500°C-bewertete Optische Faser für zuverlässige Hochtemperaturanwendungen

Silikatglas-Optische Fasern ohne Beschichtung halten Temperaturen über 600 °C stand. Doch Glasfasern müssen vor der Umwelt geschützt werden. Standard-Telekomfasern sind typischerweise mit Acrylat beschichtet, was Einsatz bis 85 °C erlaubt. Spezialfasern können mit Polyimidbeschichtung gefertigt werden, was Umgebungen bis 300 °C ermöglicht. Diese Fasern werden in der Öl- und Gasindustrie umfangreich für wichtige Kommunikations- und Sensorfunktionen im Reservoirmanagement eingesetzt.

Herausforderung: Temperaturen über 300 °C

Für Temperaturen über 300 °C wären Metallbeschichtungen attraktiv. Bisher hergestellte wurden als ungeeignet für geothermische Bohrlocheinsätze eingestuft, wegen hoher Dämpfungswerte bei niedrigen Temperaturen¹. Auch nachgelagerte Ölverarbeitung kann von Hochtemperaturmessungen profitieren, die niedrig-dämpfende Fasern über 300 °C erfordern. Diese Dämpfung sowie signifikante Dämpfungsänderungen während Zyklen werden allgemein auf Mikrobiegungen und den großen Missmatch der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen Metallbeschichtung und Glasfaser zurückgeführt². Dünnere Metallbeschichtungen könnten helfen; jedoch ist die Produktion langer Längen hochwertiger metallbeschichteter Fasern mit kontrollierter Beschichtungsdicke nicht trivial².

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

Faserdesign: Wasserstoffresistente VHM5000-Glasfaser

Seit den frühen 1980ern ist bekannt, dass Wasserstoffeindringen in silikatbasiertes Glas Verluste in optischen Fasern bei spezifischen Wellenlängen durch Absorption verschiedener wasserstoffbezogener Spezies induziert³. Übliche Silicafasern für Kommunikation wie Standard-Single-Mode (SM) und Standard-Gradientenindex-Multimode (MM) erleiden dramatische optische Degradation in Wasserstoffpräsenz selbst bei Raumtemperatur. Die Kerne dieser Fasern sind typischerweise mit brechzahlsteigernden Elementen wie Germanium und Phosphor dotiert. Abhängig von Temperatur und H₂-Konzentration kann Wasserstoff, einmal in den Faserkern diffundiert, zu Interstitialstellen der Struktur migrieren und/oder mit bestehenden Defekten im Glas wie SiO, GeO und P-O binden. Der Gesamtfaserverlust erreicht hunderte Dezibel pro Kilometer, was sie für Lichtübertragungsanwendungen unbrauchbar macht.

AFL ging einen innovativen Weg, um die optische Degradation von Fasern in rauer Umgebung zu verhindern, indem das Design der Glasfaser selbst modifiziert und optimiert wurde. Der Ansatz besteht darin, Dotierstoffe zu eliminieren, die mehr Defekte in der Glasstruktur erzeugen: Germanium, Phosphor, Bor. Die Faser ist mit reinem Siliziumdioxid im Kern und Fluordotierung für das Gradientenindexprofil des Multimodefasers gestaltet⁴. Diese Faser wird von AFL produziert und als Verrillon® VHM5000 vermarktet; es ist eine 0,2 NA 50/125 µm GIMMF.

VHM5000 war die Basisfaser für diese Metallbeschichtung. Sie erhielt eine goldbasierte Beschichtung mit Wanddicke von ca. 3–5 µm, weit unter der typischen Beschichtungsdicke von 15–25 µm kommerziell verfügbarer metallbeschichteter Fasern. Ein Querschnitts-REM-Bild demonstriert die gute Zentrizität und Integrität des Beschichtungsprozesses (Abb. 1).

Metallbeschichtete Fasern können optische Verluste im as-drawn-Zustand von 20–100 dB/km bei Raumtemperatur haben². Abbildung 2 zeigt die spektrale Dämpfung von VHM5000 mit goldbasierter Beschichtung (Abb. 1) bei Raumtemperatur, gemessen an 88 m Faser im 300-mm-losen Wickel. Die spektrale Dämpfung zeigt Werte ähnlich standard Acrylat- oder Polyimid-beschichteter Multimodefasern, im Gegensatz zu den signifikant höheren Werten anderer kommerziell verfügbarer metallbeschichteter Multimodefasern.

Metallbeschichtete Fasern neigen auch dazu, bei Temperaturen weit unter ihrem Schmelzpunkt an andere Metalle oder sich selbst zu „kalt verbinden“. AFL hat ein patentanmeldendes Verfahren, das dies verhindert. Dieses Verfahren wurde auf alle Fasern in diesen Tests angewendet.

Ergebnisse und Diskussion: Zyklen bis 500 °C

Abbildung 3 zeigt sechs Temperaturzyklen von VHM5000 mit goldbasierter Beschichtung zwischen Raumtemperatur und 375 °C. Daten wurden alle 5 Minuten per OTDR erfasst. Faser in 114-mm-loser Wicklung, 40 m Länge. Jeder Zyklus: 30 °C/h Rampe auf 375 °C, 24 h Haltezeit, 30 °C/h Abkühlung bis 60 °C, dann Ofenauskühlung auf Raumtemperatur, nächster Zyklus. Überwachte Wellenlänge: 850 nm.

43 m VHM5000 goldbeschichtete Faser wurden 900 Stunden in 500-°C-Ofen gelegt. OTDR-Anschluss nach 900 Stunden, dann 500-°C-Zyklus. Abbildung 4 zeigt diesen Zyklus zwischen Raumtemperatur und 500 °C. Daten alle 5 Min. Faser in 114-mm-Wicklung. Zyklus: 30 °C/h Rampe auf 500 °C, 34 h Haltezeit, Ofen aus, freie Abkühlung. Wellenlänge: 850 nm.

Fazit

Eine niedrig-dämpfende metallbeschichtete optische Faser für Temperaturen bis 500 °C wurde demonstriert. Leistung validiert per OTDR. Temperaturzyklen zeigten, dass die metallbeschichtete Faser Ausdehnung und Kontraktion der Beschichtung wiederholter Zyklen standhält. Dämpfung bei Raum- und Hochtemperatur war signifikant niedriger als je berichtete Dämpfung bei metallbeschichteten Fasern.

Der 900-Stunden-Dauertest und anschließende Evaluation zeigte, dass die Faser nach Langzeitbelastung bei 500 °C noch gut performte. Zudem kann der Prozess lange Fasernlängen produzieren, bis zu 3,5 km am Stück.

Verfasst von William Jacobsen, Sr. Engineer; Abdel Soufiane, Ph.D, GM und CTO; John D'Urso, Principal Engineer; AFL Specialty Fibers (North Grafton, MA). Mehr Infos hier.

Referenzen

1. Reinsch, T., Henninges, J. „Temperature Dependent Characterization of Optical Fibres for Distributed Temperature Sensing in Hot Geothermal Wells“, Meas. Sci. Technol., 21, 2010
2. Bogatyrev, V.A., Semjonov, S. „Metal-Coated Fibers“, Specialty Optical Fibers Handbook, Academic Press, 491-512, 2007
3. Stone, J., Chraplyvy, A.R., 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“, US Patent 6853798 B1, 2005