Fibra Óptica Clasificada 500°C para Aplicaciones Fiables de Alta Temperatura

Las fibras ópticas de vidrio basadas en sílice sin recubrimiento pueden soportar temperaturas superiores a 600°C. Sin embargo, las fibras de vidrio necesitan protección del entorno. Las fibras de telecom estándar suelen tener recubrimiento de acrilato que permite su uso en temperaturas hasta 85°C. Las fibras ópticas especiales pueden producirse con recubrimiento de poliamida, que permite usar estas fibras en entornos hasta 300°C. Este tipo de fibra se ha usado extensivamente en la industria de petróleo y gas para proporcionar importantes funciones de comunicaciones y detección para gestión de yacimientos.

Desafío: Temperaturas Superiores a 300°C

Para temperaturas arriba de 300°C, recubrimientos metálicos serían atractivos. Los producidos hasta la fecha han sido considerados inadecuados para despliegue en pozos geotérmicos debido a altos valores de atenuación a bajas temperaturas¹. El procesamiento downstream de petróleo también puede beneficiarse de mediciones de alta temperatura requiriendo fibras de baja atenuación que rindan más allá de 300°C. Esta atenuación, así como cambios significativos de atenuación durante ciclos, se atribuye generalmente a micro-curvatura y la gran discrepancia de coeficientes de expansión térmica entre el recubrimiento metálico y la fibra de vidrio². Entre otras cosas, recubrimientos metálicos más finos podrían ayudar a mitigar estos problemas; sin embargo, la producción de largas longitudes de fibra recubierta de metal de alta calidad con espesor controlado del recubrimiento no es trivial².

En este artículo, se demostrará una fibra recubierta de metal capaz de soportar temperaturas hasta 500°C, y se mostrará que esta fibra puede ciclar entre temperatura ambiente y 500°C, manteniendo baja atenuación, incluso a bajas temperaturas.

Diseño de la Fibra: Eliminación de Dopantes

Se ha demostrado desde principios de los 1980s que la incursión de hidrógeno en vidrio basado en sílice induce pérdidas en fibras ópticas en longitudes de onda específicas debido a absorción de una variedad de especies relacionadas con hidrógeno³. Fibras de sílice comunes usadas en comunicaciones como monomodo estándar (SM) y multimodo de índice graduado estándar (MM) sufren degradación óptica dramática en presencia de hidrógeno incluso a temperatura ambiente. Los núcleos de estas fibras suelen estar dopados con elementos que aumentan índice refractivo como germanio y fósforo. Dependiendo de temperatura y concentración de H₂, una vez que el hidrógeno difunde en el núcleo de la fibra, puede migrar a sitios intersticiales de la estructura y/o unirse a defectos existentes en el vidrio como SiO, GeO y P-O. La pérdida global de fibra alcanza cientos de decibeles por kilómetro, lo que la hace inutilizable para cualquier aplicación de transmisión de luz.

AFL tomó un enfoque innovador para prevenir la degradación óptica de fibras ópticas inmersas en entorno hostil modificando y optimizando el diseño del componente de vidrio de la fibra misma. En particular, el enfoque consiste en eliminar los dopantes que crean más defectos en la estructura de vidrio como germanio, fósforo y boro. La fibra está diseñada con solo sílice en el núcleo, junto con dopaje de flúor para lograr el perfil de índice graduado de la fibra multimodo⁴. Esta fibra es producida por AFL y se comercializa como Verrillon^® VHM5000; es una GIMMF 0.2 NA 50/125μm.

VHM5000 fue la fibra base usada con este recubrimiento metálico. Tenía un recubrimiento basado en oro con espesor de pared de aproximadamente 3-5 μm, bien por debajo del espesor típico de 15-25 μm para fibras recubiertas de metal disponibles comercialmente. Una imagen SEM transversal demostrando la buena concéntrica e integridad del proceso de recubrimiento se muestra en Figura 1.

Las fibras recubiertas de metal pueden tener pérdidas ópticas en condición de estirado tan altas como 20-100 dB/km a temperatura ambiente². La Figura 2 muestra la atenuación espectral de VHM5000 con recubrimiento basado en oro mostrado en Figura 1, a temperatura ambiente, medido en 88m de fibra. La fibra se midió en bobina suelta de 300 mm de diámetro.

La atenuación espectral de esta fibra con recubrimiento basado en oro muestra niveles de atenuación similares a fibras multimodo estándar recubiertas de acrilato o poliamida, en oposición a los niveles significativamente más altos mostrados por otras fibras multimodo recubiertas de metal disponibles comercialmente.

Las fibras recubiertas de metal también tienden a 'unión en frío' a otros metales, o a sí mismas, a temperaturas significativamente por debajo de su temperatura de fusión. AFL tiene un proceso patentado que previene que estas fibras recubiertas de metal se unan. Este proceso se aplicó a todas las fibras en estas pruebas.

Resultados: Ciclos Térmicos y Exposición Prolongada

La Figura 3 muestra seis ciclos de temperatura de VHM5000 con recubrimiento basado en oro, entre temperatura ambiente y 375°C. Datos se adquirieron cada 5 minutos usando un OTDR. La fibra estaba en bobina suelta de 114 mm, 40 metros de longitud. Cada ciclo consistió en rampa de 30°C/hora a 375°C, la temperatura se mantuvo a 375°C por 24 horas, y luego rampa abajo 30°C/hora hasta 60°C. En ese punto, el horno se permitió volver a temperatura ambiente, y luego se inició el siguiente ciclo. 850 nm fue la longitud de onda monitorizada.

Cuarenta y tres metros de VHM5000 con recubrimiento basado en oro se pusieron en horno a 500°C por 900 horas. Un OTDR se conectó a la fibra al concluir las 900 horas, y se ejecutó un ciclo de 500°C. La Figura 4 muestra este ciclo de temperatura, entre temperatura ambiente y 500°C. Datos se adquirieron cada 5 minutos. La fibra estaba en bobina suelta de 114 mm. El ciclo consistió en rampa de 30°C/hora a 500°C, la temperatura se mantuvo a 500°C por 34 horas, y el horno se paró y permitió volver a temperatura ambiente por sí solo. La longitud de onda evaluada fue 850 nm.

Conclusión

Se demostró una fibra óptica recubierta de metal de baja atenuación capaz de soportar temperaturas hasta 500°C. El rendimiento se validó usando OTDR. Ciclos térmicos mostraron que la fibra recubierta de metal podía soportar la expansión y contracción del recubrimiento metálico repetidas múltiples veces. La atenuación a tanto temperatura ambiente como alta fue significativamente menor que cualquier atenuación reportada en fibras recubiertas de metal.

La inmersión de 900 horas, y evaluación subsiguiente de la fibra, mostró que la fibra aún rendía bien tras exposición prolongada a 500°C. Además, este proceso es capaz de producir largas longitudes de fibra, hasta 3,5 km continuos.