Fibre optique 500°C pour les applications à haute température

Les fibres optiques en verre à base de silice sans revêtement peuvent supporter des températures supérieures à 600°C. Cependant, les fibres de verre doivent être protégées de l'environnement. Les fibres de télécommunication standard sont généralement recouvertes d'acrylate qui permettent leur utilisation à des températures allant jusqu'à 85°C. Des fibres optiques spéciales peuvent être produites avec un revêtement en polyimide, ce qui permet à ces fibres d'être utilisées dans des environnements jusqu'à 300°C. Ce type de fibre a été largement utilisé dans l'industrie pétrolière et gazière pour fournir d'importantes fonctions de communication et de détection pour la gestion des réservoirs.

Pour des températures supérieures à 300°C, des revêtements métalliques seraient intéressants. Ceux produits à ce jour ont été jugés inadaptés au déploiement de puits géothermiques en raison de valeurs d'atténuation élevées à basses températures1. Le traitement du pétrole en aval peut également bénéficier de mesures à haute température nécessitant des fibres à faible atténuation qui fonctionnent au-delà de 300°C. Cette atténuation, ainsi que des changements d'atténuation significatifs au cours du cyclage, est généralement attribuée à la micro-courbure et au grand décalage des coefficients de dilatation thermique entre le revêtement métallique et la fibre de verre2. Entre autres choses, des revêtements métalliques plus minces pourraient aider à atténuer ces problèmes; cependant, la production de grandes longueurs de fibres revêtues de métal de haute qualité avec une épaisseur contrôlée du revêtement n'est pas triviale2.

Dans cet article, une fibre revêtue de métal capable de résister à des températures allant jusqu'à 500°C sera démontrée, et il sera démontré que cette fibre peut être cyclée entre la température ambiante et 500°C, tout en maintenant une faible atténuation, même à basse température. .

Conception de la fibre

Il a été démontré depuis le début des années 1980 que l'infiltration d'hydrogène dans le verre à base de silice induit des pertes dans les fibres optiques à des longueurs d'onde spécifiques en raison de l'absorption d'une variété d'espèces apparentées à l'hydrogène3. Les fibres de silice courantes utilisées dans les communications telles que le monomode standard (SM) et le multimode à gradient d'indice standard (MM) subissent une dégradation optique spectaculaire en présence d'hydrogène, même à température ambiante. Les cœurs de ces fibres sont généralement dopés avec des éléments augmentant l'indice de réfraction tels que le germanium et le phosphore. Selon la température et H₂ concentration, une fois que l'hydrogène diffuse dans le cœur de la fibre, il peut migrer vers des sites interstitiels de la structure et/ou se lier avec des défauts existants dans le verre tels que SiO, GeO et P-O. La perte globale de fibre atteint des centaines de décibels par kilomètre, ce qui la rend inutilisable pour toute application de transmission de lumière.

AFL a adopté une approche innovante pour prévenir la dégradation optique des fibres optiques immergées dans un environnement difficile en modifiant et en optimisant la conception du composant en verre de la fibre elle-même. En particulier, l'approche consiste à éliminer les dopants qui créent le plus de défauts dans la structure du verre tels que le germanium, le phosphore et le bore. La fibre est conçue avec uniquement de la silice dans le cœur, ainsi qu'un dopage au fluor pour obtenir le profil à gradient d'indice de la fibre multimode4. Cette fibre est produite par AFL et porte la marque Verrillon ^® VHM5000 ; c'est un GIMMF 0.2 NA 50/125μm.

VHM5000 était la fibre de base utilisée avec ce revêtement métallique. Il avait un revêtement à base d'or avec une épaisseur de paroi d'environ 3 à 5 μm, ce qui est bien inférieur à l'épaisseur de revêtement typique de 15 à 25 μm pour les fibres revêtues de métal disponibles dans le commerce. Une image SEM en coupe démontrant la bonne concentricité et l'intégrité du processus de revêtement est illustrée à la figure 1.

Les fibres à revêtement métallique peuvent présenter des pertes optiques à l'état étiré allant jusqu'à 20 – 100 dB/km à température ambiante ² . La figure 2 montre l'atténuation spectrale du VHM5000 avec un revêtement à base d'or illustré à la figure 1, à température ambiante, mesurée sur 88 m de fibre. La fibre a été mesurée dans une bobine lâche de 300 mm de diamètre.

L'atténuation spectrale de cette fibre avec un revêtement à base d'or présente des niveaux d'atténuation similaires à ceux des fibres multimodes revêtues d'acrylate ou de polyimide standard, par opposition aux niveaux nettement plus élevés présentés par d'autres fibres multimodes revêtues de métal disponibles dans le commerce.

Les fibres revêtues de métal ont également tendance à se "lier à froid" à d'autres métaux, ou à elles-mêmes, à des températures nettement inférieures à leur température de fusion. AFL a un processus en instance de brevet qui empêche ces fibres recouvertes de métal de se lier. Ce procédé a été appliqué à toutes les fibres de ces tests.

Résultats et discussion

La figure 3 montre six cycles de température de VHM5000 avec un revêtement à base d'or, entre la température ambiante et 375°C. Les données ont été acquises toutes les 5 minutes à l'aide d'un OTDR. La fibre était dans une bobine lâche de 114 mm, de 40 mètres de long. Chaque cycle consistait en une rampe de 30°C/heure jusqu'à 375°C, la température était maintenue à 375°C pendant 24 heures, puis elle était abaissée de 30°C/heure jusqu'à 60°C. À ce stade, le four a été autorisé à revenir à température ambiante, puis le cycle suivant a commencé. 850 nm était la longueur d'onde qui a été surveillée.

Quarante-trois mètres de fibre revêtue à base d'or VHM5000 ont été placés dans un four à 500°C pendant 900 heures. Un OTDR a été connecté à la fibre à la fin des 900 heures, et un cycle à 500°C a été exécuté. La figure 4 montre ce cycle de température, entre la température ambiante et 500°C. Les données ont été acquises toutes les 5 minutes. La fibre était dans une bobine lâche de 114 mm. Le cycle consistait en une rampe de 30°C/heure jusqu'à 500°C, la température était maintenue à 500°C pendant 34 heures, et le four était arrêté et laissé revenir à température ambiante de lui-même. La longueur d'onde évaluée était de 850 nm.

Conclusion

Une fibre optique revêtue de métal à faible atténuation capable de résister à des températures allant jusqu'à 500°C a été démontrée. Les performances ont été validées à l'aide d'un OTDR. Les cycles de température ont montré que la fibre revêtue de métal pouvait résister à l'expansion et à la contraction du revêtement métallique répétées plusieurs fois. L'atténuation à la fois à température ambiante et à haute température était significativement inférieure à toute atténuation rapportée dans les fibres à revêtement métallique.

Le trempage de 900 heures et l'évaluation ultérieure de la fibre ont montré que la fibre se comportait toujours bien après une exposition à long terme à 500°C. De plus, ce procédé est capable de produire de grandes longueurs de fibre, jusqu'à 3,5 km en continu.

Cet article a été écrit par William Jacobsen, Sr. Engineer ; Abdel Soufiane, Ph.D, GM et CTO ; et John D'Urso, ingénieur principal ; Fibres spécialisées AFL (North Grafton, MA). Pour plus d'informations, rendez-vous ici .

Références

1. Reinsch, T. et Henninges, J. "Caractérisation dépendante de la température des fibres optiques pour la détection de température distribuée dans les puits géothermiques chauds, ” Science et technologie de mesure, 21, (2010).
2. Bogatyrev, V.A., et Semjonov, S. "Fibres revêtues de métal ” Manuel des fibres optiques spécialisées, Academic Press, 491-512 (2007).
3. Stone, J., Chraplyvy, A.R. et Burrus, C.A. "Gas-in-glass—un nouveau milieu à gain Raman :hydrogène moléculaire dans des fibres optiques en silice solide, » Opt. Lett., 7, 297-299 (1982).
4. Weiss, J. "Capteurs de puits géothermiques de fond de puits comprenant une fibre optique résistante à l'hydrogène. ” Brevet américain n° 6853798 B1, (2005).