Fibra óptica com classificação de 500°C para aplicações de alta temperatura

As fibras ópticas de vidro à base de sílica sem revestimento podem suportar temperaturas superiores a 600°C. No entanto, as fibras de vidro precisam ser protegidas do meio ambiente. As fibras de telecomunicações padrão são normalmente revestidas com acrilato que permitem seu uso em temperaturas de até 85°C. Fibras ópticas especiais podem ser produzidas com revestimento de poliimida, o que permite que essas fibras sejam usadas em ambientes de até 300°C. Este tipo de fibra tem sido amplamente utilizado na indústria de petróleo e gás para fornecer comunicações importantes e funções de detecção para o gerenciamento de reservatórios.

Para temperaturas acima de 300°C, os revestimentos metálicos seriam atraentes. Os produzidos até o momento foram considerados inadequados para implantação de poços geotérmicos devido aos altos valores de atenuação em baixas temperaturas1. O processamento de óleo a jusante também pode se beneficiar de medições de alta temperatura que exigem fibras de baixa atenuação que funcionam além de 300°C. Essa atenuação, assim como mudanças significativas de atenuação durante a ciclagem, geralmente é atribuída à micro-flexão e ao grande descasamento dos coeficientes de expansão térmica entre o revestimento metálico e a fibra de vidro2. Entre outras coisas, revestimentos metálicos mais finos podem ajudar a mitigar esses problemas; no entanto, a produção de comprimentos longos de fibra revestida de metal de alta qualidade com espessura controlada do revestimento não é trivial2.

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

Design de fibra

Tem sido demonstrado desde o início da década de 1980 que a entrada de hidrogênio em vidro à base de sílica induz perdas em fibras ópticas em comprimentos de onda específicos devido à absorção de uma variedade de espécies relacionadas ao hidrogênio3. As fibras de sílica comuns usadas em comunicações como o monomodo padrão (SM) e o multimodo de índice graduado padrão (MM) sofrem uma degradação óptica dramática na presença de hidrogênio mesmo em temperatura ambiente. Os núcleos dessas fibras são tipicamente dopados com elementos que aumentam o índice de refração, como germânio e fósforo. Dependendo da temperatura e H₂ concentração, uma vez que o hidrogênio se difunde no núcleo da fibra, ele pode migrar para os sítios intersticiais da estrutura e/ou ligar-se a defeitos existentes no vidro como SiO, GeO e P-O. A perda total de fibra atinge centenas de decibéis por quilômetro, o que o torna inutilizável para qualquer aplicação de transmissão de luz.

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

VHM5000 foi a fibra base utilizada com este revestimento metálico. Ele tinha um revestimento à base de ouro com uma espessura de parede de aproximadamente 3 - 5 μm, que está bem abaixo da espessura de revestimento típica de 15 - 25 μm para fibras revestidas de metal comercialmente disponíveis. Uma imagem SEM em corte transversal demonstrando a boa concentricidade e integridade do processo de revestimento é mostrada na Figura 1.

As fibras revestidas de metal podem ter perdas ópticas em condições de desenho tão altas quanto 20–100 dB/km à temperatura ambiente ² . A Figura 2 mostra a atenuação espectral do VHM5000 com revestimento à base de ouro mostrado na Figura 1, à temperatura ambiente, medida em 88m de fibra. A fibra foi medida em uma bobina solta de 300 mm de diâmetro.

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

As fibras revestidas de metal também têm a tendência de “ligar a frio” a outros metais, ou a si mesmo, em temperaturas significativamente abaixo de sua temperatura de fusão. AFL tem um processo de patente pendente que impede que essas fibras revestidas de metal se unam. Este processo foi aplicado a todas as fibras nestes testes.

Resultados e Discussão

A Figura 3 mostra seis ciclos de temperatura do VHM5000 com revestimento à base de ouro, entre a temperatura ambiente e 375°C. Os dados foram adquiridos a cada 5 minutos usando um OTDR. A fibra estava em uma bobina solta de 114 mm, com 40 metros de comprimento. Cada ciclo consistiu em uma rampa de 30°C/hora até 375°C, a temperatura foi mantida a 375°C por 24 horas, e então foi reduzida a 30°C/hora até 60°C. Nesse ponto, deixou-se o forno retornar à temperatura ambiente e, em seguida, iniciou-se o próximo ciclo. 850 nm foi o comprimento de onda que foi monitorado.

Quarenta e três metros de fibra revestida à base de ouro VHM5000 foram colocados em um forno a 500°C por 900 horas. Um OTDR foi conectado à fibra na conclusão das 900 horas e um ciclo de 500°C foi executado. A Figura 4 mostra este ciclo de temperatura, entre a temperatura ambiente e 500°C. Os dados foram adquiridos a cada 5 minutos. A fibra estava em uma bobina solta de 114 mm. O ciclo consistiu em uma rampa de 30°C/hora até 500°C, a temperatura foi mantida a 500°C por 34 horas, e o forno foi parado e deixado retornar à temperatura ambiente por conta própria. O comprimento de onda avaliado foi de 850 nm.

Conclusão

Foi demonstrada uma fibra óptica revestida com metal de baixa atenuação capaz de suportar temperaturas de até 500°C. O desempenho foi validado usando um OTDR. O ciclo de temperatura mostrou que a fibra revestida de metal pode suportar a expansão e contração do revestimento de metal repetidas várias vezes. A atenuação tanto em temperatura ambiente quanto em alta temperatura foi significativamente menor do que qualquer atenuação relatada em fibras revestidas de metal.

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

Este artigo foi escrito por William Jacobsen, Engenheiro Sênior; Abdel Soufiane, Ph.D, GM e CTO; e John D'Urso, Engenheiro Principal; AFL Specialty Fibers (North Grafton, MA). Para mais informações, visite aqui .

Referências

1. Reinsch, T., e Henninges, J. “Caracterização dependente da temperatura de fibras ópticas para detecção de temperatura distribuída em poços geotérmicos quentes, ” Measurement Science and Technology, 21, (2010).
2. Bogatyrev, V.A., e Semjonov, S. “Metal-Coated Fibers, ” Specialty Optical Fibers Handbook, Academic Press, 491-512 (2007).
3. Stone, J., Chraplyvy, A.R., e Burrus, C.A. “Gás em vidro—um novo meio de ganho Raman:hidrogênio molecular em fibras ópticas de sílica sólida, ” Op. Lett., 7, 297-299 (1982).
4. Weiss, J. “Sensores de poço geotérmico de fundo de poço compreendendo uma fibra óptica resistente ao hidrogênio. ” Patente dos EUA nº 6853798 B1, (2005).