Оптическое волокно с номиналом 500°C для высокотемпературных применений

Стеклянные оптические волокна на основе кремнезема без покрытия могут выдерживать температуры выше 600°C. Однако стекловолокно необходимо защищать от окружающей среды. Стандартные телекоммуникационные волокна обычно покрыты акрилатом, что позволяет использовать их при температурах до 85°C. Специальные оптические волокна могут изготавливаться с полиимидным покрытием, что позволяет использовать эти волокна в средах до 300°С. Этот тип волокна широко используется в нефтяной и газовой промышленности для обеспечения важных функций связи и датчиков для управления резервуаром.

При температурах выше 300°C привлекательными были бы металлические покрытия. Те, что были произведены на сегодняшний день, были сочтены непригодными для развертывания геотермальных скважин из-за высоких значений затухания при низких температурах1. Последующая переработка нефти также может выиграть от высокотемпературных измерений, требующих волокон с низким затуханием, работающих при температурах выше 300°C. Это затухание, а также значительные изменения затухания во время циклирования обычно объясняются микроизгибами и большим несоответствием коэффициентов теплового расширения между металлическим покрытием и стекловолокном2. Среди прочего, более тонкие металлические покрытия могут помочь смягчить эти проблемы; однако производство длинных отрезков высококачественного металлизированного волокна с контролируемой толщиной покрытия является нетривиальной задачей2.

В этой статье будет продемонстрировано волокно с металлическим покрытием, способное выдерживать температуры до 500°C, и будет показано, что это волокно можно циклически выдерживать при температуре от комнатной до 500°C, сохраняя низкое затухание даже при низких температурах. .

Дизайн волокна

С начала 1980-х годов было продемонстрировано, что проникновение водорода в стекло на основе кремнезема вызывает потери в оптических волокнах на определенных длинах волн из-за поглощения различных частиц, связанных с водородом3. Обычные кварцевые волокна, используемые в средствах связи, такие как стандартные одномодовые (SM) и стандартные многомодовые с плавным показателем преломления (MM), подвержены резкому оптическому ухудшению в присутствии водорода даже при комнатной температуре. Сердечники этих волокон обычно легированы элементами, увеличивающими показатель преломления, такими как германий и фосфор. В зависимости от температуры и H₂ концентрации, как только водород диффундирует в сердцевину волокна, он может мигрировать в междоузлия структуры и/или связываться с существующими дефектами в стекле, такими как SiO, GeO и PO. Общие потери в волокне достигают сотен децибел на километр, что делает его непригодным для любых приложений передачи света.

Компания AFL применила инновационный подход к предотвращению оптической деградации оптических волокон, находящихся в неблагоприятных условиях, путем изменения и оптимизации конструкции стеклянного компонента самого волокна. В частности, подход заключается в устранении примесей, которые создают больше дефектов в структуре стекла, таких как германий, фосфор и бор. Волокно разработано с использованием только диоксида кремния в сердцевине, а также с легированием фтором для достижения градиентного профиля преломления многомодового волокна4. Это волокно производится компанией AFL под торговой маркой Verrillon ^® . ВХМ5000; это GIMMF с числовой апертурой 0,2, 50/125 мкм.

VHM5000 было базовым волокном, используемым с этим металлическим покрытием. Он имел покрытие на основе золота с толщиной стенки примерно 3–5 мкм, что значительно меньше типичной толщины покрытия 15–25 мкм для имеющихся в продаже волокон с металлическим покрытием. СЭМ-изображение поперечного сечения, демонстрирующее хорошую концентричность и целостность процесса нанесения покрытия, показано на рисунке 1.

Волокна с металлическим покрытием могут иметь оптические потери в состоянии после вытяжки до 20–100 дБ/км при комнатной температуре ² . . На рис. 2 показано спектральное затухание VHM5000 с покрытием на основе золота, показанным на рис. 1, при комнатной температуре, измеренное на волокне длиной 88 м. Волокно измеряли в свободном мотке диаметром 300 мм.

Спектральное затухание этого волокна с покрытием на основе золота показывает уровни затухания, аналогичные стандартным многомодовым волокнам с акрилатным или полиимидным покрытием, в отличие от значительно более высоких уровней, демонстрируемых другими имеющимися в продаже многомодовыми волокнами с металлическим покрытием.

Волокна с металлическим покрытием также имеют тенденцию к «холодному соединению» с другими металлами или с самим собой при температурах значительно ниже их температуры плавления. Компания AFL разработала запатентованный процесс, который предотвращает слипание этих покрытых металлом волокон. Этот процесс был применен ко всем волокнам в этих тестах.

Результаты и обсуждение

На рис. 3 показаны шесть температурных циклов VHM5000 с покрытием на основе золота, от комнатной температуры до 375°C. Данные регистрировались каждые 5 минут с помощью рефлектометра. Волокно было в свободном мотке диаметром 114 мм и длиной 40 метров. Каждый цикл состоял из подъема температуры со скоростью 30°С/час до 375°С, температура поддерживалась на уровне 375°С в течение 24 часов, а затем снижалась со скоростью 30°С/час до 60°С. В этот момент печи давали возможность вернуться к комнатной температуре, а затем начинали следующий цикл. 850 нм – длина волны, за которой осуществлялся мониторинг.

Сорок три метра волокна VHM5000 с покрытием на основе золота были помещены в печь с температурой 500°C на 900 часов. По истечении 900 часов к волокну подключали рефлектометр и выполняли цикл при 500°C. На рис. 4 показан этот температурный цикл от комнатной температуры до 500°C. Данные собирались каждые 5 минут. Волокно было в свободном мотке длиной 114 мм. Цикл состоял из подъема температуры со скоростью 30°С/час до 500°С, температуру поддерживали на уровне 500°С в течение 34 часов, печь останавливали и позволяли ей самостоятельно вернуться к комнатной температуре. Длина волны, которая оценивалась, составляла 850 нм.

Заключение

Было продемонстрировано оптическое волокно с низким затуханием с металлическим покрытием, способное выдерживать температуры до 500°C. Производительность была подтверждена с помощью рефлектометра. Температурное циклирование показало, что волокно с металлическим покрытием может выдерживать многократное расширение и сжатие металлического покрытия. Затухание как при комнатной температуре, так и при высокой температуре было значительно ниже, чем любое зарегистрированное затухание в волокнах с металлическим покрытием.

Выдержка в течение 900 часов и последующая оценка волокна показали, что волокно по-прежнему хорошо работает после длительного воздействия температуры 500°C. Кроме того, этот процесс позволяет производить волокна большой длины, до 3,5 км непрерывно.

Эта статья была написана Уильямом Якобсеном, старшим инженером; Абдель Суфиан, доктор философии, генеральный директор и технический директор; и Джон Д’Урсо, главный инженер; Специальные волокна AFL (Норт Графтон, Массачусетс). Для получения дополнительной информации посетите здесь .

Ссылки

1. Рейнш, Т., и Хеннингес, Дж. «Температурно-зависимая характеристика оптических волокон для распределенного измерения температуры в горячих геотермальных скважинах, Измерение науки и техники, 21, (2010).
2. Богатырев В.А., Семёнов С. «Волокна с металлическим покрытием Справочник по специальным оптическим волокнам, Academic Press, 491–512 (2007 г.).
3. Стоун Дж., Чрапливий А.Р. и Буррус С.А. «Газ в стекле — новая среда с комбинационным усилением:молекулярный водород в оптических волокнах из твердого кварца, Опт. Lett., 7, 297–299 (1982).
4. Вайс, Дж. «Скважинные геотермальные датчики, содержащие устойчивое к водороду оптическое волокно. Патент США № 6853798 B1, (2005 г.).