NO343066B1 - Process for the preparation of an optical fiber, an optical fiber and its use - Google Patents
Process for the preparation of an optical fiber, an optical fiber and its use Download PDFInfo
- Publication number
- NO343066B1 NO343066B1 NO20035518A NO20035518A NO343066B1 NO 343066 B1 NO343066 B1 NO 343066B1 NO 20035518 A NO20035518 A NO 20035518A NO 20035518 A NO20035518 A NO 20035518A NO 343066 B1 NO343066 B1 NO 343066B1
- Authority
- NO
- Norway
- Prior art keywords
- fiber
- optical fiber
- bragg grating
- optical
- coating
- Prior art date
Links
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 title claims abstract description 54
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 50
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 85
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 54
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 52
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 37
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 36
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 20
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims abstract description 12
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 9
- 239000011152 fibreglass Substances 0.000 claims abstract description 8
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 7
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 6
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 22
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 17
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 17
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 15
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims description 10
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 9
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 claims description 8
- 230000035515 penetration Effects 0.000 claims description 8
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims description 7
- 230000002706 hydrostatic effect Effects 0.000 claims description 6
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 5
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 claims description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 4
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 claims description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000003129 oil well Substances 0.000 claims description 3
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 claims description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 claims description 3
- NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-M Acrylate Chemical compound [O-]C(=O)C=C NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 2
- HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N alpha-acetylene Natural products C#C HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 125000002534 ethynyl group Chemical group [H]C#C* 0.000 claims description 2
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 2
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229920001296 polysiloxane Polymers 0.000 claims description 2
- 238000005253 cladding Methods 0.000 claims 2
- 238000005286 illumination Methods 0.000 claims 2
- 239000002243 precursor Substances 0.000 claims 1
- 125000004435 hydrogen atom Chemical class [H]* 0.000 abstract 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 6
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 5
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- PXGOKWXKJXAPGV-UHFFFAOYSA-N Fluorine Chemical compound FF PXGOKWXKJXAPGV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 2
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 2
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 2
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 2
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 2
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 2
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 2
- 229920002545 silicone oil Polymers 0.000 description 2
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 1
- 238000012994 industrial processing Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 239000011253 protective coating Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
- C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
- C03C25/00—Surface treatment of fibres or filaments made from glass, minerals or slags
- C03C25/10—Coating
- C03C25/104—Coating to obtain optical fibres
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
- C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
- C03C25/00—Surface treatment of fibres or filaments made from glass, minerals or slags
- C03C25/10—Coating
- C03C25/104—Coating to obtain optical fibres
- C03C25/106—Single coatings
- C03C25/1061—Inorganic coatings
- C03C25/1062—Carbon
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
- C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
- C03C25/00—Surface treatment of fibres or filaments made from glass, minerals or slags
- C03C25/10—Coating
- C03C25/12—General methods of coating; Devices therefor
- C03C25/22—Deposition from the vapour phase
- C03C25/223—Deposition from the vapour phase by chemical vapour deposition or pyrolysis
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
- C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
- C03C25/00—Surface treatment of fibres or filaments made from glass, minerals or slags
- C03C25/62—Surface treatment of fibres or filaments made from glass, minerals or slags by application of electric or wave energy; by particle radiation or ion implantation
- C03C25/6206—Electromagnetic waves
- C03C25/6208—Laser
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
- G02B6/02057—Optical fibres with cladding with or without a coating comprising gratings
- G02B6/02076—Refractive index modulation gratings, e.g. Bragg gratings
- G02B6/0208—Refractive index modulation gratings, e.g. Bragg gratings characterised by their structure, wavelength response
- G02B6/021—Refractive index modulation gratings, e.g. Bragg gratings characterised by their structure, wavelength response characterised by the core or cladding or coating, e.g. materials, radial refractive index profiles, cladding shape
- G02B6/02104—Refractive index modulation gratings, e.g. Bragg gratings characterised by their structure, wavelength response characterised by the core or cladding or coating, e.g. materials, radial refractive index profiles, cladding shape characterised by the coating external to the cladding, e.g. coating influences grating properties
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
- G02B6/02057—Optical fibres with cladding with or without a coating comprising gratings
- G02B6/02076—Refractive index modulation gratings, e.g. Bragg gratings
- G02B6/02123—Refractive index modulation gratings, e.g. Bragg gratings characterised by the method of manufacture of the grating
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Geochemistry & Mineralogy (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Optical Fibers, Optical Fiber Cores, And Optical Fiber Bundles (AREA)
- Surface Treatment Of Glass Fibres Or Filaments (AREA)
Abstract
Fremgangsmåte for å belegge en optisk fiber med et fiber Bragg gitter (FBG) med et hermetisk (lufttett) belegg. Belegget er spesielt et belegg av karbon, for å unngå inntrengning av gasser, damper eller væsker fra omgivelsene, som kan være vann eller hydrogen, og som kan diffundere inn i fiberglasset og forårsake awik/drift i de målte Bragg-bølgelengdene. Det benyttes fiber Bragg gitre som opprettholder gitterstyrken ved temperaturer opp til og over 1000°C, som oppvarmes til over 1000°C i et kammer med en reaktiv gass som danner karbonavsetninger. En optisk fiber, en fiberoptisk sensor og en fremgangsmåte for anvendelse av et fiberoptisk Bragg gitter for en måling, der gitteret er dannet i en fiber ifølge fremgangsmåten er også beskrevet.Method of coating an optical fiber with a fiber Bragg grating (FBG) with a hermetic (airtight) coating. The coating is in particular a coating of carbon, to avoid the ingress of gases, vapors or liquids from the environment, which can be water or hydrogen, and which can diffuse into the fiberglass and cause drift in the measured Bragg wavelengths. Fiber Bragg gratings are used which maintain the grating strength at temperatures up to and above 1000°C, which are heated to over 1000°C in a chamber with a reactive gas that forms carbon deposits. An optical fiber, a fiber optic sensor and a method for using a fiber optic Bragg grating for a measurement, where the grating is formed in a fiber according to the method are also described.
Description
Oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte for å belegge en optisk fiber som uttrykt i den innledende delen av krav 1, så vel som en optisk fiber produsert ved denne fremgangsmåten, og en anvendelse av en slik optisk fiber. The invention relates to a method for coating an optical fiber as expressed in the introductory part of claim 1, as well as an optical fiber produced by this method, and a use of such an optical fiber.
Et fiberoptisk Bragg-gitter (FBG) er en permanent periodisk variasjon av brytningsindeksen i kjernen til en singelmodus optisk kvartsglassfiber langs en typisk lengde på 1-100 mm. Det kan dannes i en fotosensitiv fiber ved å belyse fiberen fra siden med et periodisk interferensmønster dannet av ultrafiolett (UV) laserlys. Det antas at variasjon av brytingsindeksen i en standard FBG dannes ved UV-indusert bryting av elektronbindinger i Ge-baserte defekter, som frigjør elektroner som igjen bindes ved andre steder i glassmatrisen. Dette gir en endring av absorpsjonsspekteret og av tettheten, og dermed en endring av glassets brytingsindeks. Et FBG reflekterer lys innenfor en smal båndbredde (typisk 0,1-0,3 nm), sentrert på Braggbølgelengden, λB= 2neffL, hvor neffer den effektive brytningsindeksen som ses av lyset som propagerer gjennom fiberen, og L er den fysiske perioden til brytningsindeksvariasjonen. Det er kjent at den reflekterte Braggbølgelengden fra et FBG vil endre seg ved en hvilken som helst ekstern påvirkning, slik som temperatur og mekanisk påvirkning (strekk), som endrer den effektive brytningsindeksen som ses av det propagerende lyset, og/eller den fysiske gitterperioden (fiberlengden). Ved å måle den reflekterte Bragg-bølgelengden, for eksempel ved å bruke en bredbåndslyskilde og et spektrometer, kan et FBG brukes som en sensor for å måle slike eksterne påvirkninger. En standard UV-indusert FBG kan lages termisk stabil opp til cirka 300-400 °C, ved høyere temperaturer vil den UV-induserte brytningsindeksvariasjonen svekkes raskt og gitteret vil bli slettet. A fiber optic Bragg grating (FBG) is a permanent periodic variation of the refractive index in the core of a single-mode optical quartz glass fiber along a typical length of 1-100 mm. It can be formed in a photosensitive fiber by illuminating the fiber from the side with a periodic interference pattern formed by ultraviolet (UV) laser light. It is assumed that variation of the refractive index in a standard FBG is formed by UV-induced breaking of electron bonds in Ge-based defects, which release electrons which are again bound at other places in the glass matrix. This results in a change in the absorption spectrum and in the density, and thus a change in the glass's refractive index. An FBG reflects light within a narrow bandwidth (typically 0.1-0.3 nm), centered on the Bragg wavelength, λB= 2neffL, where neff is the effective refractive index seen by the light propagating through the fiber, and L is the physical period of the refractive index variation . It is known that the reflected Bragg wavelength from an FBG will change with any external influence, such as temperature and mechanical stress (stretch), which changes the effective refractive index seen by the propagating light, and/or the physical grating period ( the fiber length). By measuring the reflected Bragg wavelength, for example using a broadband light source and a spectrometer, an FBG can be used as a sensor to measure such external influences. A standard UV-induced FBG can be made thermally stable up to approximately 300-400 °C, at higher temperatures the UV-induced refractive index variation will weaken rapidly and the grating will be erased.
Det er mulig å lage såkalte kjemiske FBG som kan tåle temperaturer opp til 1100-1200 °C [Fokine, M., Sahlgren, B. E., og Stubbe, R., "High temperature resistant Bragg gratings fabricated in silica optical fibres", ACOFT-96, postdeadline-paper, 1996, Sidney, Australia og PCT patentsøknad WO 98/12586 til Fokine]. Et kjemisk gitter dannes typisk ved først å skrive inn et vanlig gitter i hydrogenholdige, fluor (F) ko-dopete, Ge-dopete kvartsglassfibere. UV-eksponering av slike fibere danner OH i de belyste områdene av fibrene, som ved oppvarming reagerer med F og danner HF. Ettervarming ved temperaturer >1000 °C gjør at HF diffunderer ut av fiberkjernen, og etterlater UV-eksponerte områder som er mer uttømt for F enn ikke-eksponerte områder, dannende en romlig varierende F-konsentrasjon, og således en brytningsindeksvariasjon (gitter). Det er også mulig å lage andre typer av spesielle FBG’er, som kan tåle høye temperaturer, slik som type II FBG’er [W.X. Xie m.fl., Opt. Commun. 1993, Vol. 104, pp.185-195]. Det er kjent at type II FBG’er i germanium-frie, nitrogen-dopede fibre med kvartsglasskjerner er mye mer stabile ved forhøyede temperaturer enn vanlige type I FBG’er [E.M. Dianov m.fl., Electron. Lett., Vol. 33, pp. 236-237, 1997]. It is possible to make so-called chemical FBGs that can withstand temperatures up to 1100-1200 °C [Fokine, M., Sahlgren, B. E., and Stubbe, R., "High temperature resistant Bragg gratings fabricated in silica optical fibres", ACOFT- 96, postdeadline paper, 1996, Sidney, Australia and PCT patent application WO 98/12586 to Fokine]. A chemical lattice is typically formed by first writing a regular lattice into hydrogen-containing, fluorine (F) co-doped, Ge-doped quartz glass fibers. UV exposure of such fibers forms OH in the illuminated areas of the fibres, which on heating reacts with F to form HF. Post-heating at temperatures >1000 °C causes HF to diffuse out of the fiber core, leaving UV-exposed areas that are more depleted of F than non-exposed areas, forming a spatially varying F concentration, and thus a refractive index variation (lattice). It is also possible to make other types of special FBGs, which can withstand high temperatures, such as type II FBGs [W.X. Xie et al., Opt. Commun. 1993, Vol. 104, pp. 185-195]. It is known that type II FBGs in germanium-free, nitrogen-doped fibers with quartz glass cores are much more stable at elevated temperatures than conventional type I FBGs [E.M. Dianov et al., Electron. Lett., Vol. 33, pp. 236-237, 1997].
Flere FBG’er kan bølgelengde-multiplekses langs én fiber, noe som gjør dem meget attraktive for distribuerte målinger av mekanisk påvirkning (strekk) og temperatur. Several FBGs can be wavelength-multiplexed along one fiber, which makes them very attractive for distributed measurements of mechanical impact (stretch) and temperature.
FBG’er kan også benyttes som en trykksensor ved å måle forskyvningen i Bragg-bølgelengden forårsaket av hydrostatisk trykkindusert sammentrykning av kvartsglassfiberen [Xu, M. G., Reekie, L., Chow, Y. T., og Dakin, J. P., "Optical infibre grating high pressure sensor", Electron. Lett., Vol, 29, pp. 398-399, 1993]. Dette gir en meget enkel sensordesign med små dimensjoner og god reproduserbarhet og langtidsstabilitet gitt av at hele sensorkonstruksjonen er av kvartsglass. En hel fiber FBG-sensor med forbedret trykkfølsomhet og iboende temperaturkompensasjon kan lages ved å benytte et passivt eller et aktivt (fiberlaser) FBG skrevet inn i en dobbeltbrytende sidehull fiber, som har to åpne kanaler symmetrisk plassert på hver side av fiberkjernen, [Udd, E., US patentene 5,828,059 og 5,841,131, Kringlebotn, J. T., norsk patentsøknad 19976012 (passive FBG-sensorer) og Kringlebotn, J. T., US patent 5,844,927 (aktiv FBG-sensor)]. Det er også mulig å lage FBG trykksensorer med forbedret trykkfølsomhet ved å bruke et transduserelement av glass som omgir den optiske fiberen, enten for å omdanne trykk til mekanisk påvirkning (strekk)/kompresjon i fiberen, eller for å konvertere trykk til dobbeltbrytning i fiberen [Udd, E., US patent 5,841,131]. FBGs can also be used as a pressure sensor by measuring the shift in Bragg wavelength caused by hydrostatic pressure-induced compression of the quartz glass fiber [Xu, M. G., Reekie, L., Chow, Y. T., and Dakin, J. P., "Optical infibre grating high pressure sensor ”, Electron. Lett., Vol, 29, pp. 398-399, 1993]. This provides a very simple sensor design with small dimensions and good reproducibility and long-term stability given that the entire sensor construction is made of quartz glass. An all-fiber FBG sensor with improved pressure sensitivity and inherent temperature compensation can be made by using a passive or an active (fiber laser) FBG written into a birefringent side-hole fiber, which has two open channels symmetrically located on either side of the fiber core, [Udd, E., US patents 5,828,059 and 5,841,131, Kringlebotn, J. T., Norwegian patent application 19976012 (passive FBG sensors) and Kringlebotn, J. T., US patent 5,844,927 (active FBG sensor)]. It is also possible to make FBG pressure sensors with improved pressure sensitivity by using a glass transducer element surrounding the optical fiber, either to convert pressure into mechanical impact (stretch)/compression in the fiber, or to convert pressure into birefringence in the fiber [ Udd, E., US patent 5,841,131].
Når fiberoptiske sensorer benyttes under forhold med høy temperatur, slik som i oljebrønner, kan det oppstå betydelige drifteffekter både i FBG’en og dobbeltbrytende interferometriske sensorer, som vist av J. R. Clowes m. fl. i "Effects of high temperature and pressure on silica optical fibre sensors", IEEE Photon. Technol. Lett., Vol. 10, pp. 403-405, 1998. Drifteffekten oppstår når fiberen er omgitt av en væske, slik som vann eller olje, og tiltar med økende temperatur. Det er antatt at effekten skyldes inntrengning av væskemolekyler inn i de ytre lagene av fiberkappen, noe som fører til dannelsen av et sterkt mekanisk spenningsbelastet lag og følgelig en mekanisk strekkspenning i fiberkjernen. Dette øker fiberens optiske veilengde og endrer Braggbølgelengden til et FBG. Denne effekten vil også endre dobbeltbrytningen til en sterkt dobbeltbrytende fiber. Clowes m. fl. demonstrerte at økningen av optisk veilengde i en fiber ble redusert med én størrelsesorden ved å bruke en hermetisk (tett), karbonbelagt fiber. When fiber optic sensors are used under conditions of high temperature, such as in oil wells, significant drift effects can occur both in the FBG and birefringent interferometric sensors, as shown by J. R. Clowes et al. in "Effects of high temperature and pressure on silica optical fiber sensors", IEEE Photon. Technol. Lett., Vol. 10, pp. 403-405, 1998. The drift effect occurs when the fiber is surrounded by a liquid, such as water or oil, and increases with increasing temperature. It is assumed that the effect is due to the penetration of liquid molecules into the outer layers of the fiber sheath, which leads to the formation of a strongly mechanically stressed layer and consequently a mechanical tensile stress in the fiber core. This increases the optical path length of the fiber and changes the Bragg wavelength of an FBG. This effect will also change the birefringence of a strongly birefringent fiber. Clowes et al. demonstrated that the increase in optical path length in a fiber was reduced by one order of magnitude by using a hermetic (tight), carbon-coated fiber.
I tillegg vil diffusjon av gasser, slik som hydrogen, inn i fiberen føre til at brytningsindeksen endres proporsjonalt med hydrogenkonsentrasjonen, og således føre til drift i Bragg-bølgelengden til et FBG skrevet inn i fiberkjernen, som beskrevet av Malo m. fl. i "Effective index drift from molecular hydrogen diffusion in hydrogen-loaded optical fibres and its effect on Bragg grating fabrication", Electronics Letters, Vol. 30, pp. 442-444, 1994. Hydrogen vil også forårsake en økning i tapet i en optisk fiber, noe som kan være ødeleggende for FBG-baserte fiberlasere dopet med sjeldne jordarter. Endelig, så vil diffusjon av gasser inn i hullene i en sidehull fiber endre trykket inne i hullene, og dermed trykkforskjellen, noe som påvirker målingen av det eksterne hydrostatiske trykket. In addition, diffusion of gases, such as hydrogen, into the fiber will cause the refractive index to change proportionally with the hydrogen concentration, and thus lead to operation in the Bragg wavelength of an FBG written into the fiber core, as described by Malo et al. in "Effective index drift from molecular hydrogen diffusion in hydrogen-loaded optical fibers and its effect on Bragg grating fabrication", Electronics Letters, Vol. 30, pp. 442-444, 1994. Hydrogen will also cause an increase in the loss in an optical fiber, which can be destructive to FBG-based fiber lasers doped with rare earths. Finally, diffusion of gases into the holes in a side hole fiber will change the pressure inside the holes, and thus the pressure difference, which affects the measurement of the external hydrostatic pressure.
Som vist av Kringlebotn i norsk patentsøknad 19976012, så kan en praktisk hel fiber FBG trykksensor uten drift ved anvendelse under høy temperatur realiseres ved på nytt å belegge et FBG i en sidehull fiber med et hermetisk belegg for å forhindre inntregning av gasser, damper eller væsker fra omgivelsesmiljøet. Det er dog ikke nevnt noe om hvordan et slikt belegg kan påføres et FBG. As shown by Kringlebotn in Norwegian patent application 19976012, a practical whole fiber FBG pressure sensor without operation when used under high temperature can be realized by recoating an FBG in a side hole fiber with a hermetic coating to prevent the ingress of gases, vapors or liquids from the surrounding environment. However, nothing is mentioned about how such a coating can be applied to an FBG.
A. Hay [US patent 5,925,879] viser bruk av et karbonbelegg, eller et annet hermetisk belegg på en FBG-sensor for å beskytte den optiske fiberen og sensorene mot røffe omgivelser. A. Hay [US patent 5,925,879] shows the use of a carbon coating, or other hermetic coating on an FBG sensor to protect the optical fiber and sensors from harsh environments.
Karbon har vist seg å gi et godt hermetisk belegg for optiske fibere, og gjør dem stort sett ugjennomtrengelige for både vann og hydrogen, mens den mekaniske styrken og det lave tapet i fiberen opprettholdes. Et karbonbelegg kan påføres en optisk fiber i løpet av trekkeprosessen, før fiberglasset avkjøles, ved en pyrolytisk prosess [se for eksempel US patent 5,000,541, til DiMarcello m. fl.]. Karbonbelegging ved en lignende teknikk kan også anvendes på skjøter mellom hermetiske fibere for å opprettholde lufttettheten etter skjøtingen av karbonbelagte fibere [US patent 4,727,237, til Schantz, C. A., m. fl.]. I dette siste patentet anvendes det en pyrolytisk teknikk basert på oppvarming av fiberskjøteområdet med en CO2-laser inne i et kammer som inneholder en reaktantgass forårsaker at et karbonbelegg dannes på glassoverflaten ved pyrolyse av reaktantgassen. Temperaturen i fiberen vil under en slik prosess typisk overstige 1000 °C. Denne høytemperatur pyrolytiske prosessen har vist seg å gi svært lufttette belegg, og ser ut til å være den foretrukne teknikk for karbonbelegging av optiske fibere. Et standard FBG, det vil si et såkalt type I FBG i en germanium dopet kvartsglassfiber, kan dog ikke karbonbelegges ved bruk av denne prosessen, ettersom det vil bli slettet ved den høye temperaturen involvert. Carbon has been shown to provide a good hermetic coating for optical fibers, making them largely impermeable to both water and hydrogen, while maintaining the mechanical strength and low loss in the fiber. A carbon coating can be applied to an optical fiber during the drawing process, before the fiberglass is cooled, by a pyrolytic process [see, for example, US patent 5,000,541, to DiMarcello et al.]. Carbon coating by a similar technique can also be applied to joints between hermetic fibers to maintain air tightness after the splicing of carbon coated fibers [US patent 4,727,237, to Schantz, C. A., et al.]. In this latest patent, a pyrolytic technique is used based on heating the fiber joint area with a CO2 laser inside a chamber containing a reactant gas, causing a carbon coating to form on the glass surface by pyrolysis of the reactant gas. During such a process, the temperature in the fiber will typically exceed 1000 °C. This high temperature pyrolytic process has been shown to produce highly airtight coatings and appears to be the technique of choice for carbon coating optical fibers. However, a standard FBG, i.e. a so-called type I FBG in a germanium doped quartz glass fiber, cannot be carbon coated using this process, as it will be erased at the high temperature involved.
Hovedformålet med oppfinnelsen er å frembringe en metode for å re-belegge et FBG i en optisk fiber av ukrystallinsk kvartsglass, eller et FBG inne i et element av ukrystallinsk kvartsglass, med et hermetisk (lufttett) karbonbelegg for å forhindre inn-diffusjon av molekyler fra den omgivende væsken eller gassen inn i glasset ved høye temperaturer, og dermed fjernende eller reduserende drift i Bragg-bølgelengden for FBG’et. Dette er spesielt viktig for FBG-baserte sensorer for temperatur, mekanisk spenning (strekk) og trykk, og som anvendes ved høye temperaturer, for eksempel i oljebrønner, i raffinerier eller anvendelser ved industriell prosessering. Videre er det et formål å tilveiebringe en fremgangsmåte som forhindrer tap i FBG’er som kommer av inn-diffusjon av hydrogen. Endelig, så er det et formål at fremgangsmåten opprettholder fiberens eller glasselementets mekaniske styrke og opprettholder gitterstyrken (gitterreflektivitet). The main purpose of the invention is to produce a method for re-coating an FBG in an optical fiber of non-crystalline quartz glass, or an FBG inside an element of non-crystalline quartz glass, with a hermetic (air-tight) carbon coating to prevent in-diffusion of molecules from the surrounding liquid or gas into the glass at high temperatures, thereby removing or reducing drift in the Bragg wavelength of the FBG. This is particularly important for FBG-based sensors for temperature, mechanical stress (stretch) and pressure, and which are used at high temperatures, for example in oil wells, in refineries or applications in industrial processing. Furthermore, it is an object to provide a method which prevents losses in FBGs resulting from in-diffusion of hydrogen. Finally, it is a purpose that the method maintains the mechanical strength of the fiber or the glass element and maintains the lattice strength (lattice reflectivity).
Oppfinnelsens formål oppnås ved en fremgangsmåte som har de karakteriserende trekkene i krav 1. Ytterligere trekk er uttrykt i de avhengige kravene. Fremgangsmåten omfatter anvendelse av en høytemperatur karbonbeleggingsteknikk på en spesiell fiber med Bragg-gitre som kan tåle og opprettholde sine gitterstyrker (reflektiviteten) ved forhøyede temperaturer, typisk over 1000°C. Disse gitrene kan være såkalte kjemiske gitre, dvs. gitre som omfatter en variasjon av den kjemiske sammensetningen langs gitteret. Det kjemiske gitteret kan dannes i en passende hydrogenholdig optisk fiber, vanligvis en germanium, fluor ko-dopet fiber av kvartsglass, der fiberen kan være en svakt dobbeltbrytende fiber eller en sterkt dobbeltbrytende fiber, slik som en sidehull fiber. Gitteret kan også være andre typer av spesielle høytemperatur gitre, slik som type II gitre, for eksempel i germanium-frie, nitrogen-dopede kvartsglassfibere. Høytemperatur karbonbeleggingsteknikken vil vanligvis være en pyrolytisk teknikk basert på oppvarming av fiberen i et kammer som inneholder en reaktantgass som forårsaker at et karbonbelegg dannes på glassoverflaten ved pyrolyse av reaktantgassen. The object of the invention is achieved by a method which has the characterizing features in claim 1. Further features are expressed in the dependent claims. The method involves applying a high-temperature carbon coating technique to a special fiber with Bragg gratings that can withstand and maintain its grating strengths (reflectivity) at elevated temperatures, typically above 1000°C. These grids can be so-called chemical grids, i.e. grids that include a variation of the chemical composition along the grid. The chemical grating can be formed in a suitable hydrogen-containing optical fiber, usually a germanium, fluorine co-doped quartz glass fiber, where the fiber can be a weakly birefringent fiber or a strongly birefringent fiber, such as a side hole fiber. The grating can also be other types of special high-temperature gratings, such as type II gratings, for example in germanium-free, nitrogen-doped quartz glass fibres. The high temperature carbon coating technique will usually be a pyrolytic technique based on heating the fiber in a chamber containing a reactant gas which causes a carbon coating to form on the glass surface by pyrolysis of the reactant gas.
Det karbonbelagte FBG’et bør belegges med et andre beskyttende belegg som beskytter karbonet mekanisk og forhindrer karbonet i å brenne av ved høye temperaturer. The carbon-coated FBG should be coated with a second protective coating that protects the carbon mechanically and prevents the carbon from burning off at high temperatures.
Dette tilleggsbelegget kan være et polyimid-, et silikoneller et akrylatbelegg, eller et tynt metallbelegg slik som gull. This additional coating can be a polyimide, silicone or acrylate coating, or a thin metal coating such as gold.
Karbonbeleggingsprosessen kan kombineres med høytemperatur-oppvarmingsprosessen som trengs for å lage det kjemiske gitteret, slik at oppvarming av fiberen inne i et kammer som inneholder en reaktantgass, både danner det kjemiske gitteret og gir avsetting av et karbonbelegg på glassoverflaten. Dette reduserer antall prosesstrinn og reduserer håndteringen av fiberen til et minimum og gir gitteret en høy mekanisk styrke. Den andre rebeleggingsprosessen kan også inkorporeres inne kammeret ved å legge den karbonbelagte fiberen i en form fylt med beleggsmaterialet, og å varme denne med en indre varmeinnretning for å herde beleggsmaterialet og forme et egnet belegg. The carbon coating process can be combined with the high-temperature heating process needed to make the chemical lattice, so that heating the fiber inside a chamber containing a reactant gas both forms the chemical lattice and deposits a carbon coating on the glass surface. This reduces the number of processing steps and reduces the handling of the fiber to a minimum and gives the grid a high mechanical strength. The second recoating process can also be incorporated inside the chamber by placing the carbon coated fiber in a mold filled with the coating material, and heating this with an internal heating device to harden the coating material and form a suitable coating.
En spesiell fremgangsmåte for å tilveiebringe et hermetisk beskyttet fiberoptisk Bragg-gitter (FBG) for å begrense inntrenging ved diffusjon inn i det optiske fiberglasset fra fluider i omgivelsesmiljøet er uttrykt i krav 21. A particular method of providing a hermetically sealed fiber optic Bragg grating (FBG) to limit penetration by diffusion into the optical fiberglass from ambient fluids is set forth in claim 21.
En spesiell optisk sensor tilveiebringer et hermetisk beskyttet fiberoptisk Bragg-gitter (FBG) for å begrense inntrenging ved diffusjon inn i det optiske fiberglasset fra fluider i omgivelsesmiljøet er uttrykt i krav 22. A special optical sensor provides a hermetically protected fiber optic Bragg grating (FBG) to limit penetration by diffusion into the optical fiberglass from ambient fluids is expressed in claim 22.
EKSEMPLER EXAMPLES
I det følgende vil oppfinnelsen bli beskrevet med referanse til illustrasjonene, der In the following, the invention will be described with reference to the illustrations, there
Fig. 1 viser snittet av et kjemisk FBG skrevet inn i en sidehull fiber med et karbonbelegg og et tilleggsbelegg av polyimid. Fig. 1 shows the section of a chemical FBG written into a side hole fiber with a carbon coating and an additional coating of polyimide.
Fig. 2 er en skjematisk illustrasjon av et kammer for å re-belegge et en høytemperatur FBG med karbon. Fig. 2 is a schematic illustration of a chamber for re-coating a high temperature FBG with carbon.
Fig. 3 viser langtidsdriften av Bragg-bølgelengden for et kjemisk FBG utsatt for silikonolje ved 200 °C, både med og uten karbon re-belegging. Fig. 3 shows the long-term drift of the Bragg wavelength for a chemical FBG exposed to silicone oil at 200 °C, both with and without carbon re-coating.
Fig. 1 viser tverrsnittet av et kjemisk FBG i kjernen 1 til en sidehull fiber 2 med et karbonbelegg 3 dannet ved en pyrolytisk prosess og et tilleggsbelegg 4 av polyimid som beskytter det karbonbelagte FBG’et. Fig. 1 shows the cross-section of a chemical FBG in the core 1 of a side-hole fiber 2 with a carbon coating 3 formed by a pyrolytic process and an additional coating 4 of polyimide which protects the carbon-coated FBG.
Fig. 2 er en skjematisk illustrasjon av et kammer for å re-belegge et høytemperatur FBG, slik som et gitter, med karbon. Et kjemisk høytemperatur gitter 1 i et strippet område 2 av en optisk fiber 3 er plassert inne i et tett kammer 4. Fiberen går inn i og ut av kammeret gjennom trykktetninger/-gjennomføringer 5. En gassblanding 6 av en reaktiv gass, for eksempel acetylen, og nitrogen går inn i kammeret gjennom en innføringsåpning 7 og går ut gjennom et utløp 8, og skaper en gasstrømning med et lite overtrykk inne i kammeret som holder andre gasser ute. Fiberen blir varmet av en skannende CO2-laserstråle 9 som går inn i kammeret gjennom et transmitterende vindu 10. Fig. 2 is a schematic illustration of a chamber for re-coating a high temperature FBG, such as a grating, with carbon. A high-temperature chemical grating 1 in a stripped area 2 of an optical fiber 3 is placed inside a sealed chamber 4. The fiber enters and exits the chamber through pressure seals/throughs 5. A gas mixture 6 of a reactive gas, for example acetylene , and nitrogen enters the chamber through an inlet opening 7 and exits through an outlet 8, creating a gas flow with a small excess pressure inside the chamber that keeps other gases out. The fiber is heated by a scanning CO2 laser beam 9 that enters the chamber through a transmitting window 10.
Fig. 3 viser langtidsdriften for Bragg-bølgelengden i et kjemisk FBG utsatt for silikonolje ved 200 °C, med (1) og uten (2) et karbonbelegg og viser at et karbonbelegg eliminerer driften av bølgelengden i et slikt miljø, noe som antas å komme av endringer i fiberens mekaniske spenninger ved inntregning av molekyler fra oljen i omgivelsene inn i de ytre lagene av fiberkappen. Fig. 3 shows the long-term drift of the Bragg wavelength in a chemical FBG exposed to silicone oil at 200 °C, with (1) and without (2) a carbon coating and shows that a carbon coating eliminates the drift of the wavelength in such an environment, which is believed to arising from changes in the fiber's mechanical stresses due to the penetration of molecules from the oil in the environment into the outer layers of the fiber sheath.
Claims (27)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
NO20035518A NO343066B1 (en) | 2001-06-11 | 2003-12-11 | Process for the preparation of an optical fiber, an optical fiber and its use |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
NO20012869A NO316775B1 (en) | 2001-06-11 | 2001-06-11 | Method of Coating a Fiber with Fiber Optic Bragg Grids (FBG) |
PCT/NO2002/000205 WO2002100794A1 (en) | 2001-06-11 | 2002-06-11 | Method for preparing an optical fibre, optical fibre and use of such |
NO20035518A NO343066B1 (en) | 2001-06-11 | 2003-12-11 | Process for the preparation of an optical fiber, an optical fiber and its use |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
NO20035518D0 NO20035518D0 (en) | 2003-12-11 |
NO20035518L NO20035518L (en) | 2004-01-14 |
NO343066B1 true NO343066B1 (en) | 2018-10-22 |
Family
ID=30447740
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
NO20035518A NO343066B1 (en) | 2001-06-11 | 2003-12-11 | Process for the preparation of an optical fiber, an optical fiber and its use |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
NO (1) | NO343066B1 (en) |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5000541A (en) * | 1987-09-18 | 1991-03-19 | At&T Bell Laboratories | Hermetically sealed optical fibers |
WO1998012586A1 (en) * | 1996-09-17 | 1998-03-26 | Aktiebolaget Iof, Institutet För Optisk Forskning | Optical means |
-
2003
- 2003-12-11 NO NO20035518A patent/NO343066B1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5000541A (en) * | 1987-09-18 | 1991-03-19 | At&T Bell Laboratories | Hermetically sealed optical fibers |
WO1998012586A1 (en) * | 1996-09-17 | 1998-03-26 | Aktiebolaget Iof, Institutet För Optisk Forskning | Optical means |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
CLOWES J.R. ET AL.: "Effects of high temperature and pressure on silica Optical fiber sensors", IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, vol. 10, no. 3, 1998, pages 403-405, Dated: 01.01.0001 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
NO20035518L (en) | 2004-01-14 |
NO20035518D0 (en) | 2003-12-11 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CA2450368C (en) | Method for preparing an optical fibre, optical fibre and use of such | |
He et al. | Review of femtosecond-laser-inscribed fiber Bragg gratings: fabrication technologies and sensing applications | |
James et al. | Optical fibre long-period grating sensors: characteristics and application | |
US7792408B2 (en) | Method of inducing refractive index structures in a micro-structured fiber, a micro-structured fiber and an article | |
AU2008343345B2 (en) | Optical fiber bragg grating with improved hydrogen resistance | |
Huang et al. | FBGs written in specialty fiber for high pressure/high temperature measurement | |
RU2463266C2 (en) | Optical fibre with tin-doped transition part between core and cladding | |
US8369671B2 (en) | Hermetically sealed fiber sensing cable | |
NO313024B1 (en) | Method for using an optical fiber as hydrostatic pressure foil | |
Bian et al. | Regenerated fiber Bragg gratings in large mode area fibers for high-temperature sensing | |
Xie et al. | Thinned multicore fiber supermode Bragg grating and interferometer for temperature-compensated refractive index sensing | |
Mihailov et al. | Bragg grating writing through the polyimide coating of high NA optical fibres with femtosecond IR radiation | |
JP2017015933A (en) | Optical fiber grating, sensor, optical filter, and method for manufacturing optical fiber grating | |
NO343066B1 (en) | Process for the preparation of an optical fiber, an optical fiber and its use | |
Mihailov | Ultrafast laser inscribed fiber Bragg gratings for sensing applications | |
Yu et al. | Highly sensitive photonic crystal fiber-based refractive index sensing using mechanical long-period grating | |
NO340753B1 (en) | Hydrogen-Resistant Optical Fiber and Method for Preparing It Using Modified Chemical Vapor Deposition | |
FBG et al. | Gold and steel protected FBGs enable robust sensing in harsh and high temperature environments | |
Yan et al. | High senstivity temperature sensor based on an acrylate coated no core fiber structure | |
Bao et al. | Temperature sensor by using highly germanium-doped fiber | |
KUMAR | DEVELOPMENT AND STUDIES ON FIBER GRATING SENSORS | |
Martelli et al. | Operation of optical fiber sensors in hydrogen-rich atmosphere | |
Nishi et al. | Temperature sensor using a long-period fiber grating | |
Wang et al. | Cladding mode resonance of special optical fiber for bending sensor with temperature insensitivity | |
Yang et al. | Hermetic sealing of long period fiber gratings |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
CREP | Change of representative |
Representative=s name: PROTECTOR INTELLECTUAL PROPERTY CONSULTANTS AS POS |
|
MK1K | Patent expired |