用于高温应用的 500°C 级光纤
没有涂层的硅基玻璃光纤可以承受超过 600°C 的温度。但是，需要保护玻璃纤维免受环境影响。标准电信光纤通常涂有丙烯酸酯涂层，可在高达 85°C 的温度下使用。可以生产带有聚酰亚胺涂层的特种光纤，这使得这些光纤可以在高达 300°C 的环境中使用。这种类型的光纤已广泛应用于石油和天然气行业，为油藏管理提供重要的通信和传感功能。
对于 300°C 以上的温度，金属涂层会很有吸引力。由于低温下的高衰减值，迄今为止生产的那些被认为不适合地热井部署。下游石油加工也可以受益于需要在 300°C 以上执行的低衰减光纤的高温测量。这种衰减以及循环期间的显着衰减变化通常归因于微弯曲以及金属涂层和玻璃纤维之间的热膨胀系数的大失配2。除其他外，更薄的金属涂层有助于缓解这些问题；然而，在涂层厚度可控的情况下，生产长长度的高质量金属涂层光纤并非易事2。
在本文中，将展示一种能够承受高达 500°C 温度的金属涂层光纤，并将表明这种光纤可以在室温和 500°C 之间循环，同时即使在低温下也能保持低衰减.
纤维设计
自 1980 年代初以来已经证明，由于吸收了各种与氢相关的物质3，硅基玻璃中的氢进入会导致特定波长的光纤损耗。通信中使用的普通石英光纤，例如标准单模 (SM) 和标准渐变折射率多模 (MM)，即使在室温下，在氢气存在的情况下也会遭受剧烈的光学退化。这些光纤的纤芯通常掺杂有增加折射率的元素，例如锗和磷。根据温度和 H2 浓度，一旦氢在纤芯中扩散，它就会迁移到结构的间隙位置和/或与玻璃中现有的缺陷（如 SiO、GeO 和 P-O）结合。光纤总损耗达到每公里数百分贝，无法用于任何光传输应用。
AFL 采用了一种创新的方法，通过修改和优化光纤本身的玻璃组件的设计，防止光纤浸入恶劣环境中的光学退化。特别是，该方法包括消除在玻璃结构中产生更多缺陷的掺杂剂，例如锗、磷和硼。该光纤设计为纤芯仅使用二氧化硅，并掺杂氟以实现多模光纤的渐变折射率分布4。这种纤维由 AFL 生产，商标为 Verrillon ® VHM5000；它是 0.2 NA 50/125μm GIMMF。
VHM5000 是用于这种金属涂层的基础光纤。它具有壁厚约为 3 - 5 μm 的金基涂层，远低于市售金属涂层纤维的典型涂层厚度 15 - 25 μm。表明涂层工艺良好的同心度和完整性的横截面SEM图像如图1所示。
金属涂层光纤在拉制状态下的光损耗在室温下可高达 20–100 dB/km 2 .图 2 显示了具有图 1 所示金基涂层的 VHM5000 在室温下在 88m 光纤上测量的光谱衰减。在直径为 300 mm 的松散线圈中测量纤维。
这种带有金基涂层的光纤的光谱衰减显示出与标准丙烯酸酯或聚酰亚胺涂层多模光纤相似的衰减水平，而其他市售金属涂层多模光纤显示出的衰减水平要高得多。
金属涂层纤维还倾向于在明显低于其熔化温度的温度下与其他金属或自身“冷粘合”。 AFL 有一个正在申请专利的工艺，可以防止这些金属涂层纤维粘合。该工艺应用于这些测试中的所有纤维。
结果与讨论
图 3 显示了具有金基涂层的 VHM5000 在室温和 375°C 之间的六个温度循环。使用 OTDR 每 5 分钟采集一次数据。光纤呈 114 毫米松散线圈，长度为 40 米。每个循环包括以 30°C/小时的速度升温至 375°C，温度在 375°C 下保持 24 小时，然后以 30°C/小时的速度下降直至 60°C。此时，让烤箱回到室温，然后开始下一个循环。 850 nm是监测的波长。
将 43 米的 VHM5000 镀金光纤放入 500°C 的烘箱中 900 小时。在 900 小时结束时将 OTDR 连接到光纤，并运行 500°C 循环。图 4 显示了在室温和 500°C 之间的温度循环。每 5 分钟采集一次数据。光纤为 114 毫米松散线圈。该循环包括以 30°C/小时的速度升温至 500°C，将温度保持在 500°C 34 小时，然后停止烘箱并使其自行恢复到室温。评价波长为850 nm。
结论
演示了一种能够承受高达 500°C 温度的低衰减金属涂层光纤。使用 OTDR 验证了性能。温度循环表明，金属涂层纤维可以承受金属涂层重复多次的膨胀和收缩。室温和高温下的衰减均显着低于任何报道的金属涂层光纤的衰减。
900 小时的浸泡和随后对纤维的评估表明，在 500°C 长期暴露后，纤维仍然表现良好。此外，该工艺还能够生产出长达 3.5 公里的连续光纤。
本文由高级工程师 William Jacobsen 撰写； Abdel Soufiane，博士、总经理兼首席技术官；和首席工程师 John D'Urso； AFL 特种纤维（马萨诸塞州北格拉夫顿）。如需更多信息，请访问此处 .
参考文献
- Reinsch, T. 和 Henninges, J. “热地热井分布式温度传感光纤的温度相关特性， ” 测量科学与技术，21，（2010 年）。
- Bogatyrev, V.A. 和 Semjonov, S. “金属涂层纤维， ” 特种光纤手册，学术出版社，491-512 (2007)。
- Stone, J.、Chraplyvy, A.R. 和 Burrus, C.A. “玻璃中的气体——一种新的拉曼增益介质：固体二氧化硅光纤中的分子氢， ”选项。 Lett., 7, 297-299 (1982)。
- Weiss, J. “包含耐氢光纤的井下地热井传感器。 ”美国专利号 6853798 B1，（2005 年）。
传感器