Abstract:
Elektronik stößt immer öfter an die Grenzen der möglichen Band-breite und Anwendungskompatibilität. Um diese Grenzen zu überwinden, sind Lichtwellenleiter eine mögliche Alternative -- aber diese werden nach wie vor als individuelle Kabel verwendet, und erreichen noch nicht den Integrationsgrad, welcher in Herstellung und Anwendung bei Elektronik üblich ist. Hier ist eine Technologie nötig, welche die Herstellung integrierter Lichtwellenleiter auf planaren Substraten in einer technologisch und industriell sinnvollen Weise ermöglicht. In dieser Dissertation werden mehrere vielversprechende Technologien, welche diese Anforderungen erfüllen können, verglichen, und Tintenstrahldruck als vielversprechendste ausgewählt.
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Mehrere optisch transparente Tinten wurden untersucht -- zwei kommerziell verfügbare, lösungsmittelbasierte Tinten, und eine lösungsmittelfreie Formulierung, welche am Institut entwickelt wurde. Hier wird die für Tintenstrahldruck nötige Viskosität mittels einem Reaktivverdünner erreicht. Zwei der Tinten wurden zum Drucken von Linien verwendet, welche dann auf ihre lichtleitenden Fähigkeiten hin untersucht wurden. Das lösungsmittelfreie Material wurde für weitere Experimente ausgesucht, da es sich als geeigneter für das gewählte PMMA-Substrat herausstellte.
Nachdem ungeschirmte Lichtleiter erfolgreich hergestellt werden konnten, wurden mehrere Konzepte für eine gedruckte untere und obere Mantellage evaluiert. Eine Ausführung mit tintenstrahlgedrucktem Kern, tintenstrahlgedruckter oberer Mantellage, aber der Substratfolie als untere Mantellage zeigte sich hier am geeignetsten. Testmuster unterschiedlicher Längen wurden hergestellt, und die Licht-leitungseigenschaften gemessen. Die Ergebnisse zeigen eine relativ hohe Dämpfung von 1.4 dB/cm, mit der Volumendämpfung der ge-wählten Tinte als Hauptursache.
Anders als elektrische Leiterbahnen benötigen Lichtwellenleiter eine gewisse Höhe, um Licht zu führen und das Ein- und Auskoppeln zu ermöglichen. Mit Tintenstrahldruck ist diese Anforderung nicht leicht zu erfüllen, da mehrere übereinandergedruckte, flüssige Schichten die Tendenz haben, zu zerfließen, und sich auf dem Substrat auszu-breiten. Zwei Methoden, um das Verhalten der Tinten auf der Substratfolie zu steuern, wurden erarbeitet und untersucht: Thermisch induziertes Pinning, und die sogenannte $\textit{Lightplate}$.
Die erste Methode nutzt Wärme und Zeit, um Pinning an der Kante einer gedruckten Linie zu erzeugen. Indem eine gewisse Zeit zwi-schen dem Drucken einzelner Schichten abgewartet wird, breitet sich die Kante einer gedruckten, mehrlagigen Linie weniger weit auf dem Substrat aus. Im Ergebnis zeigen nacheinander gedruckte Schichten ein höheres Aspektverhältnis.
Die Zweite Methode, die $\textit{Lightplate}$, ist ein Gerät, bei der eine transparente Substratplatte verwendet wird, um UV-Licht durch Totalreflexion an der Oberfläche und metallischer Reflexion an den Kanten zu sammeln. Wenn ein Tropfen einer UV-polymerisierbaren Flüssigkeit auf der Oberfläche der $\textit{Lightplate}$ landet, wird die Totalreflexion gebrochen, und das Licht koppelt in den Tropfen ein, wo es eine Polymerisationsreaktion auslöst. Ein Prototyp wurde gebaut, um zu evaluieren, ob das Konzept fähig ist, die Form von gedruckten Strukturen zu beeinflussen. Polymerisation konnte gezeigt werden, ein Einfluss auf die Form allerdings nicht.
Um den ersten Schritt zu einem Netzwerk von Lichtwellenleitern mit integrierten funktionalen Elementen zu machen, wurde eine Licht-quelle entwickelt. Nachdem das Konzept einer chipbasierten, wellenleiterintegrierten Diode wegen zu hoher Komplexität in Herstellung und der nötigen Versorgung mit elektrischem Strom auf dem Polymersubstrat verworfen wurde, trat eine viel einfachere Lösung hervor. Indem ein fluoreszentes Material auf gedruckte Lichtwellenleiter aufgebracht wurde, konnte eine Lichtquelle realisiert werden, die weder elektrische Energie noch präzise Ausrichtung benötigt. Tinten mit roten und blauen Fluorophoren wurden charakterisiert, und das rote Material wurde verwendet, um einen robusten Prototypen eines Lichtwellenleiters mit integrierter Lichtquelle vollständig mittels Tintenstrahldruck herzustellen.
Abstract (englisch):
Electronic circuits are facing limitations in terms of bandwidth, and, in some cases, application compatibility. A possible alternative technology to overcome these limitations are optical waveguides -- but they are still only used in the form of discrete cables, and lack the level of integration in fabrication and application which is common for electronics. What is needed is a technology that is able to create integrated optical waveguides on planar substrates in a way that is technologically and industrially feasible. In this thesis, several promising technologies that are able to fulfil these requirements are evaluated, among which ink-jet printing is selected as the most promising method. ... mehr
Several optically transparent ink materials were evaluated - two commercially available, solvent based inks, and an in-house developed, solvent-free formulation that employs a reactive diluent to reach the viscosity required for ink-jet printing. Two inks were used to print tracks, which were evaluated in their ability to guide light. The solvent-free material was chosen for further experiments, because it was more compatible with the selected PMMA substrate.
After demonstrating the ability to create uncladded waveguides, several different concepts to create a printed lower and upper cladding were evaluated. A design with an ink-jet printed core, an ink-jet printed upper cladding, and the substrate as lower cladding was selected. Samples of different length were fabricated, and the transmission properties were measured. The results show a relatively high attenuation value of 1.4\,dB/cm, with the main contribution to this value from the bulk attenuation of the selected material.
Unlike electrical tracks, optical waveguide structures require a certain aspect ratio in order to carry light and enable light coupling. This requirement can be difficult to achieve with ink-jet printing, because stacked, uncured layers of a printed track tend to spread out across the substrate. Two methods to control the ink behaviour on the substrate were developed and investigated: Thermally induced pinning, and a so-called $\textit{Lightplate}$.
The first method uses heat and time to induce pinning at the edge of the printed track. By waiting a certain time interval between depositing the individual layers, the edge of the printed track spreads out less on the substrate. As a result, consecutively deposited layers show a higher aspect ratio.
The second method, the $\textit{Lightplate}$, is a device that uses a transparent substrate plate which confines UV-light by total internal reflection at the surface and metallic reflection at the edges. A droplet of a UV\-polymerisable liquid that is deposited on the $\textit{Lightplate}$ breaks the confinement, causing light to couple into the droplet and cause polymerisation. A prototype was built to evaluate if the Lightplate is able to affect the morphology of printed structures. Polymerisation could be demonstrated, but no effect on the morphology was found.
To achieve the first step towards a network of optical waveguides with integrated functional components, a suitable light source was developed. After dismissing the concept of waveguide-integrated, chip-based LEDs due to the high complexity in fabrication and the required supply of electrical power on the polymer substrate, a much simpler solution was found. By printing fluorescent materials op top of the printed waveguides, a light source that requires neither electrical tracks nor precise optical alignment could be realised. Inks with red and blue fluorophores were characterised, and the red material chosen used to create a robust prototype of an optical waveguide with integrated light source fabricated entirely by ink-jet printing.
