整激光器打印的起始位置，使得激光器起始位置在衬底和未固化的聚合物材料界面处的水平方向，且让打印的起始位置位于未固化的光敏聚合物材料的液滴内部；
步骤7，设置打印环境参数，设定光功率为5-150mW，设定曝光时间为0.5-5ms，沿坐标轴的O-X轴向、O-Y轴向或O-Z轴向选择打印方向，参数调节后启动激光器开始打印；
步骤8，激光器光斑照射未固化的光敏聚合物材料凝固，凝固后在矩形衬底上形成波导器件；
然后，使用丙酮显影20-60s，去除未固化的光敏聚合物材料，得到采用空气包层聚合物的悬空型脊状光波导器件，最后采用六维微调测试平台对光波导器件进行测试。
进一步地，所述步骤2中矩形衬底的宽度为5mm-2.5cm、长度为2cm-2.5cm。
进一步地，所述步骤4中还包括：相应方向切片的薄层内部设置不同的线型填充，同时调整打印同一层内的线和线的间距为0.03-0.98微米0.03-0.98微米为小于波导的纵向光斑尺寸，保证实心填充；为了得到实芯波导，线间距小于光斑水平投影的尺寸，光斑的垂直层与层的间距小于垂直光斑的尺寸，该光斑尺寸由聚焦透镜和激光器波长决定，光斑尺寸X方向通常为0.05-1微米，Y方向通常为0.05-1微米，Z方向通常为0.1-2微米。
本发明实施例的有益效果是：
本发明在不采用多种材料体的情况下采用激光双光子聚合物3D打印，在对激光敏感的单一光学聚合物材料中制作波导和支撑结构，显影后得到光波导器件。相比增加了芯层和包层的波导器件，本发明具有以下优点：
1、损耗低，采用同种材料一体成型，有效减少光波传播过程中的损耗；
2、小型化，采用空气包层结合双光子的高精度工艺，实现了波导的小型化；
3、立体化，波导结构悬空，两个支撑座和平板部构成的支架结构稳定，便于构建三维波导结构，同时可以实现波导在三个维度的弯曲；
4、无微扰，波导部与平板部之间的接触结构恒定，对相位没有微扰；
5、一次成型无对版误差，采用同种材料一次打印成型，无多种材料和后期的对版误差。
【附图说明】
图1是本发明实施例一的主视立体结构示意图；
图2是本发明实施例一的底视立体结构示意图；
图3是本发明实施例二的主视立体结构示意图；
图4是本发明的制备系统示意图。
【具体实施方式】
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本文中使用的“包括”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
现结合附图对本发明实施例提供的连接器进行说明。
实施例一
一种悬空型脊状光波导器件，用于光在波导中传输而不向支撑部分泄露，如图1和图2所示，包括波导部1、平板部2和对称分置于平板部2两端的支撑座3，该波导部1、平板部2和支撑座3采用同一光敏聚合物材料一体加工成型，该光敏聚合物材料为SU-8光刻胶材料、NOA光刻胶或greenA光刻胶，两个支撑座3分别水平设置于用于两者固定的衬底上；该波导部1为横截面为矩形、且沿光导方向延伸的长条形结构，在波导部1内部传播的光在与空气的界面处全反射。
继续如图1和图2所示，该平板部2悬空状的搭接于两端的支撑座3上、并用于上侧波导部1悬空支撑及定位，波导部1位于两个支撑座3的对称中心面上、且承接设置于平板部2上侧，且波导部1的横截面(X-Y轴面上)波导中心在Y轴方向的投影与平板部2矩形中心的投影重合、以及平板部2在Y轴方向的上表面与Y轴方向上波导部1的下表面重合；其中，波导部1上矩形横截面的宽度w1，平板部2位于波导部1两侧的宽度w2大于等于2倍的波导部1的宽度w1。
该实施例中，波导部1上矩形横截面的宽度w1为0.2-25微米，该常用尺寸是0.2-9微米，实现跟单模波导的耦合即可；所述波导部1上矩形横截面的高度h1为0.4-25微米；波导部1的长条形长度L为1000微米，平板部2的厚度h2为600纳米，该常用尺寸小于1微米可以保证较小的弯曲损耗)。
该实施例中，支撑座3的截面为矩形结构，支撑座3与平板部2的侧壁触接且两者之间相互垂直，支撑座3的截面矩形宽度w3为2倍的波导部1宽度w1，支撑座3的截面矩形高度h3为10倍波导部1上矩形横截面高度h1；且支撑座3的截面矩形高度h3包含平板部2的厚度h2，该截面矩形的顶面与平板部2长方形截面的上侧长边平齐重合，截面矩形的底面与衬底连接。
实施例二
如图3所示，该实施例与实施例一的不同之处在于，支撑座3的截面为等腰梯形结构，支撑座3的等腰梯形截面的上底宽度w4为2倍的波导部1宽度w1，支撑座3的等腰梯形截面的下底宽度w5为2倍的等腰梯形截面的上底宽度w4，支撑座3的等腰梯形截面高度h4为10倍波导部1上矩形横截面高度h1；且支撑座3的等腰梯形截面高度h4包含平板部2的厚度h2，等腰梯形截面的上底面与平板部2长方形截面的上侧长边平齐重合，等腰梯形截面的下底面与衬底连接。
以上两个实施例中，对应的悬空型脊状光波导器件的3D打印制备方法，如图4所示，包括以下步骤：
步骤1，采用solidwork等3D软件构建3D打印模型；
步骤2，在矩形衬底4上滴加未固化的光敏聚合物材料5，其中，矩形衬底宽为5mm-2.5cm、衬底长为2cm-2.5cm；该光敏聚合物材料可以是SU-8光刻胶材料、NOA光刻胶或greenA等光刻胶，该光敏聚合物材料与激光器的波长匹配，激光器的波长可以使得照射后的材料发生固化：
步骤3，将矩形衬底4安装于显微镜6的载物台上，启动计算机7、激光器8和激光控制器9，激光器预热3-5分钟，激光控制器用于调整激光器8的焦点位置、输出光强和激光器8光斑运动路径；其中，激光器可以是532nm皮秒激光器、纳秒激光器或飞秒激光器；
步骤4，导入步骤1中3D打印模型对应的打印文件10，采用切片软件11(可以是商用软件或自己编程软件)对3D模型进行切片，切片纵向精度hz为0.08-1.98微米，该0.08-1.98微米为小于3D打印光斑的最小纵向尺寸，横向精度hh为0.03-0.98微米，0.03-0.98微米为小于3D打印光斑的最小横向尺寸，切片方向采用X轴方向、Y轴方向或Z轴方向，对应方向切片得到相应的薄层；
相应方向切片的薄层内部设置不同的线型填充(如螺旋线填充、直线填充)，同时调整打印同一层内的线和线的间距为0.03-0.98微米0.03-0.98微米为小于波导的纵向光斑尺寸，保证实心填充；为了得到实芯波导，线间距小于光斑水平投影的尺寸，光斑的垂直层与层的间距小于垂直光斑的尺寸，该光斑尺寸由聚焦透镜和激光器波长决定，光斑尺寸X方向通常为0.05-1微米，Y方向通常为0.05-1微米，Z方向通常为0.1-2微米。
步骤5，切片后，得到激光器8扫描的路径文件12；
步骤6，将激光器8扫描的路径文件12导入激光控制器9，激光控制器9调整激光器8打印的起始位置，使得激光器8起始位置在衬底4和未固化的聚合物材料3界面处的水平方向，且让打印的起始位置位于未固化的光敏聚合物材料5的液滴内部；
步骤7，设置打印环境参数，如侵入式或空气环境，设定光功率为5-150mW，设定曝光时间为0.5-5ms，沿坐标轴的O-X轴向、O-Y轴向或O-Z轴向选择打印方向，参数调节后启动激光器7开始打印；
步骤8，激光器7光斑照射未固化的光敏聚合物材料5凝固，凝固后在矩形衬底4上形成波导器件；
步骤9，然后，使用丙酮显影20-60s，去除未固化的光敏聚合物材料5，得到采用空气包层聚合物的悬空型脊状光波导器件，最后采用六维微调测试平台对光波导器件进行测试。
制备的光波导器件，一次成型无对版误差，由于采用同种材料一体成型，波导部与平板部之间的接触结构恒定，具有损耗低、无微扰的特点，而且便于构建三维立体化的波导结构，同时可以实现波导在三个维度的弯曲，便于波导小型化的加工。
以上所述实施例只是为本发明的较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，凡依本发明之形状、构造及原理所作的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种悬空型脊状光波导器件，用于光在波导中传输而不向支撑部分泄露，其特征在于，包括波导部、平板部和对称分置于平板部两端的支撑座，所述波导部、平板部和支撑座采用同一光敏聚合物材料一体加工成型，两个所述支撑座分别水平设置于用于两者固定的衬底上；
所述波导部为横截面为矩形、且沿光导方向延伸的长条形结构，在波导部内部传播的光在与空气的界面处全反射；
所述平板部悬空状的搭接于两端的支撑座上、并用于上侧所述波导部悬空支撑及定位；
所述波导部位于两个所述支撑座的对称中心面上、且承接设置于所述平板部上侧，且所述波导部的横截面波导中心在Y轴方向的投影与所述平板部矩形中心的投影重合、以及所述平板部在Y轴方向的上表面与Y轴方向上所述波导部的下表面重合；
所述波导部上矩形横截面的宽度w1，所述平板部位于所述波导部两侧的宽度w2大于等于2倍的所述波导部的宽度w1。
2.根据权利要求1所述的一种悬空型脊状光波导器件，其特征在于：所述波导部上矩形横截面的宽度w1为0.2-25微米，所述波导部上矩形横截面的高度h1为0.4-25微米。
3.根据权利要求1所述的一种悬空型脊状光波导器件，其特征在于：所述波导部的长条形长度L为100微米到3000微米。
4.根据权利要求1所述的一种悬空型脊状光波导器件，其特征在于：所述平板部的厚度h2为200纳米-3微米。
5.根据权利要求1所述的一种悬空型脊状光波导器件，其特征在于：所述支撑座的截面为矩形结构，所述支撑座与所述平板部的侧壁触接且两者之间相互垂直，所述支撑座的截面矩形宽度w3为1-3倍的所述波导部宽度w1，所述支撑座的截面矩形高度h3为1-20倍所述波导部上矩形横截面高度h1；且所述支撑座的截面矩形高度h3包含所述平板部的厚度h2，所述截面矩形的顶面与所述平板部长方形截面的上侧长边平齐重合，所述截面矩形的底面与衬底连接。
6.根据权利要求1所述的一种悬空型脊状光波导器件，其特征在于：所述支撑座的截面为等腰梯形结构，所述支撑座的等腰梯形截面的上底宽度w4为1-3倍的所述波导部宽度w1，所述支撑座的等腰梯形截面的下底宽度w5为1.5-5倍的所述等腰梯形截面的上底宽度w4，所述支撑座的等腰梯形截面高度h4为1-20倍所述波导部上矩形横截面高度h1；且所述支撑座的等腰梯形截面高度h4包含所述平板部的厚度h2，所述等腰梯形截面的上底面与所述平板部长方形截面的上侧长边平齐重合，所述等腰梯形截面的下底面与衬底连接。
7.根据权利要求1所述的一种悬空型脊状光波导器件，其特征在于：所述光敏聚合物材料为SU-8光刻胶材料、NOA光刻胶或greenA光刻胶。
8.根据权利要求1至7任意一项权利要求所述的一种悬空型脊状光波导器件的3D打印制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，采用3D软件构建3D打印模型；
步骤2，在矩形衬底上滴加未固化的光敏聚合物材料；
步骤3，将矩形衬底安装于显微镜的载物台上，启动计算机、激光器和激光控制器，激光器预热3-5分钟，所述激光控制器用于调整激光器的焦点位置、输出光强和激光器光斑运动路径；
步骤4，导入步骤1中3D打印模型对应的打印文件，采用切片软件对3D模型进行切片，切片纵向精度hz为0.08-1.98微米，横向精度hh为0.03-0.98微米，切片方向采用X轴方向、Y轴方向或Z轴方向，对应方向切片得到相应的薄层；
步骤5，切片后，得到激光器扫描的路径文件；
步骤6，将激光器扫描的路径文件导入激光控制器，激光控制器调整激光器打印的起始位置，使得激光器起始位置在衬底和未固化的聚合物材料界面处的水平方向，且让打印的起始位置位于未固化的光敏聚合物材料的液滴内部；
步骤7，设置打印环境参数，设定光功率为5-150mW，设定曝光时间为0.5-5ms，沿坐标轴的O-X轴向、O-Y轴向或O-Z轴向选择打印方向，参数调节后启动激光器开始打印；
步骤8，激光器光斑照射未固化的光敏聚合物材料凝固，凝固后在矩形衬底上形成波导器件；
然后，使用丙酮显影20-60s，去除未固化的光敏聚合物材料，得到采用空气包层聚合物的悬空型脊状光波导器件，最后采用六维微调测试平台对光波导器件进行测试。
9.根据权利要求8所述的一种悬空型脊状光波导器件的3D打印制备方法，其特征在于，所述步骤2中矩形衬底的宽度为5mm-2.5cm、长度为2cm-2.5cm。
10.根据权利要求8所述的一种悬空型脊状光波导器件的3D打印制备方法，其特征在于，所述步骤4中还包括：相应方向切片的薄层内部设置不同的线型填充，同时调整打印同一层内的线和线的间距为0.03-0.98微米，为了得到实芯波导，线间距小于光斑水平投影的尺寸，光斑的垂直层与层的间距小于垂直光斑的尺寸，该光斑尺寸由聚焦透镜和激光器波长决定，光斑尺寸X方向通常为0.05-1微米，Y方向通常为0.05-1微米，Z方向通常为0.1-2微米。
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