SK288665B6 - Spôsob prípravy optických vlnovodov s povrchovou fotonickou štruktúrou zo siloxánových polymérnych vlákien - Google Patents

Abstract

Opisuje sa spôsob, pri ktorom sa čiastočne vytvrdnuté siloxánové polymérne vlákno (1) položí na fotonickú štruktúru (2), ktorá je tvorená jednorozmernou povrchovou mriežkou. Následne časť čiastočne vytvrdnutého siloxánového vlákna (1), ktorá sa dotýka povrchu fotonickej štruktúry (2), do nej natečie, skopíruje ju a nechá sa vytvrdnúť pri izbovej teplote.

Description

Oblasť techniky, ktorej s a vynález týka, je fotonika a vlnovodná optika. Vynález rieši technológiu prípravy optických vlnovodov s povrchovou fotonickou štruktúrou zo siloxánových polymémych vlákien.

Doterajší stav techniky

Optické vlnovody s povrchovou fotonickou štruktúrou sú prvky vlnovodnej optiky, ktoré nachádzajú využitie pri vytváranírôznych optických prvkov integrovanej a senzorovej optiky, ako súnapr. vlnovodné optické filtre, deliče vlnových dĺžok optického žiarenia, optické vlnovodné senzory tlaku, teploty, chemických látok a podobne.

V súčasnosti je zvýšený záujem o výskum a vývoj optických vlnovodov z rôznych polymérov, nakoľko takéto vlnovody majú obyčajne nízku cenu a jednoduchý spôsob prípravy v porovnaní s vlnovodmi pripravenými zo štandardných materiálov, ako sú tavený kremeň, kremík, niobát lítia a podobne.

Jedny z polymérov, ktoré sa využívajú na prípravu optických vlnovodov, súpolysiloxány. Polysiloxány sú makromolekulové zlúčeniny, ktoré sú tvorené z centrálneho polymémeho reťazca, ktorý je tvorený striedajúcimi sa atómami kremíka a kyslíka. Na centrálny polymémy reťazec sú naviazané organické postranné skupiny, ako je metylová, fenylová alebo vinylová, ktoré súchemicky viazané iba na voľné väzby atómov kremíka. Podľa dĺžky kremíkovo-kyslíkového reťazca, druhu organických postranných skupín a zosieťovania medzi molekulárnymi reťazcami môžu siloxánové polyméry vytvárať veľké množstvo materiálov, z ktorých každý môže mať unikátne fyzikálne a chemické vlastnosti.

V súčasnosti s a zo siloxánových polymérov okrem iného pripravujú materiály, ktoré nachádzajú uplatnenie vo fotonike i vo vlnovodnej optike, nakoľko ide o materiály, ktoré sú opticky priehľadné v širokom rozsahu vlnových dĺžok svetla. Medzi takéto materiály patria siloxánové polyméry, ako sú napr. poly(dimetylsiloxán), poly(dimetyl/difenylsiloxán) a podobne. Tieto materiály s a vo vlnovodnej optike používajú na vytváranie optofluidných vlnovodov [D. Psaltis, S. R. Quake, C. Yang, „Developing optofluidic technology through the fusion of microfluidics and optics”, Náture, vol. 442, 381 - 386, 2006], na monolitickú integráciu optických vlnovodov s kvapalnými kanálmi [V. Lien, Y. Berdichevský, Y. - H. Lo, ,Aprcaligned proces s of integrating optical waveguides with microfluidic devices”, IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 16, 1525 - 1527, 2004], na vytváranie zúžených siloxánových optických vlákien integrovaných na optické vlákna z taveného kremeňa [I. Martincek, D. Pudíš, P. Gaso, „fabrication and optical characteristics of strain variable PDMS biconical optical fiber tapeť’, IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 25, 2066 - 2069, 2013], na vytváranie optických prepojení pomocou elektro-optických obvodov [S. Kopetz, D. Cai, E. Rabe, A. Neyer, „PDMS-based optical waveguide layer for integration in electrical-optical circuit boards”, Int. J. Electron. Commun., vol. 61, 163 - 167, 2007] atď.

V súčasnosti s a materiály zo siloxánových polymérov najčastejšie pripravujú z dvojzložkových siloxánov, keď sa vo vhodnom pomere zmieša siloxánový prepolymér s vytvrdzovacím činidlom Po zmiešaní prepolyméru a vytvrdzovacieho činidla dochádza k vytvrdnutiu silo xánového polyméru, pričom vytvrdnutie je závislé od teploty a času. V závislosti od teploty k vytvrdnutiu siloxánového polyméru dochádza za niekoľko hodín, prípadne za niekoľko sekúnd.

Doterajšie riešenia umožňujú vytvárať siloxánové vlnovody s povrchovou fotonickou štruktúrou tak, že sa na vhodnom substráte rôznymi technologickými procesmi vytvorí kanál s povrchovou fotonickou štruktúrou, ktorý sa vyplní nevytvrdnutýmsiloxánovým polymérom, ktorý sa v kanáli roztečie a okopíruje pripravenú povrchovú fotonickú štruktúru. Nevýhodou týchto riešení je, že umožňujú pripravovať vlnovody, ktoré sú dlhé obyčajne len niekoľko milimetrov a technologický proces sa skladá z mnohých technologických krokov, čo zvyšuje časovú náročnosť prípravy siloxánových vlnovodov s povrchovou fotonickou štruktúrou.

Vytváranie siloxánových vlákien je založené na fakte, že vytvrdzovací proces siloxánového polyméru je spojený s nárastomjeho viskozity. Pri dosiahnutí vhodnej viskozity je možné z čiastočne vytvrdnutého silo xánu vyťahovať siloxánové vlákna [I. Martincek, D. Pudíš, M. Chalupova, „Technology for the preparation of PDMS optical fibers and some fiber structures”, IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 26, 1446 - 1449, 2014].

Siloxánové polyméry sú polyméry, ktoré sú často využívané pri technológiách mäkkej litografie, pri ktorých sa pomocou mäkkých polymémych materiálov vytvárajú odtlačky rôznych štruktúr vytvorených do pevných materiálov, ktoré sa častokrát vytvárajú fotolitografickými metódami. Tieto polyméry majú výhodné vlastnosti pre ich použitie v mäkkej litografii z toho dôvodu, že sú schopné veľmi dobre kopírovať povrch fotonických štruktúr [Y. Xia, G. M. Whitesides, „Soft lithography“, Annu. Rev. Mater. Sci., vol. 28, 153 až 184, 1998], A práve táto vlastnosť siloxánových polymérov sa využíva pri návrhu technológie prípravy optických vlnovodov s povrchovou fotonickou štruktúrou zo siloxánových polymémych vlákien.

S K 288665 B6

Podstata -vynálezu

Nedostatky doteraz známych riešení do značnej miery odstraňuje vynález podľa predkladaného riešenia.

Predkladané riešenie umožňuje vytvárať polyméme vlnovody v dĺžkach aj niekoľko desiatok centimetrov a technologický postup saskladáz menšieho počtu krokov, ako postupy využívajúce doterajšie spôsobyriešenia. Tieto výhody sa získavajú tým, že pri príprave siloxánových vlnovodov sapoužíva čiastočne vytvrdnutý siloxán, z ktorého s a vytvárajú siloxánové vlákna.

Podstata technológie prípravy optických vlnovodov s povrchovou fotonickou štruktúrou zo siloxánových polymémych vlákien podľa predkladaného riešenia je založená na vytiahnutí siloxánových polymémych vlákien z čiastočne vytvrdnutého siloxánového polyméru, ktoré sa položia na povrchovú fotonickú štruktúru, ktorá môže byť pripravená z rôznych materiálov, ako je fotorezist, kov, kremík, polymér a podobne.

Siloxánové polyméme vlákna sa pripravia z čiastočne vytvrdnutého siloxánového polyméru vhodnej viskozity jeho ťahaním pomocou iného vlákna alebo tyčky. Po vytiahnutí čiastočne vytvrdnutého siloxánového vlákna sa vytiahnuté vlákna položia na povrchovú fotonickú štruktúru. V dôsledku adhéznych síl medzi povrchom s fotonickou štruktúrou a čiastočne vytvrdnutýmsiloxánovým polymémym vláknom dôjde k rozliatiu čiastočne vytvrdnutého siloxánového polymémeho vlákna po povrchu s fotonickou štruktúrou. Tak sa vytvorí siloxánové vlákno, ktoré na časti svojho povrchu kopíruje povrchovú fotonickú štruktúru.

Aby sa stabilizovali parametre siloxánového vlákna s povrchovou fotonickou štruktúrou, je možné siloxánové vlákno zahriať na vhodnú teplotu, aby došlo k urýchlenému vytvrdnutiu siloxánového polyméru.

Pred zahriatím alebo po zahriatí siloxánového vlákna s povrchovou fotonickou štruktúrou,ktoré sa nachádza na povrchovej fotonickej štruktúre prilepené adhéznymi silami, je možné toto vlákno zaliať na povrchovej fotonickej štruktúre siloxánovým polymérom alebo iným polymérom, ktoré majú odlišný index lomu, ako má siloxánové vlákno s povrchovou fotonickou štruktúrou, aby sa vytvoril polymémy optický vláknový vlnovod, ktorý samôže alebo nemusí z povrchovej fotonickej štruktúry vytvorenej na vhodnommateriáli po vytvrdnutí použitých polymérov odtrhnúť.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Technológia prípravy optických vlnovodov s povrchovou fotonickou štruktúrou zo siloxánových polymérnych vlákien je bližšie objasnená pomocou výkresov:

obr. 1 znázorňuje čiastočne vytvrdnuté siloxánové vlákno položené na rovinnej fotonickej štruktúre tvorenej jednorozmernou povrchovou mriežkou, ktorá je pripravená naniklovej podložke, obr. 2 znázorňuje čiastočne vytvrdnuté siloxánové vlákno, ktoré časťou svojho povrchu kopíruje jednorozmernú povrchovú mriežku, ktorá je pripravená na niklovej podložke, obr. 3 znázorňuje vytvrdnuté siloxánové vlákno, ktoré kopíruje jednorozmernú povrchovú mriežku (mriežka je pripravená na niklovej podložke), zaliate siloxánovým elastomérom, ktorý má iný index lomu ako siloxánové vlákno,a obr. 4 znázorňuje siloxánový elastomér so siloxánovým vláknom s inverznou povrchovou fotonickou štruktúrou, ktoré s a odtrhli od niklovej podložky s jednorozmernou povrchovou mriežkou.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Príklad uskutočnenia vynálezu sa objasní na opise postupu vytvorenia celosiloxánového optického vlnovodu s povrchovou fotonickou štruktúrou.

Podstata technológie prípravy optických vlnovodov s povrchovou fotonickou štruktúrou zo siloxánových polymémych vlákien je založená na vytiahnutí siloxánových polymémych vlákien z čiastočne vytvrdnutého siloxánového polyméru, ktoré sa položia na povrchovú fotonickú štruktúru, ktorá môže byť pripravená z rôznych materiálov, ako je fotorezist, kov, kremík, polymér a podobne.

Siloxánové polyméme vlákna sa pripravia z čiastočne vytvrdnutého siloxánového polyméru vhodnej viskozity jeho ťahaním pomocou iného vlákna alebo tyčky. Po vytiahnutí čiastočne vytvrdnutého siloxánového vlákna sa vytiahnuté vlákna položia na povrchovú fotonickú štruktúru. V dôsledku adhéznych síl medzi povrchom s fotonickou štruktúrou a čiastočne vytvrdnutýmsiloxánovým polymémym vláknom dôjde k rozliatiu čiastočne vytvrdnutého siloxánového polymémeho vlákna po povrchu s fotonickou štruktúrou. Tak sa vytvorí siloxánové vlákno, ktoré na časti svojho povrchu kopíruje povrchovú fotonickú štruktúru.

Aby sa stabilizovali parametre siloxánového vlákna s povrchovou fotonickou štruktúrou, je možné siloxánovévlákno zahriať navhodnú teplotu, aby došlo k urýchlenému vytvrdnutiu siloxánového polyméru.

Pred zahriatím alebo po zahriatí siloxánového vlákna s povrchovou fotonickou štruktúrou,ktoré sa nachádza na povrchovej fotonickej štruktúre prilepené adhéznymi silami, je možné toto vlákno zaliať na povrchovej

S K 288665 B6 fotonickej štruktúre siloxánovým polymérom s iným indexom lomu, ako má siloxánové vlákno s povrchovou fotonickou štruktúrou, aby s a vytvoril celosiloxánový optický vláknový vlnovod, ktorý je možné z povrchovej fotonickej štruktúry vytvorenej na vhodnommateriáli odtrhnúť po vytvrdnutípoužitých siloxánových polymérov.

Príklad 1

Na prípravu siloxánového vlákna sa použije dvojzložkový siloxánový elastomér LS-6943 od firmy NuSil Technology,ktorý saskladá zo zložky A-prepolymér a zložky B-vytvrdzovacie činidlo. Zložky A a B sazmiešajú v pomere 10 : 1 v nádobe. Približne po 8 - 9 hodinách pri izbovej teplote siloxán v nádobe čiastočne vytvrdne a nadobudne takú viskozitu, že je z neho možné pomocou vlákna alebo tyčky, ktoré sa ponoria do siloxánu v nádobe a následne vyberú, vyťahovať vlákna. Po vytiahnutí siloxánového vlákna 1 z čiastočne vytvrdnutého siloxánu sa vlákno 1 položí na rovinnú fotonickú štruktúru 2, ktorá je tvorená jednorozmernou povrchovou mriežkou, ktorá je pripravená na niklovej podložke 3. Po položení vlákna 1 na rovinnú fotonickú štruktúru 2 tvorenú jednorozmernou povrchovou mriežkou dôjde v dôsledku adhéznych síl medzi siloxánovým vláknom 1 a povrchom niklovej podložky 3 s jednorozmernou povrchovou mriežkou kpriľnutiu častipovrchu čiastočne vytvrdnutého vlákna 1 k povrchu niklovej podložky 3 s jednorozmernou povrchovou mriežkou, čím sa na časť vlákna 1 okopíruje fotonická štruktúra 2 tvorená jednorozmernou povrchovou mriežkou. Tým sa vytvorí siloxánové vlákno 4 s povrchovou jednorozmernou mriežkou, ktoré je priľnuté k povrchu niklovej podložky 3. Siloxánové vlákno 4 s povrchovou jednorozmernou mriežkou, ktoré je priľnuté k povrchu niklovej podložky 3, sa nechá vytvrdnúťpri izbovej teplote.

Príklad 2

Na prípravu siloxánového vlákna sa použije dvojzložkový siloxánový elastomér LS-6943 od firmy NuSil Technology,ktorý saskladá zo zložky A-prepolymér a zložky B-vytvrdzovacie činidlo. Zložky A a B sazmiešajú v pomere 10 : 1 v nádobe. Približne po 8 - 9 hodinách pri izbovej teplote siloxán v nádobe čiastočne vytvrdne a nadobudne takú viskozitu, že je z neho možné pomocou vlákna alebo tyčky, ktoré sa ponoria do siloxánu v nádobe a následne vyberú, vyťahovať vlákna. Po vytiahnutí siloxánového vlákna 1 z čiastočne vytvrdnutého siloxánu sa vlákno 1 položí na rovinnú fotonickú štruktúru 2, ktorá je tvorená jednorozmernou povrchovou mriežkou, ktorá je pripravená na niklovej podložke 3. Po položení vlákna 1 na rovinnú fotonickú štruktúru 2 tvorenú jednorozmernou povrchovou mriežkou dôjde v dôsledku adhéznych síl medzi siloxánovým vláknom 1 a povrchom niklovej podložky 3 s jednorozmernou povrchovou mriežkou kpriľnutiu častipovrchu čiastočne vytvrdnutého vlákna 1 k povrchu niklovej podložky 3 s fotonickou štruktúrou 2 tvorenou jednorozmernou povrchovou mriežkou, čím sa na časť vlákna 1 okopíruje jednorozmerná povrchová mriežka. Tým sa vytvorí siloxánové vlákno 4 s povrchovou jednorozmernou mriežkou, ktoré je priľnuté k povrchu niklovej podložky 3.

Po vytvorení čiastočne vytvrdnutého siloxánového vlákna 4 s povrchovou jednorozmernou mriežkou, ktoré je priľnuté k povrchu niklovej podložky 3, sa počká 20 sekúnd a po 20 sekundách sa siloxánové vlákno 4 zahreje na teplotu 150 °C počas 5minút, aby došlo k úplnému vytvrdnutiu vlákna 4 zo siloxánového elastoméra s povrchovou jednorozmernou mriežkou.

Príklad 3

Na prípravu siloxánového vlákna sa použije dvojzložkový siloxánový elastomér LS-6943 od firmy NuSil Technology,ktorý saskladá zo zložky A-prepolymér a zložky B-vytvrdzovacie činidlo. Zložky A a B sazmiešajú v pomere 10 : 1 v nádobe. Približne po 8 - 9 hodinách pri izbovej teplote siloxán v nádobe čiastočne vytvrdne a nadobudne takú viskozitu, že je z neho možné pomocou vlákna alebo tyčky, ktoré sa ponoria do siloxánu v nádobe a následne vyberú, vyťahovať vlákna. Po vytiahnutí siloxánového vlákna 1 z čiastočne vytvrdnutého siloxánu sa vlákno 1 položí na rovinnú fotonickú štruktúru 2, ktorá je tvorená jednorozmernou povrchovou mriežkou, ktorá je pripravená na niklovej podložke 3. Po položení vlákna 1 na rovinnú fotonickú štruktúru 2 tvorenú jednorozmernou povrchovou mriežkou dôjde v dôsledku adhéznych síl medzi siloxánovým vláknom 1 a povrchom niklovej podložky 3 s jednorozmernou povrchovou mriežkou kpriľnutiu častipovrchu čiastočne vytvrdnutého vlákna 1 k povrchu niklovej podložky 3 s fotonickou štruktúrou 2 tvorenou jednorozmernou povrchovou mriežkou, čím sa na časť vlákna 1 okopíruje jednorozmerná povrchová mriežka. Tým sa vytvorí siloxánové vlákno 4 s povrchovou jednorozmernou mriežkou, ktoré je priľnuté k povrchu niklovej podložky 3.

Po vytvorení čiastočne vytvrdnutého alebo úplne vytvrdnutého vlákna 4 z dvojzložkového siloxánového elastoméra LS-6943, ktoré kopíruje svojou spodnou časťoupovrch jednorozmernej povrchovej mriežky, ktorá je pripravená na niklovej podložke 3, sa vlákno 4 zaleje spolu s jednorozmernou povrchovou mriežkou dvojzložkovým siloxánovým elastomérom 5 LS-6941 od firmy NuSil Technology. Siloxánový elastomér 5 sa skladá zo zložky A-prepolymér a zložky B-vytvrdzovacie činidlo, ktoré sa pred použitím zmiešajú v pomere

S K 288665 B6 : 1 v nádobe. Po vytvrdnutí siloxánového elastoméra 5 sasiloxánový elastomér (v ktorom je zaliate siloxánové vlákno 4 a povrch niklovej podložky 3 s jednorozmernou povrchovou mriežkou) spolu so siloxánovým vláknom 4 odtrhne od povrchu niklovej podložky 3. Keďže index lomu siloxánového elastoméra 5 LS-6941 je menší, ako je index lomu vlákna 4 zo siloxánového elastoméra LS-6943, vytvorí siloxánové vlákno 4 v siloxá5 novom elastomére 5 v dôsledku okopírovania jednorozmernej povrchovej mriežky optický vlnovod, ktorý má na povrchu inverznú fotonickú štruktúru k fotonickej štruktúre 2 jednorozmernej povrchovej mriežky.

Priemyselná využiteľnosť

Technológia prípravy optických vlnovodov s povrchovou fotonickou štruktúrou zo siloxánových polymérnych vlákien môže nájsť využitie pri vytváraní vlnovodných optických prvkov pre potreby fotonického priemyslu.

Claims (4)

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Spôsob prípravy optických vlnovodov s povrchovou fotonickou štruktúrou zo siloxánových polymérnych vlákien, vyznačujúci sa tým, že čiastočne vytvrdnuté siloxánové polyméme vlákno (1) sa položí na fotonickú štruktúru (2) tvorenú jednorozmernou povrchovou mriežkou, ktorá je pripravená na niklovej podložke (3) tak, že jeho časť dotýkajúca sa povrchu fotonickej štruktúry (2) natečie do fotonickej štruktúry (2) a okopíruje ju, a nechá s a vytvrdnúť pri izbovej teplote.

2. Spôsob prípravy optických vlnovodov s povrchovou fotonickou štruktúrou zo siloxánových polymérnych vlákien podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že čiastočne vytvrdnuté siloxánové polyméme vlákno (1), ktoré sa položí a natečie do fotonickej štruktúry (2), sa zahreje na teplotu potrebnú na jeho úplné vytvrdnutie.

3. Spôsob prípravy optických vlnovodov s povrchovou fotonickou štruktúrou zo siloxánových polymérnych vlákien podľa nárokov 1 alebo 2, vyznačujúci sa tým, že čiastočne vytvrdnuté alebo úplne vytvrdnuté siloxánové polyméme vlákno (1) položené a natečené do fotonickej štruktúry (2) sa zaleje siloxánovým elastomérom (5) s odlišným indexom lomu, ako má čiastočne vytvrdnuté alebo úplne vytvrdnuté siloxánové polyméme vlákno (1) tak, že ho siloxánový elastomér (5) obklopí zo všetkých prístupných strán a siloxánový elastomér (5), v ktorom je zaliate siloxánové vlákno (4) s jednorozmernou mriežkou umiestnenou na povrchuniklovej podložky (3), sa nechá vytvrdnúť.

4. Spôsob prípravy optických vlnovodov s povrchovou fotonickou štruktúrou zo siloxánových polymérnych vlákien podľa nároku 3, vyznačujúci sa tým, že po vytvrdnutí siloxánového polyméru (5) sa tento spolu so siloxánovým vláknom (4) aj s jednorozmernou mriežkou odtrhne od povrchu niklovej podložky (3).