高温用途向けの500°C定格の光ファイバー
コーティングされていないシリカベースのガラス光ファイバーは、600°Cを超える温度に耐えることができます。ただし、ガラス繊維は環境から保護する必要があります。標準のテレコムファイバーは通常、85°Cまでの温度での使用を可能にするアクリレートでコーティングされています。特殊な光ファイバーはポリイミドコーティングで製造できるため、300°Cまでの環境で使用できます。このタイプのファイバーは、石油およびガス業界で広く使用されており、貯留層管理のための重要な通信および検知機能を提供しています。
300°Cを超える温度では、金属コーティングが魅力的です。これまでに生産されたものは、低温での減衰値が高いため、地熱井の展開には不適切であると見なされてきました1。下流の石油処理は、300°Cを超える性能を発揮する低減衰繊維を必要とする高温測定の恩恵を受けることもできます。この減衰、およびサイクリング中の大幅な減衰の変化は、一般に、マイクロベンディングと、金属コーティングとガラス繊維の間の熱膨張係数の大きな不一致に起因します2。とりわけ、より薄い金属コーティングはこれらの問題を軽減するのに役立つ可能性があります。ただし、コーティングの厚さが制御された高品質の金属コーティングされたファイバーを長時間製造することは簡単ではありません2。
この記事では、500°Cまでの温度に耐えることができる金属被覆ファイバを示し、このファイバが低温でも低減衰を維持しながら、室温と500°Cの間で循環できることを示します。 。
ファイバーデザイン
1980年代初頭以来、シリカベースのガラスへの水素の侵入は、さまざまな水素関連種の吸収により、特定の波長で光ファイバーに損失を引き起こすことが実証されています3。標準シングルモード（SM）や標準グレーデッドインデックスマルチモード（MM）などの通信で使用される一般的なシリカファイバは、室温でも水素の存在下で劇的な光劣化を起こします。これらのファイバのコアには、通常、ゲルマニウムやリンなどの屈折率増加元素がドープされています。温度とH2に応じて 水素がファイバコアに拡散すると、水素は構造の格子間サイトに移動したり、SiO、GeO、P-Oなどのガラスの既存の欠陥と結合したりする可能性があります。全体的なファイバ損失は1キロメートルあたり数百デシベルに達するため、光伝送アプリケーションには使用できません。
AFLは、ファイバー自体のガラスコンポーネントの設計を変更および最適化することにより、過酷な環境に浸された光ファイバーの光学的劣化を防ぐための革新的なアプローチを採用しました。特に、このアプローチは、ゲルマニウム、リン、ホウ素など、ガラス構造にさらに多くの欠陥を生じさせるドーパントを排除することで構成されています。マルチモードファイバのグレーデッドインデックスプロファイルを実現するために、ファイバはコアにシリカのみを使用し、フッ素をドーピングして設計されています4。この繊維はAFLによって製造され、Verrillon ® としてブランド化されています。 VHM5000; 0.2 NA50/125μmGIMMFです。
VHM5000は、この金属コーティングで使用されるベースファイバーでした。壁の厚さが約3〜5μmの金ベースのコーティングが施されていました。これは、市販の金属コーティングされたファイバーの一般的なコーティングの厚さである15〜25μmをはるかに下回っています。コーティングプロセスの良好な同心性と完全性を示す断面SEM画像を図1に示します。
金属でコーティングされたファイバは、室温で20〜100 dB/kmの線引き状態で光損失が発生する可能性があります 2 。図2は、88mのファイバで測定した、室温での、図1に示す金ベースのコーティングを施したVHM5000のスペクトル減衰を示しています。ファイバーは直径300mmのルーズコイルで測定されました。
金ベースのコーティングによるこのファイバーのスペクトル減衰は、他の市販の金属コーティングされたマルチモードファイバーによって示される大幅に高いレベルとは対照的に、標準のアクリレートまたはポリイミドコーティングされたマルチモードファイバーと同様の減衰レベルを示します。
金属でコーティングされた繊維は、溶融温度よりも大幅に低い温度で、他の金属またはそれ自体に「冷結合」する傾向もあります。 AFLには、これらの金属コーティングされたファイバーが結合するのを防ぐ特許出願中のプロセスがあります。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
図3は、室温と375°Cの間の金ベースのコーティングを施したVHM5000の6つの温度サイクルを示しています。データはOTDRを使用して5分ごとに取得されました。ファイバーは長さ40メートルの114mmの緩いコイルに入っていました。各サイクルは、375°Cへの30°C /時間のランプで構成され、温度は375°Cで24時間保持され、その後、60°Cまで30°C/時間でランプダウンされました。その時点で、オーブンを室温に戻し、次のサイクルを開始しました。 850nmが監視された波長でした。
43メートルのVHM5000金ベースのコーティングされたファイバーを500°Cのオーブンに900時間入れました。 900時間の終わりにOTDRをファイバーに接続し、500°Cのサイクルを実行しました。図4は、室温と500°Cの間のこの温度サイクルを示しています。データは5分ごとに取得されました。ファイバーは114mmの緩いコイルに入っていました。サイクルは、500°Cへの30°C /時間のランプで構成され、温度は500°Cで34時間保持され、オーブンは停止され、自然に室温に戻されました。評価された波長は850nmでした。
結論
500°Cまでの温度に耐えることができる低減衰の金属被覆光ファイバが実証されました。パフォーマンスはOTDRを使用して検証されました。温度サイクルは、金属コーティングされた繊維が、複数回繰り返される金属コーティングの膨張および収縮に耐えることができることを示した。室温と高温の両方での減衰は、金属被覆ファイバで報告されている減衰よりも大幅に低かった。
900時間の浸漬とその後の繊維の評価では、500°Cでの長期暴露後も繊維が良好に機能することが示されました。さらに、このプロセスでは、最大3.5kmの連続した長いファイバーを製造できます。
この記事は、シニアエンジニアのWilliamJacobsenによって書かれました。 Abdel Soufiane、Ph.D、GMおよびCTO;ジョン・ドゥルソ、プリンシパルエンジニア。 AFL特殊繊維（マサチューセッツ州ノースグラフトン）。詳細については、こちらをご覧ください 。
参考資料
- Reinsch、T.、およびHenninges、J.「高温地熱井での分散温度検知のための光ファイバーの温度依存特性評価 ” Measurement Science and Technology、21、（2010）。
- Bogatyrev、V.A.およびSemjonov、S.「金属被覆繊維 ”特殊光ファイバーハンドブック、アカデミックプレス、491-512（2007）。
- Stone、J.、Chraplyvy、A.R.、およびBurrus、C.A. 「Gas-in-glass—新しいラマンゲイン媒体：固体シリカ光ファイバー中の水素分子 」Opt。 Lett。、7、297-299（1982）。
- Weiss、J.「水素耐性光ファイバーを備えたダウンホール地熱井センサー。 」米国特許第6853798B1号（2005年）。
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