耐 500°C 光纤助力高温应用可靠运行

无涂层石英基玻璃光纤可耐 600°C 以上温度。但玻璃纤维需防环境侵蚀。标准光通信光纤通常涂丙烯酸酯，使用温度上限 85°C。特种光纤可涂聚酰亚胺，用于 300°C 环境。此类光纤在油气行业大量用于储层管理的重要通信和感测功能。

300°C 以上温度，金属涂层有吸引力。但迄今产出的金属涂层光纤因低温下高衰减值¹ 被认为不适合地热井部署。下游石油加工也受益于需 300°C 以上低损耗光纤的高温测量。此衰减及循环中显著衰减变化，通常归因于微弯和金属涂层与玻璃纤维热膨胀系数巨大失配²。除其他，更薄金属涂层可缓解这些问题；但长距离高质量可控厚度金属涂层光纤生产非易事²。

本文演示一种耐 500°C 金属涂层光纤，并表明其可在室温与 500°C 间循环，同时保持低衰减，即使在低温下。

光纤设计

自 1980 年代初已证实氢渗入石英玻璃因吸收多种氢相关物种在特定波长诱导光纤损耗³。常用通信石英光纤如标准单模（SM）和标准梯度多模（MM）甚至室温下在氢气中光学性能剧烈退化。这些纤维芯通常掺锗、磷等增折射元素。视温度和 H₂ 浓度，氢扩散入纤芯后可迁移至结构间隙位位和/或与玻璃现有缺陷如 SiO、GeO、P-O 键合。总损耗达百分贝/公里，无法用于任何光传输应用。

AFL 采取创新方法，通过修改优化光纤玻璃组件设计本身防止恶劣环境中光纤光学退化。具体为消除制造玻璃结构更多缺陷的掺杂剂：锗、磷、硼。光纤芯仅含石英，氟掺杂实现多模光纤梯度折射率分布⁴。该光纤由 AFL 生产，品牌 Verrillon® VHM5000；为 0.2 NA 50/125μm GIMMF。

VHM5000 作为基础光纤采用金基涂层，壁厚约 3-5 μm，远低于商用金属涂层光纤典型 15-25 μm。图 1 显示横截面 SEM 图像，展示涂层工艺良好同心度和完整性。

金属涂层光纤拉制态室温光损耗高达 20-100 dB/km²。图 2 展示图 1 金基涂层 VHM5000 室温光谱衰减，测 88m 光纤，300mm 直径松散盘绕。

该金基涂层光纤光谱衰减水平与标准丙烯酸酯或聚酰亚胺涂层多模光纤相似，而非其他商用金属涂层多模光纤显著更高水平。

金属涂层光纤在远低于熔点温度下也倾向于与其他金属或自身“冷焊”。AFL 有专利待批工艺防止金属涂层光纤粘结。此工艺应用于所有测试光纤。

结果与讨论

图 3 展示金基涂层 VHM5000 六次室温至 375°C 温度循环。OTDR 每 5 分钟采集数据。光纤 114mm 松散盘绕，长 40 米。每循环：30°C/小时升至 375°C，保持 24 小时，再 30°C/小时降至 60°C。随后炉自然冷至室温，启动下一循环。监测波长 850 nm。

43 米金基涂层 VHM5000 置 500°C 炉中 900 小时。900 小时结束连接 OTDR，跑一 500°C 循环。图 4 展示此室温至 500°C 温度循环。每 5 分钟采集。光纤 114mm 松散盘绕。循环：30°C/小时升至 500°C，保持 34 小时，炉停止自然冷至室温。评估波长 850 nm。

结论

演示了耐 500°C 低衰减金属涂层光纤。用 OTDR 验证性能。温度循环显示金属涂层光纤可承受金属涂层反复膨胀收缩。室温和高温衰减均显著低于任何报道的金属涂层光纤衰减。

900 小时浸泡及后续评估显示光纤长期 500°C 暴露后仍表现良好。此外该工艺可生产长达 3.5 公里连续长度光纤。

本文由 AFL 特种光纤（马萨诸塞州 North Grafton）William Jacobsen 高级工程师、Abdel Soufiane 博士 GM 兼 CTO、John D'Urso 首席工程师撰写。更多信息请访问 here.

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).