Fibra Óptica Classificada para 500°C para Aplicações Confiáveis de Alta Temperatura

Fibras ópticas de vidro baseadas em sílica sem revestimento podem suportar temperaturas superiores a 600°C. No entanto, fibras de vidro precisam ser protegidas do ambiente. Fibras de telecom padrão são tipicamente revestidas com acrilato que permitem uso em temperaturas até 85°C. Fibras ópticas especiais podem ser produzidas com revestimento de poliamida, permitindo uso em ambientes até 300°C. Este tipo de fibra tem sido usado extensivamente na indústria de petróleo e gás para fornecer importantes funções de comunicação e sensoriamento para gerenciamento de reservatórios.

Desafio: Temperaturas Acima de 300°C

Para temperaturas acima de 300°C, revestimentos metálicos seriam atraentes. Os produzidos até hoje foram considerados inadequados para implantação em poços geotérmicos devido a altos valores de atenuação em temperaturas baixas¹. Processamento downstream de petróleo também pode se beneficiar de medições de alta temperatura requerendo fibras de baixa atenuação que performem além de 300°C. Esta atenuação, bem como mudanças significativas de atenuação durante ciclagem, é geralmente atribuída a microcurvatura e grande descompasso dos coeficientes de expansão térmica entre revestimento metálico e fibra de vidro². Entre outras coisas, revestimentos metálicos mais finos poderiam ajudar mitigar esses problemas; no entanto, produção de longos comprimentos de fibra revestida a metal de alta qualidade com espessura controlada do revestimento é não trivial².

Neste artigo, uma fibra revestida a metal capaz de suportar temperaturas até 500°C será demonstrada, e mostrar-se-á que esta fibra pode ser ciclada entre temperatura ambiente e 500°C, mantendo baixa atenuação, mesmo em temperaturas baixas.

Design da Fibra: Núcleo de Sílica Pura com Dopagem de Flúor

Foi demonstrado desde o início dos anos 1980 que ingresso de hidrogênio em vidro baseado em sílica induz perdas em fibras ópticas em comprimentos de onda específicos devido à absorção de várias espécies relacionadas ao hidrogênio³. Fibras de sílica comuns usadas em comunicações como single-mode (SM) padrão e multimode graded-index (MM) padrão sofrem degradação óptica dramática na presença de hidrogênio mesmo em temperatura ambiente. Núcleos destas fibras são tipicamente dopados com elementos que aumentam índice de refração como germânio e fósforo. Dependendo de temperatura e concentração de H₂, uma vez que hidrogênio difunde no núcleo da fibra, pode migrar para sítios intersticiais da estrutura e/ou ligar-se a defeitos existentes no vidro como SiO, GeO e P-O. A perda geral da fibra atinge centenas de decibéis por quilômetro, tornando-a inutilizável para qualquer aplicação de transmissão de luz.

A AFL adotou abordagem inovadora para prevenir degradação óptica de fibras ópticas imersas em ambiente severo modificando e otimizando o design do componente de vidro da própria fibra. Em particular, a abordagem consiste em eliminar dopantes que criam mais defeitos na estrutura de vidro como germânio, fósforo e boro. A fibra é projetada com apenas sílica no núcleo, junto com dopagem de flúor para alcançar perfil de índice graduado da fibra multimodo⁴. Esta fibra é produzida pela AFL e é marca Verrillon^® VHM5000; é uma GIMMF 0,2 NA 50/125µm.

VHM5000 foi a fibra base usada com este revestimento metálico. Tinha revestimento à base de ouro com espessura de parede de aproximadamente 3-5 µm, bem abaixo da espessura típica de 15-25 µm para fibras revestidas a metal comercialmente disponíveis. Imagem SEM transversal demonstrando boa concêntrica e integridade do processo de revestimento é mostrada na Figura 1.

Fibras revestidas a metal podem ter perdas ópticas em condição as-drawn tão altas quanto 20-100 dB/km em temperatura ambiente². Figura 2 mostra atenuação espectral de VHM5000 com revestimento à base de ouro mostrado na Figura 1, em temperatura ambiente, medido em 88m de fibra. Fibra medida em bobina solta de 300 mm de diâmetro.

A atenuação espectral desta fibra com revestimento à base de ouro mostra níveis de atenuação similares a fibras multimodo revestidas com acrilato ou poliamida padrão, em oposição aos níveis significativamente mais altos mostrados por outras fibras multimodo revestidas a metal comercialmente disponíveis.

Fibras revestidas a metal também têm tendência a 'cold bond' (ligação a frio) a outros metais, ou a si mesmas, em temperaturas significativamente abaixo de sua temperatura de fusão. AFL tem processo patenteado que previne estas fibras revestidas a metal de ligar. Este processo foi aplicado a todas as fibras nestes testes.

Resultados e Discussão: Ciclagem Térmica e Imersão a 500°C

Figura 3 mostra seis ciclos de temperatura de VHM5000 com revestimento à base de ouro, entre temperatura ambiente e 375°C. Dados adquiridos a cada 5 minutos usando OTDR. Fibra em bobina solta de 114 mm, 40 metros de comprimento. Cada ciclo consistiu de rampa de 30°C/hora até 375°C, temperatura mantida a 375°C por 24 horas, então rampa descendente 30°C/hora até 60°C. Neste ponto, forno permitido retornar a temperatura ambiente, e próximo ciclo iniciado. 850 nm foi comprimento de onda monitorado.

Quarenta e três metros de VHM5000 com revestimento à base de ouro foi colocado em forno a 500°C por 900 horas. OTDR conectado à fibra ao final das 900 horas, e ciclo de 500°C executado. Figura 4 mostra este ciclo de temperatura, entre temperatura ambiente e 500°C. Dados adquiridos a cada 5 minutos. Fibra em bobina solta de 114 mm. Ciclo consistiu de rampa 30°C/hora até 500°C, temperatura mantida a 500°C por 34 horas, forno desligado e permitido retornar a temperatura ambiente por conta própria. Comprimento de onda avaliado foi 850 nm.

Conclusão

Uma fibra óptica revestida a metal de baixa atenuação capaz de suportar temperaturas até 500°C foi demonstrada. Desempenho validado usando OTDR. Ciclagem de temperatura mostrou que fibra revestida a metal pode suportar expansão e contração do revestimento metálico repetidas múltiplas vezes. Atenuação tanto em temperatura ambiente quanto alta foi significativamente menor que qualquer atenuação relatada em fibras revestidas a metal.

A imersão de 900 horas, e subsequente avaliação da fibra, mostraram que a fibra ainda performou bem após exposição de longo prazo a 500°C. Além disso, este processo é capaz de produzir longos comprimentos de fibra, até 3,5 km contínuos.