500 °C-bewertete optische Faser für Hochtemperaturanwendungen

Optische Glasfasern auf Siliziumdioxidbasis ohne Beschichtung können Temperaturen von mehr als 600 °C standhalten. Glasfasern müssen jedoch vor der Umwelt geschützt werden. Standard-Telekommunikationsfasern sind typischerweise mit Acrylat beschichtet, was ihren Einsatz bei Temperaturen bis zu 85 °C ermöglicht. Optische Spezialfasern können mit einer Polyimidbeschichtung hergestellt werden, wodurch diese Fasern in Umgebungen mit bis zu 300 °C verwendet werden können. Dieser Fasertyp wird in der Öl- und Gasindustrie ausgiebig verwendet, um wichtige Kommunikations- und Sensorfunktionen für das Lagerstättenmanagement bereitzustellen.

Für Temperaturen über 300°C wären Metallbeschichtungen attraktiv. Die bisher produzierten wurden aufgrund der hohen Dämpfungswerte bei niedrigen Temperaturen als ungeeignet für den Einsatz in geothermischen Bohrungen angesehen1. Die nachgelagerte Ölverarbeitung kann auch von Hochtemperaturmessungen profitieren, die Fasern mit geringer Dämpfung erfordern, die über 300 °C funktionieren. Diese Dämpfung sowie signifikante Dämpfungsänderungen während des Zyklus werden im Allgemeinen der Mikrobiegung und der großen Fehlanpassung der Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen der Metallbeschichtung und der Glasfaser2 zugeschrieben. Unter anderem könnten dünnere Metallbeschichtungen dazu beitragen, diese Probleme zu mildern; Die Herstellung von langen Längen hochwertiger metallbeschichteter Fasern mit kontrollierter Dicke der Beschichtung ist jedoch nicht trivial2.

In diesem Artikel wird eine metallbeschichtete Faser demonstriert, die Temperaturen bis zu 500 °C standhalten kann, und es wird gezeigt, dass diese Faser zwischen Raumtemperatur und 500 °C zykliert werden kann, während sie selbst bei niedrigen Temperaturen eine geringe Dämpfung beibehält .

Faserdesign

Seit den frühen 1980er Jahren wurde gezeigt, dass das Eindringen von Wasserstoff in Glas auf Silicabasis aufgrund der Absorption einer Vielzahl von wasserstoffverwandten Spezies bei bestimmten Wellenlängen zu Verlusten in optischen Fasern führt3. Übliche Quarzfasern, die in der Kommunikation verwendet werden, wie Standard-Singlemode (SM) und Standard-Gradientenindex-Multimode (MM), erleiden selbst bei Raumtemperatur eine dramatische optische Verschlechterung in Gegenwart von Wasserstoff. Die Kerne dieser Fasern sind typischerweise mit brechungsindexerhöhenden Elementen wie Germanium und Phosphor dotiert. Je nach Temperatur und H₂ Konzentration, sobald Wasserstoff in den Faserkern diffundiert, kann er zu Zwischengitterstellen der Struktur wandern und/oder sich mit bestehenden Defekten im Glas wie SiO, GeO und P-O verbinden. Der Gesamtfaserverlust erreicht Hunderte von Dezibel pro Kilometer, was ihn für Lichtübertragungsanwendungen unbrauchbar macht.

AFL verfolgte einen innovativen Ansatz, um die optische Verschlechterung von Glasfasern in einer rauen Umgebung zu verhindern, indem das Design der Glaskomponente der Faser selbst modifiziert und optimiert wurde. Der Ansatz besteht insbesondere darin, die Dotierstoffe zu eliminieren, die mehr Defekte in der Glasstruktur erzeugen, wie Germanium, Phosphor und Bor. Die Faser ist nur mit Siliziumdioxid im Kern zusammen mit einer Fluordotierung ausgestattet, um das Gradientenindexprofil der Multimode-Faser zu erreichen4. Diese Faser wird von AFL hergestellt und trägt den Markennamen Verrillon ^® VHM5000; es ist ein 0,2 NA 50/125 μm GIMMF.

VHM5000 war die Basisfaser, die mit dieser Metallbeschichtung verwendet wurde. Es hatte eine goldbasierte Beschichtung mit einer Wandstärke von ca. 3 - 5 µm, was deutlich unter der typischen Beschichtungsdicke von 15 - 25 µm für handelsübliche metallbeschichtete Fasern liegt. Ein SEM-Querschnittsbild, das die gute Konzentrizität und Integrität des Beschichtungsprozesses demonstriert, ist in Abbildung 1 dargestellt.

Metallbeschichtete Fasern können im gezogenen Zustand optische Verluste von bis zu 20–100 dB/km bei Raumtemperatur aufweisen ² . Abbildung 2 zeigt die spektrale Dämpfung von VHM5000 mit einer goldbasierten Beschichtung, wie in Abbildung 1 gezeigt, bei Raumtemperatur, gemessen an 88 m Faser. Faser wurde in einer losen Spule mit 300 mm Durchmesser gemessen.

Die spektrale Dämpfung dieser Faser mit einer Beschichtung auf Goldbasis zeigt Dämpfungsniveaus, die denen von Standard-Acrylat- oder Polyimid-beschichteten Multimode-Fasern ähneln, im Gegensatz zu den deutlich höheren Niveaus, die von anderen kommerziell erhältlichen metallbeschichteten Multimode-Fasern gezeigt werden.

Metallbeschichtete Fasern haben auch die Tendenz, sich bei Temperaturen deutlich unter ihrer Schmelztemperatur mit anderen Metallen oder sich selbst zu „kalten“. AFL verfügt über ein zum Patent angemeldetes Verfahren, das verhindert, dass sich diese metallbeschichteten Fasern verbinden. Dieses Verfahren wurde in diesen Tests auf alle Fasern angewendet.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 3 zeigt sechs Temperaturzyklen des VHM5000 mit goldbasierter Beschichtung zwischen Raumtemperatur und 375 °C. Die Daten wurden alle 5 Minuten unter Verwendung eines OTDR erfasst. Die Faser befand sich in einer losen Spule von 114 mm und einer Länge von 40 Metern. Jeder Zyklus bestand aus einer Rampe von 30°C/Stunde auf 375°C, die Temperatur wurde 24 Stunden lang auf 375°C gehalten und dann mit einer Rampe von 30°C/Stunde auf 60°C heruntergefahren. An diesem Punkt ließ man den Ofen auf Raumtemperatur zurückkehren, und dann wurde der nächste Zyklus gestartet. 850 nm war die überwachte Wellenlänge.

Dreiundvierzig Meter goldbasierte beschichtete VHM5000-Fasern wurden 900 Stunden lang in einen Ofen mit 500 °C gegeben. Am Ende der 900 Stunden wurde ein OTDR mit der Faser verbunden, und es wurde ein 500°C-Zyklus durchgeführt. Abbildung 4 zeigt diesen Temperaturzyklus zwischen Raumtemperatur und 500 °C. Daten wurden alle 5 Minuten erfasst. Die Faser befand sich in einer 114 mm losen Spule. Der Zyklus bestand aus einer Rampe von 30°C/Stunde auf 500°C, die Temperatur wurde 34 Stunden lang bei 500°C gehalten, und der Ofen wurde angehalten und von selbst auf Raumtemperatur zurückkehren gelassen. Die ausgewertete Wellenlänge betrug 850 nm.

Schlussfolgerung

Es wurde eine metallbeschichtete optische Faser mit geringer Dämpfung, die Temperaturen von bis zu 500 °C standhalten kann, demonstriert. Die Leistung wurde mit einem OTDR validiert. Temperaturzyklen zeigten, dass die metallbeschichtete Faser der mehrfach wiederholten Ausdehnung und Kontraktion der Metallbeschichtung widerstehen konnte. Die Dämpfung sowohl bei Raumtemperatur als auch bei hohen Temperaturen war deutlich geringer als jede gemeldete Dämpfung bei metallbeschichteten Fasern.

Das 900-stündige Einweichen und die anschließende Bewertung der Faser zeigten, dass die Faser nach längerer Einwirkung von 500°C immer noch gut funktionierte. Außerdem können mit diesem Verfahren lange Faserlängen bis zu einer Länge von 3,5 km hergestellt werden.

Dieser Artikel wurde von William Jacobsen, Sr. Engineer, verfasst; Abdel Soufiane, Ph.D, GM und CTO; und John D’Urso, Hauptingenieur; AFL Spezialfasern (North Grafton, MA). Weitere Informationen finden Sie hier .

Referenzen

1. Reinsch, T., und Henninges, J. „Temperaturabhängige Charakterisierung optischer Fasern für die verteilte Temperaturmessung in heißen geothermischen Bohrlöchern, „Measurement Science and Technology, 21, (2010).
2. Bogatyrev, V.A., und Semjonov, S. „Metal-Coated Fibers, ” Specialty Optical Fibers Handbook, Academic Press, 491–512 (2007).
3. Stone, J., Chraplyvy, A.R., und Burrus, C.A. „Gas-in-Glas – ein neues Raman-Gain-Medium:molekularer Wasserstoff in optischen Fasern aus festem Siliziumdioxid, ” Wahl. Lett., 7, 297–299 (1982).
4. Weiss, J. „Geothermische Bohrlochsensoren, die eine wasserstoffbeständige optische Faser umfassen. ” US-Patent Nr. 6853798 B1, (2005).