Optisk fiber med ytbeläggning innehållande grafen

Syfte och mål

Projektet ska studera ytbeläggning av optiska fibrer genom att använda framstegen som gjorts inom nanoteknik. I synnerhet ska projektet undersöka om grafens unika egenskaper kan användas för att ytterligare utvidga möjligheterna inom fiberoptiken, genom att utnyttja unika termiska och elektriska egenskaperna hos grafen samt gaspermeabilitet.

Många nya och framväxande applikationer av fiberoptik kräver nya funktioner, ökad pålitlighet och kvalitet, och en minskning av installationstid och kostnad. Fiberoptikkabelmarknaden har en sammansatt årlig tillväxttakt på 9,8 % från 3,16 miljarder USD år 2016 till 5 miljarder USD år 2021. Vi kan rikta oss till denna marknad som leverantör av IP, teknik eller produkter om grafenbelagd fiberoptik är tekniskt och kommersiellt genomförbart.

Projektet är ett samarbete mellan Chalmers (Industri- och materialvetenskap), KTH Optical Network Lab, RISE/Acreo fiber Lab och Bitelecom AB, en tillverkare och leverantör av optiska kablar och annan passiv optisk utrustning. Chalmers har en unik kompetens inom materialvetenskap och förmåga att inkludera grafennanoplättar i polymermatris som kan beläggas ovanpå en bar fibersträng. RISE/Acreo har en unik kompetens inom tillverkning av fiberoptiska strängar, avancerad beläggning och förpackningsteknik. KTH har en unik kunskap och insikt om nästa generations optiska kommunikations- och datanätverk och en förståelse för nya och framväxande krav.

Sammanfattning

Målsättningen med projektet var att undersöka om det är möjligt att belägga en optisk kommunikationsfiber (vanlig bredbandsfiber) med ett eller flera lager grafen för att på så vis skapa en barriär mot vatten (OH) inträngning och gaser, samt att undersöka om en ytbeläggning av grafen ändrar fiberns termiska och/eller elektriska egenskaper.

Genom RISE’s försorg tillverkades en optisk fiber som fick en beläggning av ett polymerlager innehållande grafenflingor (Nano Platelets). Som referensmaterial tillverkades också fiber belagd med en polymer innehållande kolpartiklar samt en fiber med enbart polymerbeläggning. Huvudmålet med att tillverka en fiber med en fungerande barriär med grafen misslyckades, men projektet var framgångsvist på andra områden.

Genomförbarhetsstudien innehöll ett kommersiellt arbetspaket där Bitelecom tillsammans med KTH undersökte marknadspotentialen för en grafenbelagd fiber (eller andra 2D material). YOFC från Wuhan (en av de större fibertillverkarna i världen och nummer ett i Kina) visade intresse för ett framtida samarbete. Den tekniska potentialen är fortfarande relevant, men kanske mer mot termiska eller elektriska egenskaper.

Den viktigaste insikten i projektet var att blandning av grafenflingor i en polymerlösning ställer stora krav på utrustning och genomförande. Angreppsvinkeln hur man belägger ett lager grafen mot en glasyta kan också diskuteras. Chalmers genomförde karaktäriseringen genom pyrolys, samt mätningar av resistans och värmekonduktivitet. Just nu sker en snabb utveckling inom fiberområdet, dels mekaniska förbättringar (t.ex. böjningsradie), dels optiska förbättringar där flera fiberkärnor med individuell cladding bakas samman i en monofiber (multiple cores). Potentialen att grafen kan fungera som ett förstärkningselement eller som bärare av elektriska laddningar är fortfarande relevant.

Vad har varit svårt eller vilka utmaningar har ni ställts inför?
– Kostnaden och tidsramen för att genomföra studien underskattades. En utmaning är att fortsatta studier kräver inkrementella experiment.

Finns det några partner eller andra resurser ni saknar för att gå vidare?
– Bitelecom som SME har inga nuvarande planer på att gå vidare men är fortsatt intresserade av nya resultat inom området.