500°C bestand optische vezel voor betrouwbare hoge-temperatuurtoepassingen

Op silice gebaseerde glasvezels zonder coating kunnen temperaturen hoger dan 600°C weerstaan. Echter, glasvezels moeten beschermd worden tegen de omgeving. Standaard telecom-vezels zijn meestal gecoat met acrylaat die hun gebruik in temperaturen tot 85°C toestaan. Specialistische optische vezels kunnen geproduceerd worden met een polyimide coating, wat deze vezels toestaat om in omgevingen tot 300°C gebruikt te worden. Dit type vezel is uitgebreid gebruikt in de olie- en gasindustrie om belangrijke communicatie- en sensing-functies te bieden voor reservoirbeheer.

Voor temperaturen boven 300°C zouden metaalcoatings aantrekkelijk zijn. Die tot nu toe geproduceerd zijn ongeschikt geacht voor geothermische put-implementatie vanwege hoge dempingswaarden bij lage temperaturen1. Downstream olieverwerking kan ook profiteren van hoge-temperatuurmetingen die lage-demping vezels vereisen die presteren boven 300°C. Deze demping, alsook significante dempingsveranderingen tijdens cycli, wordt over het algemeen toegeschreven aan microbuiging en de grote mismatch in thermische uitdijingscoëfficiënten tussen de metaalcoating en de glasvezel2. Onder andere dingen kunnen dunner metaalcoatings helpen deze issues te mitigeren; de productie van lange lengtes hoogwaardige metaal-gecoate vezel met gecontroleerde coatingdikte is echter non-triviaal2.

In dit artikel zal een metaal-gecoate vezel getoond worden die temperaturen tot 500°C kan weerstaan, en zal getoond worden dat deze vezel gecycled kan worden tussen kamertemperatuur en 500°C, terwijl lage demping behouden blijft, zelfs bij lage temperaturen.

Vezelontwerp

Het is aangetoond sinds de vroege jaren 1980 dat waterstofinfiltratie in silice-gebaseerd glas verlies induceert in optische vezels op specifieke golflengtes door absorptie van diverse waterstofgerelateerde species3. Algemene silicevezels gebruikt in communicaties zoals standaard single-mode (SM) en standaard graded-index multimode (MM) lijden een dramatische optische degradatie in de aanwezigheid van waterstof zelfs bij kamertemperatuur. De kernen van deze vezels zijn typisch gedopeerd met brekingsindex-verhogende elementen zoals germanium en fosfor. Afhankelijk van de temperatuur en H₂-concentratie, kan waterstof, eenmaal gediffundieerd in de vezelkern, migreren naar interstitiële plekken van de structuur en/of binden met bestaande defecten in het glas zoals SiO, GeO en P-O. De algehele vezelverlies bereikt honderden decibel per kilometer, wat het onbruikbaar maakt voor enige lichttransmissietoepassingen.

AFL nam een innovatieve aanpak om de optische degradatie van optische vezels ondergedompeld in een harde omgeving te voorkomen door het ontwerp van het glascomponent van de vezel zelf te modificeren en te optimaliseren. In het bijzonder bestaat de aanpak uit het elimineren van de dopanten die meer defecten in de glasstructuur creëren zoals germanium, fosfor en boor. De vezel is ontworpen met alleen silice in de kern, samen met fluor-doping om het graded-index profiel van de multimode vezel te bereiken4. Deze vezel wordt geproduceerd door AFL en is gemerkt als Verrillon ^® VHM5000; het is een 0.2 NA 50/125μm GIMMF.

VHM5000 was de basisvezel gebruikt met deze metaalcoating. Het had een goud-gebaseerde coating met een wanddikte van ongeveer 3 - 5 μm wat goed onder de typische coatingdikte van 15 – 25 μm voor commercieel beschikbare metaal-gecoate vezels ligt. Een cross-section SEM-afbeelding die de goede concentriciteit en integriteit van het coatingproces demonstreert, is getoond in Figuur 1.

Metaal-gecoate vezels kunnen optische verliezen in as-getrokken conditie hebben van zo hoog als 20–100 dB/km bij kamertemperatuur². Figuur 2 toont de spectrale demping van VHM5000 met een goud-gebaseerde coating getoond in Figuur 1, bij kamertemperatuur, gemeten op 88m vezel. De vezel werd gemeten in een 300 mm diameter losse spoel.

De spectrale demping van deze vezel met een goud-gebaseerde coating toont dempingsniveaus vergelijkbaar met standaard acrylaat of polyimide gecoate multimode vezels, in tegenstelling tot de significant hogere niveaus getoond door andere commercieel beschikbare metaal-gecoate multimode vezels.

Metaal-gecoate vezels hebben ook de neiging om 'koude binding' te maken met andere metalen, of zichzelf, bij temperaturen significant onder hun smeltpunt. AFL heeft een in-aanvraag-proces wat deze metaal-gecoate vezels voorkomt van binden. Dit proces is toegepast op alle vezels in deze tests.

Resultaten en discussie

Figuur 3 toont zes temperatuurcycli van VHM5000 met goud-gebaseerde coating, tussen kamertemperatuur en 375°C. Data werd elke 5 minuten verkregen met een OTDR. De vezel was in een 114 mm losse spoel, 40 meter in lengte. Elke cyclus bestond uit een 30°C/uur ramp naar 375°C, de temperatuur werd 24 uur op 375°C gehouden, en daarna gerampt naar beneden 30°C/uur tot 60°C. Op dat punt werd de oven toegelaten om op kamertemperatuur terug te keren, en de volgende cyclus gestart. 850 nm was de golflengte die gemonitord werd.

Drieënveertig meter VHM5000 goud-gecoate vezel werd in een 500°C oven geplaatst voor 900 uur. Een OTDR werd aan de vezel gekoppeld aan het einde van de 900 uur, en een 500°C cyclus uitgevoerd. Figuur 4 toont deze temperatuurcyclus, tussen kamertemperatuur en 500°C. Data werd elke 5 minuten verkregen. De vezel was in een 114 mm losse spoel. De cyclus bestond uit een 30°C/uur ramp naar 500°C, de temperatuur werd 34 uur op 500°C gehouden, en de oven gestopt en toegelaten om op eigen kracht naar kamertemperatuur terug te keren. De geëvalueerde golflengte was 850 nm.

Conclusie

Een lage-demping metaal-gecoate optische vezel capabel van temperaturen tot 500°C te weerstaan werd gedemonstreerd. Prestaties gevalideerd met een OTDR. Temperatuurcycli toonden aan dat de metaal-gecoate vezel de uitdijing en krimp van de metaalcoating herhaaldelijk kan weerstaan. Demping bij zowel kamertemperatuur als hoge temperatuur was significant lager dan enige gerapporteerde demping in metaal-gecoate vezels.

De 900-uur weekt, en daaropvolgende evaluatie van de vezel, toonde aan dat de vezel nog steeds goed presteerde na langdurige blootstelling aan 500°C. Bovendien is dit proces capabel van het produceren van lange lengtes vezel, tot 3,5 km continu.

Dit artikel is geschreven door William Jacobsen, Sr. Engineer; Abdel Soufiane, Ph.D, GM en CTO; en John D’Urso, Principal Engineer; AFL Specialty Fibers (North Grafton, MA). Voor meer informatie, bezoek hier .

Referenties

1. Reinsch, T., en Henninges, J. “Temperature Dependent Characterization of Optical Fibres for Distributed Temperature Sensing in Hot Geothermal Wells,” Measurement Science and Technology, 21, (2010).
2. Bogatyrev, V.A., en Semjonov, S. “Metal-Coated Fibers,” Specialty Optical Fibers Handbook, Academic Press, 491-512 (2007).
3. Stone, J., Chraplyvy, A.R., en Burrus, C.A. “Gas-in-glass—a new Raman-gain medium: molecular hydrogen in solid-silica optical fibres,” Opt. Lett., 7, 297-299 (1982).
4. Weiss, J. “Downhole geothermal well sensors comprising a hydrogen-resistant optical fiber.” U.S. Patent No. 6853798 B1, (2005).