고온용 500°C 정격 광섬유

코팅이 없는 실리카 기반 유리 광섬유는 600°C 이상의 온도를 견딜 수 있습니다. 그러나 유리 섬유는 환경으로부터 보호해야 합니다. 표준 통신 섬유는 일반적으로 최대 85°C의 온도에서 사용할 수 있는 아크릴레이트로 코팅됩니다. 특수 광섬유는 최대 300°C의 환경에서 사용할 수 있는 폴리이미드 코팅으로 생산할 수 있습니다. 이러한 유형의 섬유는 석유 및 가스 산업에서 저수지 관리를 위한 중요한 통신 및 감지 기능을 제공하기 위해 광범위하게 사용되었습니다.

300°C 이상의 온도에서는 금속 코팅이 매력적입니다. 현재까지 생산된 것은 저온에서 높은 감쇠 값으로 인해 지열정 배치에 적합하지 않은 것으로 간주되었습니다1. 다운스트림 오일 처리는 또한 300°C 이상에서 성능을 발휘하는 낮은 감쇠 섬유가 필요한 고온 측정의 이점을 얻을 수 있습니다. 사이클링 중 상당한 감쇠 변화와 함께 이러한 감쇠는 일반적으로 금속 코팅과 유리 섬유 사이의 열팽창 계수의 큰 불일치 및 마이크로 벤딩에 기인합니다. 무엇보다도 더 얇은 금속 코팅은 이러한 문제를 완화하는 데 도움이 될 수 있습니다. 그러나 코팅 두께가 조절된 고품질 금속 코팅 섬유를 긴 길이로 생산하는 것은 결코 쉬운 일이 아닙니다.

이 기사에서는 최대 500°C의 온도를 견딜 수 있는 금속 코팅된 섬유를 시연하고 이 섬유가 저온에서도 낮은 감쇠를 유지하면서 실온과 500°C 사이에서 순환할 수 있음을 보여줍니다. .

섬유 디자인

1980년대 초부터 실리카 기반 유리의 수소 침투가 다양한 수소 관련 종의 흡수로 인해 특정 파장에서 광섬유의 손실을 유도한다는 것이 입증되었습니다. 표준 단일 모드(SM) 및 표준 등급 지수 다중 모드(MM)와 같은 통신에 사용되는 일반적인 실리카 섬유는 실온에서도 수소가 있는 경우 극적인 광학 성능 저하를 겪습니다. 이러한 섬유의 코어는 일반적으로 게르마늄 및 인과 같은 굴절률 증가 요소로 도핑됩니다. 온도 및 H₂에 따라 농도에 따라 수소가 섬유 코어에서 확산되면 구조의 틈새 사이트로 이동하거나 SiO, GeO 및 P-O와 같은 유리의 기존 결함과 결합할 수 있습니다. 전체 광섬유 손실은 킬로미터당 수백 데시벨에 도달하므로 모든 광 전송 애플리케이션에 사용할 수 없습니다.

AFL은 광섬유 자체의 유리 구성 요소 디자인을 수정하고 최적화하여 열악한 환경에 잠겨 있는 광섬유의 광학적 열화를 방지하기 위해 혁신적인 접근 방식을 취했습니다. 특히, 접근 방식은 게르마늄, 인 및 붕소와 같은 유리 구조에서 더 많은 결함을 생성하는 도펀트를 제거하는 것으로 구성됩니다. 섬유는 다중 모드 섬유4의 등급 지수 프로필을 달성하기 위해 불소 도핑과 함께 코어에 실리카만 사용하도록 설계되었습니다. 이 섬유는 AFL에서 생산되며 Verrillon ^® 브랜드입니다. VHM5000; 0.2 NA 50/125μm GIMMF입니다.

VHM5000은 이 금속 코팅에 사용된 기본 섬유였습니다. 그것은 벽 두께가 약 3 - 5 μm인 금 기반 코팅을 가지고 있었는데, 이는 상업적으로 이용 가능한 금속 코팅 섬유의 일반적인 코팅 두께인 15 - 25 μm보다 훨씬 낮습니다. 코팅 공정의 우수한 동심도와 무결성을 보여주는 단면 SEM 이미지가 그림 1에 나와 있습니다.

금속 코팅된 섬유는 상온에서 최대 20–100dB/km의 인발 상태에서 광학 손실이 발생할 수 있습니다. ² . 그림 2는 실온에서 88m 광섬유에서 측정한 그림 1의 금 기반 코팅을 사용한 VHM5000의 스펙트럼 감쇠를 보여줍니다. 섬유는 직경 300mm의 느슨한 코일에서 측정되었습니다.

금 기반 코팅이 된 이 광섬유의 스펙트럼 감쇠는 표준 아크릴레이트 또는 폴리이미드 코팅 다중 모드 광섬유와 유사한 감쇠 수준을 보여주지만, 다른 상업적으로 이용 가능한 금속 코팅 다중 모드 광섬유에서 볼 수 있는 상당히 높은 수준과 대조됩니다.

금속 코팅된 섬유는 또한 용융 온도보다 훨씬 낮은 온도에서 다른 금속 또는 그 자체에 '냉간 결합'되는 경향이 있습니다. AFL은 이러한 금속 코팅 섬유가 결합되는 것을 방지하는 특허 출원 중인 공정을 보유하고 있습니다. 이 과정은 이 테스트의 모든 섬유에 적용되었습니다.

결과 및 토론

그림 3은 실온과 375°C 사이에서 금 기반 코팅이 적용된 VHM5000의 6가지 온도 사이클을 보여줍니다. OTDR을 사용하여 5분마다 데이터를 수집했습니다. 섬유는 길이가 40미터인 114mm 느슨한 코일에 있었습니다. 각 사이클은 375°C까지 30°C/시간 램프로 구성되었고, 온도는 375°C에서 24시간 동안 유지되었으며, 그런 다음 60°C까지 30°C/시간 감소했습니다. 이 시점에서 오븐을 실온으로 되돌린 후 다음 사이클을 시작했습니다. 850 nm는 모니터링된 파장이었습니다.

43미터의 VHM5000 금 기반 코팅 섬유를 900시간 동안 500°C 오븐에 넣었습니다. 900시간이 끝날 때 OTDR을 광섬유에 연결하고 500°C 사이클을 실행했습니다. 그림 4는 실온과 500°C 사이의 온도 주기를 보여줍니다. 데이터는 5분마다 수집되었습니다. 섬유는 114mm 느슨한 코일에 있었습니다. 사이클은 500°C까지 30°C/시간 램프로 구성되었고, 온도는 500°C에서 34시간 동안 유지되었으며, 오븐을 멈추고 자체적으로 실온으로 돌아갔습니다. 평가된 파장은 850 nm였습니다.

결론

최대 500°C의 온도를 견딜 수 있는 저감쇠 금속 코팅 광섬유가 시연되었습니다. 성능은 OTDR을 사용하여 검증되었습니다. 온도 사이클링은 금속 코팅된 섬유가 여러 번 반복되는 금속 코팅의 팽창 및 수축을 견딜 수 있음을 보여주었습니다. 실온과 고온 모두에서 감쇠는 금속 코팅된 섬유에서 보고된 감쇠보다 현저히 낮습니다.

900시간 동안 담가둔 후 섬유를 평가한 결과 500°C에서 장기간 노출된 후에도 섬유가 여전히 잘 작동하는 것으로 나타났습니다. 또한, 이 공정은 최대 3.5km 연속으로 긴 길이의 섬유를 생산할 수 있습니다.

이 기사는 수석 엔지니어인 William Jacobsen이 작성했습니다. Abdel Soufiane, Ph.D, GM 및 CTO; 및 John D'Urso, 수석 엔지니어 AFL 특수 섬유(North Grafton, MA). 자세한 내용은 여기를 방문하십시오. .

참조

1. Reinsch, T., Henninges, J. “뜨거운 지열 우물에서 분산 온도 감지를 위한 광섬유의 온도 의존적 ​​특성화, " 측정 과학 및 기술, 21, (2010).
2. Bogatyrev, V.A. 및 Semjonov, S. “금속 코팅 섬유, " 특수 광섬유 핸드북, Academic Press, 491-512 (2007).
3. Stone, J., Chraplyvy, A.R. 및 Burrus, C.A. “Gas-in-glass—새로운 라만 이득 매질:고체-실리카 광섬유의 분자 수소, "선택 Lett., 7, 297-299(1982).
4. Weiss, J. “내수소성 광섬유로 구성된 다운홀 지열정 센서. " 미국 특허 번호 6853798 B1, (2005).