Serat Optik Rating 500°C untuk Aplikasi Suhu Tinggi yang Andal

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

Untuk suhu di atas 300°C, lapisan logam akan menarik. Yang telah diproduksi hingga saat ini dianggap tidak cocok untuk penerapan sumur geotermal karena nilai attenuasi yang tinggi pada suhu rendah1. Pemrosesan minyak hilir juga dapat mendapat manfaat dari pengukuran suhu tinggi yang memerlukan serat dengan attenuasi rendah yang beroperasi di atas 300°C. Attenuasi ini, serta perubahan attenuasi yang signifikan selama siklus, umumnya dikaitkan dengan micro-bending dan ketidakcocokan besar dari koefisien ekspansi termal antara lapisan logam dan serat kaca2. Di antaranya, lapisan logam yang lebih tipis dapat membantu mengurangi masalah ini; namun, produksi panjang serat logam-coated berkualitas tinggi dengan ketebalan lapisan yang terkontrol bukanlah hal yang mudah2.

Dalam artikel ini, serat logam-coated yang mampu menahan suhu hingga 500°C akan ditunjukkan, dan akan ditunjukkan bahwa serat ini dapat di-cycling antara suhu kamar dan 500°C, sambil mempertahankan attenuasi rendah, bahkan pada suhu rendah.

Desain Serat

Sudah ditunjukkan sejak awal tahun 1980-an bahwa hidrojen yang masuk ke kaca berbasis silika menyebabkan kerugian dalam serat optik pada panjang gelombang tertentu karena penyerapan berbagai spesies terkait hidrojen3. Serat kaca umum yang digunakan dalam komunikasi seperti single-mode (SM) standar dan graded-index multimode (MM) mengalami degradasi optik yang dramatis dalam kehadiran hidrojen bahkan pada suhu kamar. Inti serat ini biasanya doti dengan elemen yang meningkatkan indeks bias seperti germanium dan fosfor. Bergantung pada suhu dan konsentrasi H₂, setelah hidrojen difusi ke inti serat, itu dapat migrasi ke situs interstisial struktur dan/atau terikat dengan defek yang ada di kaca seperti SiO, GeO dan P-O. Kerugian serat 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 serat optik yang direndam dalam lingkungan keras dengan memodifikasi dan mengoptimalkan desain komponen kaca serat itu sendiri. Secara khusus, pendekatan ini terdiri dari menghilangkan dopan yang menciptakan lebih banyak defek dalam struktur kaca seperti germanium, fosfor, dan bor. Serat dirancang hanya dengan silika di inti, bersama dengan doti fluorin untuk mencapai profil indeks tergrading dari serat multimode4. Serat ini diproduksi oleh AFL dan diberi merek Verrillon ^® VHM5000; ini adalah GIMMF 0,2 NA 50/125μm.

VHM5000 adalah serat dasar yang digunakan dengan lapisan logam ini. Ia memiliki lapisan berbasis emas dengan tebal dinding sekitar 3 - 5 μm yang jauh di bawah tebal lapisan standar 15 – 25 μm untuk serat logam-coated yang tersedia secara komersial. Citra SEM cross-section yang menunjukkan konsentrisitas dan integritas proses pelapisan yang baik ditampilkan dalam Gambar 1.

Serat logam-coated dapat memiliki kerugian optik sebesar 20–100 dB/km pada suhu kamar². Gambar 2 menunjukkan attenuasi spektral VHM5000 dengan lapisan berbasis emas yang ditampilkan dalam Gambar 1, pada suhu kamar, diukur pada 88m serat. Serat diukur dalam kuncing longgar berdiameter 300 mm.

Attenuasi spektral dari serat ini dengan lapisan berbasis emas menunjukkan tingkat attenuasi yang serupa dengan serat multimode yang dilapisi akrilat atau poliimida standar, sebagai kontras dengan tingkat yang jauh lebih tinggi yang ditunjukkan oleh serat multimode logam-coated komersial yang lain.

Serat logam-coated juga cenderung ‘menempel dingin’ pada logam lain, atau dirinya sendiri, pada suhu jauh di bawah titik lelehnya. AFL memiliki proses paten yang tertunda yang mencegah serat logam-coated ini dari menempel. Proses ini diterapkan pada semua serat dalam tes ini.

Hasil dan Pembahasan

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

43 meter serat logam-coated berbasis emas VHM5000 dimasukkan ke dalam oven 500°C selama 900 jam. Sebuah OTDR terhubung ke serat pada akhir 900 jam, dan siklus suhu 500°C dijalankan. Gambar 4 menunjukkan siklus suhu ini, antara suhu kamar dan 500°C. Data diambil setiap 5 menit. Serat berada dalam kuncing longgar 114 mm. Siklus terdiri dari ramping 30°C/jam ke 500°C, suhu dipertahankan pada 500°C selama 34 jam, dan oven dihentikan dan diizinkan kembali ke suhu kamar secara mandiri. Panjang gelombang yang dievaluasi adalah 850 nm.

Kesimpulan

Serat optik logam-coated dengan attenuasi rendah yang mampu menahan suhu hingga 500°C telah ditunjukkan. Kinerja divalidasi menggunakan OTDR. Siklus suhu menunjukkan bahwa serat logam-coated dapat menahan ekspansi dan kontraksi lapisan logam berulang kali. Attenuasi baik pada suhu kamar maupun suhu tinggi jauh lebih rendah dari attenuasi yang dilaporkan dalam serat logam-coated.

Rendaman 900 jam, dan evaluasi serat selanjutnya, menunjukkan bahwa serat masih berfungsi dengan baik setelah paparan jangka panjang pada 500°C. Selain itu, proses ini mampu menghasilkan panjang serat yang panjang, hingga 3,5 km kontinu.

Artikel ini ditulis oleh William Jacobsen, Sr. Engineer; Abdel Soufiane, Ph.D, GM dan CTO; dan John D’Urso, Principal Engineer; AFL Specialty Fibers (North Grafton, MA). Untuk informasi lebih lanjut, kunjungi di sini.

Referensi

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).