Les chercheurs ont développé une technique d'impression à jet d'encre en deux étapes qui peut fabriquer des composants optiques appelés guides d'ondes (a). Une série de gouttelettes appelées capuchons d'épinglage sont d'abord imprimées (blanches). Des ponts liquides entre les capuchons d'épinglage sont alors formés par l'encre déposée dans la seconde impression. Les capuchons d'épinglage immobilisent l'encre et empêchent la formation de renflements dans la ligne imprimée. En plus de tracer des lignes droites entre deux points, la technique peut être utilisée pour connecter trois jonctions ou plus pour faire des coins ou des arêtes vives (b). Crédit :Fabian Lütolf, CSEM
Les chercheurs ont développé une technique d'impression à jet d'encre qui peut être utilisée pour imprimer des composants optiques tels que des guides d'ondes. Parce que l'approche d'impression peut également fabriquer de l'électronique et de la microfluidique, il pourrait faire progresser une variété de dispositifs tels que des capteurs optiques utilisés pour la surveillance de la santé et des dispositifs de laboratoire sur puce qui intègrent et automatisent plusieurs fonctions de laboratoire sur un petit circuit, ou puce.
« L'impression à jet d'encre est une méthode très attrayante pour la fabrication de composants optiques car les positions et les tailles des caractéristiques peuvent être facilement modifiées et il n'y a pratiquement aucun gaspillage de matière, " a déclaré Fabian Lutolf, membre de l'équipe de recherche dirigée par Rolando Ferrini au CSEM en Suisse. "Toutefois, la tension superficielle des encres rend difficile l'impression de lignes avec une hauteur spécifique, ce qui est nécessaire pour créer un guide d'ondes."
L'impression à jet d'encre est une technique de fabrication additive qui utilise de minuscules buses comme celles que l'on trouve dans les imprimantes à jet d'encre de bureau pour déposer un motif de gouttes généré par ordinateur (l'« encre ») sur un substrat pour construire une structure. Les chercheurs ont découvert que le dépôt de l'encre en deux étapes, plutôt que l'étape unique traditionnelle, permis l'impression de lignes avec une hauteur spécifique et avec des caractéristiques beaucoup plus fluides que ce qui serait autrement possible. Les structures imprimées sont considérées comme ayant 2,5 dimensions car bien qu'elles ne soient pas plates, leur complexité est limitée par rapport aux structures créées avec l'impression 3D traditionnelle.
Dans la revue The Optical Society (OSA) Optique Express , les chercheurs montrent que leur technique peut être utilisée pour imprimer des guides d'ondes optiques 2.5D et des cônes en polymère acrylique. Le concept d'impression peut également être utilisé avec d'autres matériaux tels que des encres métalliques pour fabriquer de l'électronique ou des mélanges de saccharose pour des applications biodégradables.
Lütolf souligne que bien que l'impression d'électronique soit déjà utilisée commercialement, l'impression de microfluidique est plus difficile et sujette aux mêmes problèmes que les guides d'ondes. « Le fait que notre approche puisse permettre de fabriquer des composants aux fonctionnalités multiples avec une seule imprimante ouvre la voie à la fabrication additive de circuits intégrés entiers sur puces, " a déclaré Lütolf. " Cela signifie que des composants optiques pourraient être ajoutés à l'électronique hybride flexible et que des composants optoélectroniques tels que des sources lumineuses ou des détecteurs pourraient être intégrés dans des circuits optiques imprimés. "
Les chercheurs ont utilisé une méthode d'impression à jet d'encre pour créer le guide d'ondes illustré ici. L'envoi de lumière laser à travers le guide d'ondes (rouge) leur a permis de mesurer les propriétés optiques du guide d'ondes. Crédit :Fabian Lütolf, CSEM
Transformer un problème en solution
En raison de la tension superficielle, les encres déposées sur un substrat ont tendance à gonfler ou à se fendre. Le dépôt de l'encre en deux étapes a permis aux chercheurs de transformer la tension superficielle du liquide en avantage. Après avoir déposé une série de gouttelettes, l'encre imprimée dans la deuxième étape cherche à minimiser son énergie de surface en s'alignant automatiquement entre les gouttelettes de la première impression. Contrairement aux approches d'impression à jet d'encre précédentes, les chercheurs n'ont pas eu à pré-structurer le substrat, ce qui augmente l'espace de conception disponible et simplifie la fabrication.
Pour mettre en œuvre la nouvelle technique, une série de gouttelettes appelées capuchons d'épinglage sont d'abord imprimées. Ces calottes sphériques épinglent des ponts liquides formés par l'encre de la deuxième impression, former une configuration qui immobilise l'encre et empêche la formation de renflements dans la ligne imprimée. En plus de tracer des lignes droites entre deux points, la technique peut être utilisée pour connecter trois jonctions ou plus pour faire des coins ou des arêtes vives.
La nouvelle technique offre plusieurs avantages par rapport à la photolithographie classique, qui est généralement utilisé pour fabriquer de minuscules composants sur des puces. "L'impression jet d'encre ne nécessite pas de masque physique comme la photolithographie et il est plus facile de connecter des composants, " dit Lütolf. " Aussi, si vous voulez juste tester rapidement une idée ou faire varier un paramètre, les méthodes de fabrication additive telles que l'impression à jet d'encre ne nécessitent qu'une adaptation de la conception numérique."
Pour évaluer la nouvelle méthode d'impression, les chercheurs ont créé un guide d'ondes en polymère d'une largeur de 120 microns et d'une hauteur de 31 microns avec une conicité permettant à la lumière d'une source laser externe d'entrer dans le guide d'ondes. Ils ont mesuré la perte optique dans le guide d'ondes à 0,19 dB/cm, seulement un ordre de grandeur supérieur à l'état de l'art des guides d'ondes créés par photolithographie.
Une comparaison des caractéristiques imprimées avec la norme, impression jet d'encre en une étape (a-g), tel que calculé théoriquement pour le nouveau procédé d'impression à jet d'encre en deux étapes (h-n) et l'impression réelle de celui-ci (o-u). Barre d'échelle =200 microns. Crédit :Fabian Lütolf, CSEM
"Dans le journal, nous rapportons les premiers guides d'ondes imprimés par jet d'encre avec caractérisation des pertes, " a déclaré Lütolf. "Pour les applications que nous envisageons, les guides d'ondes transporteraient la lumière sur de courtes distances, et non sur des réseaux entiers. Le niveau actuel de pertes peut être toléré pour de telles applications."
Selon les chercheurs, les guides d'ondes les plus petits possibles sont constitués d'une seule goutte d'encre, dont la taille est limitée par la buse de l'imprimante à jet d'encre. Pour l'imprimante utilisée dans l'étude, les guides d'ondes les plus étroits seraient dans la gamme des 40 microns avec une hauteur d'environ 10 micromètres. Les imprimantes à jet d'encre industrielles typiques ont également des limites similaires.
"Avec notre combinaison actuelle de matériaux et de quincaillerie, il n'est pas possible de faire des guides d'ondes en dessous de 10 micromètres, comme généralement requis pour le fonctionnement en mode unique. Mais nous sommes proches, " dit Lütolf. " Il y a, cependant, aucune limite physique fondamentale qui nous empêcherait d'imprimer des guides d'ondes monomodes."
Il ajoute que plusieurs groupes ont démontré des capacités d'impression dans la gamme submicronique avec des techniques telles que l'impression électrohydrodynamique (E-jet). Il devrait être possible de combiner de tels instruments avec la nouvelle technique d'impression à jet d'encre pour créer des guides d'ondes monomodes.
Les chercheurs travaillent maintenant à optimiser la méthode d'impression et l'encre pour réduire davantage la quantité de lumière perdue par le guide d'ondes. Ils s'efforcent également de rendre le processus à jet d'encre plus applicable à la fabrication à grande échelle et, finalement, mise en oeuvre commerciale.
