500℃耐熱光ファイバーで高温用途に信頼性を提供

コーティングなしのシリカベースガラス光ファイバーは600℃以上の温度に耐えられます。しかし、ガラスファイバーは環境から保護する必要があります。標準的な通信用ファイバーは通常アクリレートコーティングされ、85℃までの温度で使用可能です。特殊光ファイバーはポリイミドコーティングで製造でき、300℃までの環境で使用できます。このタイプのファイバーは、油ガス業界で貯留層管理のための重要な通信とセンシング機能を提供するために広く使用されてきました。

300℃以上では金属コーティングが魅力的だが課題も

300℃以上の温度では、金属コーティングが魅力的です。しかし、これまで製造されたものは、低温での高減衰値¹のため、地熱井戸への導入には不適切と判断されてきました。下流の石油処理でも、300℃を超える高温測定で低減衰ファイバーが役立ちます。この減衰、およびサイクリング時の大幅な減衰変化は、一般的に金属コーティングとガラスファイバーの熱膨張係数の大きなミスマッチによるマイクロベンディングに起因するとされています²。他にも、より薄い金属コーティングがこれらの問題を緩和できる可能性がありますが、制御された厚さで長尺の高品質金属コーティングファイバーを製造することは自明ではありません²。

この記事では、500℃まで耐えられる金属コーティングファイバーを実証し、このファイバーが室温と500℃の間でサイクリングしても、低温でも低減衰を維持できることを示します。

ファイバー設計：水素耐性と薄膜金コーティング

1980年代初頭から、シリカベースガラス中の水素侵入が、水素関連種の吸収により特定波長で光ファイバーに損失を誘発することが実証されています³. 通信用の一般的なシリカファイバー（標準シングルモード（SM）および標準グレーデッドインデックスマルチモード（MM））は、常温でも水素存在下で劇的な光学的劣化を受けます。これらのファイバーのコアは通常、ゲルマニウムやリンなどの屈折率上昇元素でドープされています。温度とH₂濃度に依存して、水素がファイバーコアに拡散すると、構造の間隙サイトに移動したり、SiO、GeO、P-Oなどのガラス中の既存欠陥と結合したりします。全体的なファイバー損失は数百dB/kmに達し、あらゆる光伝送用途で使用不能になります。

AFLは、ファイバー自体のガラス成分の設計を修正・最適化することで、過酷な環境に浸漬された光ファイバーの光学的劣化を防ぐ革新的アプローチを取りました。特に、ゲルマニウム、リン、ホウ素など、ガラス構造に欠陥を増やすドーパントを排除するアプローチです。ファイバーはコアにシリカのみを用い、フッ素ドーピングでマルチモードファイバーのグレーデッドインデックスプロファイルを実現しています⁴. このファイバーはAFLによって製造され、Verrillon® VHM5000のブランド名で提供されています。これは0.2 NA 50/125μm GIMMFです。

VHM5000がこの金属コーティングのベースファイバーとして使用されました。壁厚約3〜5μmの金ベースコーティングが施されており、これは市販の金属コーティングファイバーの典型的なコーティング厚15〜25μmより大幅に薄いです。コーティングプロセスの良好な同心度と完全性を示す断面SEM画像を図1に示します。

金属コーティングファイバーは、引き出し直後の状態で常温において20〜100 dB/kmの光学損失を持つことがあります². 図2は、図1に示す金ベースコーティングを施したVHM5000の、常温でのスペクトル減衰を、88mのファイバーで測定したものです。ファイバーは300mm径のルーズコイルで測定されました。

この金ベースコーティングファイバーのスペクトル減衰は、標準的なアクリレートやポリイミドコーティングマルチモードファイバーと同様の減衰レベルを示し、市販の他の金属コーティングマルチモードファイバーが示す著しく高いレベルとは対照的です。

金属コーティングファイバーは、融点より大幅に低い温度で、他の金属やそれ自体に「コールドボンド」する傾向があります。AFLは、これらの金属コーティングファイバーのボンディングを防止する特許出願中のプロセスを持っています。このプロセスは、これらのテストのすべてのファイバーに適用されました。

結果と考察：サイクリング試験と長期暴露試験

図3は、金ベースコーティングを施したVHM5000の、室温と375℃間の6回の温度サイクルを示します。データはOTDRを使用して5分ごとに取得されました。ファイバーは114mmのルーズコイル、長さ40メートルでした。各サイクルは、30℃/時間で375℃まで昇温、375℃で24時間保持、その後30℃/時間で60℃まで降温、その後オーブンを自然冷却で室温に戻し、次のサイクルを開始しました。監視波長は850nmでした。

43メートルの金ベースコーティングVHM5000を500℃のオーブンに900時間入れました。900時間終了時にOTDRをファイバーに接続し、500℃サイクルを実行しました。図4は、室温と500℃間のこの温度サイクルを示します。データは5分ごとに取得。ファイバーは114mmのルーズコイル。サイクルは、30℃/時間で500℃まで昇温、500℃で34時間保持、その後オーブンを停止し自然冷却で室温に戻しました。評価波長は850nmでした。

結論：長尺製造も可能

500℃まで耐えられる低減衰金属コーティング光ファイバーを実証しました。性能はOTDRで検証されました。温度サイクリングで、金属コーティングの膨張収縮を複数回繰り返しても耐えられることを示しました。常温および高温での減衰は、金属コーティングファイバーで報告されたあらゆる減衰より大幅に低かったです。

900時間の高温暴露とその後の評価で、ファイバーが500℃での長期暴露後も良好に機能することを示しました。さらに、このプロセスは最大3.5kmの連続長ファイバーを製造可能です。

この記事は、William Jacobsen（シニアエンジニア）、Abdel Soufiane（Ph.D、GM兼CTO）、John D'Urso（プリンシパルエンジニア）；AFL Specialty Fibers（マサチューセッツ州ノースグラフトン）によって執筆されました。詳細はこちら .

参考文献

1. Reinsch, T., and Henninges, J. 「Temperature Dependent Characterization of Optical Fibres for Distributed Temperature Sensing in Hot Geothermal Wells,」 Measurement Science and Technology, 21, (2010)。
2. Bogatyrev, V.A., and Semjonov, S. 「Metal-Coated Fibers,」 Specialty Optical Fibers Handbook, Academic Press, 491-512 (2007)。
3. Stone, J., Chraplyvy, A.R., and 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.」 U.S. Patent No. 6853798 B1, (2005)。