Serat Optik Bernilai 500 ° C untuk Aplikasi Suhu Tinggi

Serat optik kaca berbasis silika tanpa pelapis dapat menahan suhu lebih dari 600 °C. Namun, serat kaca perlu dilindungi dari lingkungan. Serat telekomunikasi standar biasanya dilapisi dengan akrilat yang memungkinkan penggunaannya dalam suhu hingga 85 °C. Serat optik khusus dapat diproduksi dengan lapisan polimida, yang memungkinkan serat ini digunakan di lingkungan hingga 300 °C. Jenis serat ini telah digunakan secara luas di industri minyak dan gas untuk menyediakan fungsi komunikasi dan penginderaan penting untuk pengelolaan reservoir.

Untuk suhu di atas 300 ° C, pelapis logam akan menarik. Yang diproduksi sampai saat ini dianggap tidak cocok untuk penyebaran sumur panas bumi karena nilai redaman yang tinggi pada suhu rendah1. Pemrosesan minyak hilir juga dapat memperoleh manfaat dari pengukuran suhu tinggi yang membutuhkan serat redaman rendah yang berkinerja di atas 300 °C. Redaman ini, serta perubahan redaman yang signifikan selama bersepeda, umumnya dikaitkan dengan mikro-bending dan ketidakcocokan besar koefisien ekspansi termal antara lapisan logam dan serat kaca2. Antara lain, pelapis logam yang lebih tipis dapat membantu mengurangi masalah ini; namun, produksi serat berlapis logam berkualitas tinggi dengan ketebalan lapisan yang terkontrol bukanlah hal yang sepele2.

Dalam artikel ini, serat berlapis logam yang mampu menahan suhu hingga 500 ° C akan ditunjukkan, dan akan ditunjukkan bahwa serat ini dapat didaur ulang antara suhu kamar dan 500 ° C, sambil mempertahankan redaman rendah, bahkan pada suhu rendah. .

Desain Serat

Telah ditunjukkan sejak awal 1980-an bahwa masuknya hidrogen dalam kaca berbasis silika menyebabkan hilangnya serat optik pada panjang gelombang tertentu karena penyerapan berbagai spesies terkait hidrogen3. Serat silika yang umum digunakan dalam komunikasi seperti mode tunggal standar (SM) dan multimode indeks bergradasi standar (MM) mengalami degradasi optik yang dramatis dengan adanya hidrogen bahkan pada suhu kamar. Inti dari serat ini biasanya diolah dengan elemen peningkatan indeks bias seperti germanium dan fosfor. Tergantung pada suhu dan H₂ konsentrasi, sekali hidrogen berdifusi dalam inti serat, dapat bermigrasi ke situs interstisial struktur dan/atau ikatan dengan cacat yang ada di kaca seperti SiO, GeO dan P-O. Kehilangan serat secara keseluruhan mencapai ratusan desibel per kilometer, yang membuatnya tidak dapat digunakan untuk aplikasi transmisi cahaya apa pun.

AFL mengambil pendekatan inovatif untuk mencegah degradasi optik dari serat optik yang terbenam dalam lingkungan yang keras dengan memodifikasi dan mengoptimalkan desain komponen kaca dari serat itu sendiri. Secara khusus, pendekatan ini terdiri dari menghilangkan dopan yang menciptakan lebih banyak cacat pada struktur kaca seperti germanium, fosfor, dan boron. Serat dirancang dengan hanya silika di inti, bersama dengan doping fluor untuk mencapai profil indeks bertingkat dari serat multimode4. Serat ini diproduksi oleh AFL dan dicap sebagai Verrillon ^® VHM5000; itu adalah 0.2 NA 50/125μm GIMMF.

VHM5000 adalah serat dasar yang digunakan dengan lapisan logam ini. Ini memiliki lapisan berbasis emas dengan ketebalan dinding sekitar 3 - 5 m yang jauh di bawah ketebalan lapisan khas 15 – 25 m untuk serat berlapis logam yang tersedia secara komersial. Gambar SEM penampang yang menunjukkan konsentrisitas dan integritas yang baik dari proses pelapisan ditunjukkan pada Gambar 1.

Serat berlapis logam dapat mengalami rugi-rugi optik dalam kondisi penarikan setinggi 20–100 dB/km pada suhu kamar ² . Gambar 2 menunjukkan redaman spektral VHM5000 dengan lapisan berbasis emas yang ditunjukkan pada Gambar 1, pada suhu kamar, diukur pada serat 88m. Serat diukur dalam kumparan longgar berdiameter 300 mm.

Redaman spektral serat ini dengan lapisan berbasis emas menunjukkan tingkat redaman yang serupa dengan serat multimode berlapis akrilat atau polimida standar, berbeda dengan tingkat yang jauh lebih tinggi yang ditunjukkan oleh serat multimode berlapis logam lain yang tersedia secara komersial.

Serat berlapis logam juga memiliki kecenderungan untuk 'ikatan dingin' dengan logam lain, atau dirinya sendiri, pada suhu yang jauh di bawah suhu lelehnya. AFL memiliki proses paten-pending yang mencegah serat berlapis logam ini dari ikatan. Proses ini diterapkan ke semua serat dalam pengujian ini.

Hasil dan Diskusi

Gambar 3 menunjukkan enam siklus suhu VHM5000 dengan lapisan berbasis emas, antara suhu kamar dan 375 °C. Data diperoleh setiap 5 menit menggunakan OTDR. Serat berada dalam kumparan longgar 114 mm, panjang 40 meter. Setiap siklus terdiri dari ramp 30 °C/jam menjadi 375 °C, suhu dipertahankan pada 375 °C selama 24 jam, dan kemudian diturunkan 30 °C/jam hingga 60 °C. Pada saat itu, oven dibiarkan kembali ke suhu kamar, dan kemudian siklus berikutnya dimulai. 850 nm adalah panjang gelombang yang dipantau.

Serat berlapis emas VHM5000 sepanjang empat puluh tiga meter dimasukkan ke dalam oven 500 °C selama 900 jam. OTDR dihubungkan ke serat pada akhir 900 jam, dan siklus 500 °C dijalankan. Gambar 4 menunjukkan siklus suhu ini, antara suhu kamar dan 500 °C. Pengambilan data dilakukan setiap 5 menit. Serat berada dalam koil longgar 114 mm. Siklus terdiri dari tanjakan 30°C/jam hingga 500 °C, suhu dipertahankan pada 500 °C selama 34 jam, dan oven dihentikan dan dibiarkan kembali ke suhu kamar dengan sendirinya. Panjang gelombang yang dievaluasi adalah 850 nm.

Kesimpulan

Serat optik berlapis logam redaman rendah yang mampu menahan suhu hingga 500 ° C ditunjukkan. Kinerja divalidasi menggunakan OTDR. Siklus suhu menunjukkan bahwa serat berlapis logam dapat menahan ekspansi dan kontraksi lapisan logam yang berulang kali. Redaman pada suhu kamar dan suhu tinggi secara signifikan lebih rendah daripada redaman yang dilaporkan pada serat berlapis logam.

Perendaman 900 jam, dan evaluasi serat selanjutnya, menunjukkan bahwa serat masih berkinerja baik setelah paparan jangka panjang pada 500 °C. Selain itu, proses ini mampu menghasilkan serat yang panjang, hingga 3,5 km terus menerus.

Artikel ini ditulis oleh William Jacobsen, Sr. Engineer; Abdel Soufiane, Ph.D, GM dan CTO; dan John D'Urso, Insinyur Utama; Serat Khusus AFL (North Grafton, MA). Untuk informasi lebih lanjut, kunjungi di sini .

Referensi

1. Reinsch, T., dan Henninges, J. “Karakterisasi Bergantung Suhu pada Serat Optik untuk Penginderaan Suhu Terdistribusi di Sumur Panas Bumi, ” Ilmu dan Teknologi Pengukuran, 21, (2010).
2. Bogatyrev, V.A., dan Semjonov, S. “Serat Berlapis Logam, ” Buku Pegangan Serat Optik Khusus, Academic Press, 491-512 (2007).
3. Stone, J., Chraplyvy, A.R., dan Burrus, C.A. “Gas-in-glass—media Raman-gain baru:molekul hidrogen dalam serat optik silika padat, Pilihan Lett., 7, 297-299 (1982).
4. Weiss, J. “Sensor sumur panas bumi bawah tanah yang terdiri dari serat optik tahan hidrogen. ” Paten AS No. 6853798 B1, (2005).