Fibre optique certifiée 500 °C pour applications haute température fiables

Les fibres optiques en verre à base de silice sans revêtement peuvent résister à des températures supérieures à 600 °C. Cependant, les fibres de verre doivent être protégées de l'environnement. Les fibres de télécommunication standard sont généralement revêtues d'acrylate permettant leur utilisation à des températures jusqu'à 85 °C. Des fibres optiques spécialisées 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.

Défi : au-delà de 300 °C

Pour des températures au-dessus de 300 °C, les revêtements métalliques seraient attractifs. Ceux produits à ce jour ont été jugés inadaptés pour le déploiement dans les puits géothermiques en raison de valeurs d'atténuation élevées à basses températures¹. Le traitement pétrolier en aval peut également bénéficier de mesures à haute température nécessitant des fibres à faible atténuation performant au-delà de 300 °C. Cette atténuation, ainsi que des changements d'atténuation significatifs pendant le cyclage, sont généralement attribués au micro-courbure et au grand désaccord des coefficients de dilatation thermique entre le revêtement métallique et la fibre de verre². Parmi d'autres choses, des revêtements métalliques plus fins pourraient aider à atténuer ces problèmes ; cependant, la production de longues longueurs de fibre métallique de haute qualité avec une épaisseur de revêtement contrôlée n'est pas triviale².

Dans cet article, une fibre à revêtement métallique capable de résister à des températures jusqu'à 500 °C sera démontrée, et il sera montré 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'ingression d'hydrogène dans le verre à base de silice induit des pertes dans les fibres optiques à des longueurs d'onde spécifiques dues à l'absorption d'une variété d'espèces liées à l'hydrogène³. Les fibres de silice communes utilisées dans les communications telles que monomode standard (SM) et multimode à indice de gradient standard (MM) subissent une dégradation optique dramatique en présence d'hydrogène même à température ambiante. Les cœurs de ces fibres sont généralement dopés avec des éléments augmentant l'indice de réfraction comme le germanium et le phosphore. Selon la température et la concentration en H₂, une fois que l'hydrogène diffuse dans le cœur de la fibre, il peut migrer vers les 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 la 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 optimisant la conception du composant en verre de la fibre elle-même. En particulier, l'approche consiste à éliminer les dopants qui créent plus de défauts dans la structure du verre tels que le germanium, le phosphore et le bore. La fibre est conçue avec seulement de la silice dans le cœur, avec un dopage au fluor pour atteindre le profil d'indice de gradient de la fibre multimode⁴. Cette fibre est produite par AFL et est commercialisée sous le nom Verrillon^® VHM5000 ; c'est une GIMMF 0,2 NA 50/125 µm.

VHM5000 était la fibre de base utilisée avec ce revêtement métallique. Elle avait un revêtement à base d'or avec une épaisseur de paroi d'environ 3 à 5 µm, bien en dessous de l'épaisseur de revêtement typique de 15 à 25 µm pour les fibres à revêtement métallique disponibles dans le commerce. Une image MEB en coupe transversale démontrant la bonne concentricité et l'intégrité du processus de revêtement est montrée dans la Figure 1.

Les fibres à revêtement métallique peuvent avoir des pertes optiques en condition de tirage aussi élevées que 20 à 100 dB/km à température ambiante². La Figure 2 montre l'atténuation spectrale de VHM5000 avec un revêtement à base d'or montré dans 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 montre des niveaux d'atténuation similaires aux fibres multimodes standard revêtues d'acrylate ou de polyimide, par opposition aux niveaux significativement plus élevés montrés par d'autres fibres multimodes à revêtement métallique disponibles dans le commerce.

Les fibres à revêtement métallique ont aussi la tendance à « souder à froid » à d'autres métaux, ou à elles-mêmes, à des températures significativement en dessous de leur température de fusion. AFL a un processus brevet en instance qui empêche ces fibres à revêtement métallique de souder. Ce processus a été appliqué à toutes les fibres dans ces tests.

Résultats et discussion

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

Quarante-trois mètres de VHM5000 à revêtement à base d'or ont été mis dans un four à 500 °C pendant 900 heures. Un OTDR a été connecté à la fibre à la conclusion 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 étaient acquises toutes les 5 minutes. La fibre était en bobine lâche de 114 mm. Le cycle consistait en une rampe de 30 °C/heure à 500 °C, la température était maintenue à 500 °C pendant 34 heures, et le four était arrêté et laissé revenir à la température ambiante par lui-même. La longueur d'onde évaluée était 850 nm.

Conclusion

Une fibre optique à revêtement métallique à faible atténuation capable de résister à des températures jusqu'à 500 °C a été démontrée. La performance a été validée en utilisant un OTDR. Le cyclage de température a montré que la fibre à revêtement métallique pouvait résister à l'expansion et la contraction répétées du revêtement métallique. L'atténuation à la fois à température ambiante et à haute température était significativement plus basse que toute atténuation rapportée dans les fibres à revêtement métallique.

Le trempage de 900 heures, et l'évaluation subséquente de la fibre, ont montré que la fibre performait encore bien après une exposition prolongée à 500 °C. De plus, ce processus est capable de produire de longues longueurs de fibre, jusqu'à 3,5 km continus.

Cet article a été écrit par William Jacobsen, Ingénieur Sr. ; Abdel Soufiane, Ph.D, GM et CTO ; et John D'Urso, Ingénieur Principal ; AFL Specialty Fibers (North Grafton, MA). Pour plus d'informations, visitez ici.

Références

1. Reinsch, T., et 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., et Semjonov, S. « Metal-Coated Fibers, » Specialty Optical Fibers Handbook, Academic Press, 491-512 (2007).
3. Stone, J., Chraplyvy, A.R., et 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).