Wytwarzanie światłowodów metodą przestrzennego druku tuszowego

Naukowcy z CSEM – szwajcarskiego, prywatnego centrum badawczo-rozwojowego – opracowali metodę druku tuszowego światłowodów. Druk realizują w dwóch etapach, co pozwala uniknąć nierówności powierzchni typowej dla stosowanej technologii. Po udoskonaleniu ich pomysł może stać się konkurencyjny wobec konwencjonalnych metod tworzenia światłowodów, które są bardziej skomplikowane i materiałochłonne.

Druk 3D w skali mikro i nano wymaga szczególnego podejścia technologicznego. Przykładowo, urządzenia od firmy Optomec wykorzystują technologię drukowania strumieniem aerozolu do tworzenia mikroukładów elektronicznych, zaś metoda wykorzystywana w drukarkach Nanoscribe, do druku przestrzennego z polimerów w skali submikro, polega na polimeryzacji dwufotonowej.

Dużym wyzwaniem technologicznym jest druk światłowodów. Drukowanie z materiałów funkcjonalnych opiera się na bezkontaktowych metodach drukowania (non-contact printing methods), czyli głównie drukowaniu tuszem (inkjet printing). Standardowe metody drukowania tuszem nie pozwalają niestety uzyskać ciągłych linii o stałej wysokości i szerokości, co wymagane jest do wytworzenia światłowodów. Przeszkodą jest napięcie powierzchniowe cieczy wykorzystywanej jako tusz.

Naukowcy z centrum badawczego CSEM w Szwajcarii zaproponowali ciekawy pomysł na dostosowanie druku tuszem do tworzenia światłowodów. Ich stosunkowo prosta metoda polega na rozłożeniu procesu druku na dwa etapy: najpierw na podłożu rozmieszczana jest seria odseparowanych kropelek, a następnie tusz nanoszony jest pomiędzy nie, tworząc swego rodzaju mostki. Technika nadaje się do wytwarzania ciągłych linii o różnym kształcie oraz węzłów.

Do drukowania światłowodów wykorzystano tusz bazujący na poliakrylanie. Uzyskane ścieżki były szerokie na 120 µm i wysokie na 31 µm. Technologia postrzegana jest raczej jako druk 2,5‑wymiarowy, bo choć uzyskiwane struktury nie są płaskie, ograniczone są do jednej warstwy. W połączeniu z technikami druku 3D może ona jednak pozwolić na wytwarzanie przyrostowe wykorzystujących  światłowody urządzeń o dowolnym kształcie.

Przepuszczając światło lasera przez wydrukowane struktury zmierzono, że sprawność optyczna jest o rząd wielkości mniejsza od sprawności światłowodów wykonanych metodą litografii. Choć różnica jest spora, należy uznać to za znaczące osiągnięcie w zakresie ich wytwarzania metodą druku tuszowego. Zwłaszcza, że takie duże straty mogą być tolerowane na krótkich dystansach, na jakie przenosić miałyby światło drukowane światłowody.

Obecna technologia pozwala na wyprodukowanie światłowodów nie węższych od 40 µm. Celem naukowców jest zejście poniżej 10 µm, co umożliwi wytwarzanie tzw. światłowodów jednomodowych, które mogą przenosić sygnały nawet na duże odległości bez strat.  Być może wykorzystają do tego druk elektrodynamiczny (electrohydrodynamic printing), w którym krople tuszu kierowane są polem elektrycznym.

Nowa technika wymaga dopracowania, ale niebawem może stanowić alternatywę dla konwencjonalnych metod wytwarzania światłowodów w skali mikro: litografii i reaktywnego trawienia jonowego, które zapewniają póki co wyższą sprawność optyczną, ale nie mogą być stosowane na wrażliwych powierzchniach. Badacze pracują nad ograniczeniem strat oraz nad dostosowaniem swojej metody do produkcji w większej skali.

źródła: www.eurekalert.org, www.osapublishing.org