BRPI0807720A2 - Redes de bragg de fibra ótica com resistência ao hidrogênio aperfeiçoada. - Google Patents
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Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "REDES DE BRAGG DE FIBRA ÓTICA COM RESISTÊNCIA AO HIDROGÊNIO APER- FEIÇOADA".
Campo Técnico
5 A presente invenção refere-se a redes de Bragg de fibra ótica e,
mais particularmente, a redes de Bragg de fibra ótica particularmente bem adequadas para aplicações em ambientes severos.
Antecedentes da Invenção
Uma rede de Bragg de fibra (FBG) é uma modulação do índice 10 refrativo periódico permanente no núcleo de uma fibra de vidro silicioso ótica de modo único sobre um comprimento de tipicamente 1-100mm. Ela pode ser criada em uma fibra fotossensível (isto é, uma fibra incluindo um dopante fotossensível, tal como germânio) pela iluminação transversalmente da fibra com um padrão de interferência periódico gerado pela Iuz do laser ultraviole- 15 ta (UV). Acredita-se que a modulação do índice refrativo em um FBG padrão seja formada pela ruptura induzida pelo UV das ligações eletrônicas nos de- feitos com base em Ge, liberando elétrons que são a seguir recapturados em outros locais na matriz de vidro. Essa reorganização das ligações causa uma mudança no espectro de absorção e densidade da fibra, dessa maneira mu- 20 dando o índice refrativo do vidro. É bem conhecido que uma FBG reflete a Iuz dentro de uma largura de banda estreita (tipicamente 0,1 - 0,3 nm), cen- tralizada no comprimento de onda de Bragg λΒ=ηβ«Λ, onde neff é o índice refrativo efetivo visto pela Iuz propagando na fibra e Λ é o período físico da modulação do índice refrativo.
É sabido que o comprimento de onda de Bragg refletido λβ de
uma FBG mudará com qualquer perturbação externa que muda o índice re- frativo efetivo visto pela Iuz em propagação e/ou o período de rede físico (Λ), tal como temperatura e esforço. Pela medição do comprimento de onda de Bragg refletido λΒ (usando, por exemplo, uma fonte de Iuz de banda larga e 30 um espectrômetro), uma FBG pode ser usada como um sensor para medir tais perturbações externas. Uma FBG induzida pela radiação UV padrão po- de ser feita termicamente estável até 150-200°C e, dessa maneira, usada como um sensor até esse limite. Infelizmente, em temperaturas mais altas, a modulação do índice refrativo induzido pela radiação UV decai e a rede é eliminada.
FBGs podem também ser usadas como um sensor de pressão medindo a mudança no comprimento de onda de Bragg causado pela com- pressão induzida pela pressão hidrostática da fibra de vidro silicioso. Um sensor de pressão de FBG pode ser fabricado com dimensões relativamente pequenas, boa reprodutibilidade e estabilidade em longo prazo, providas pela construção toda de sílica do sensor. Um sensor de FBG todo de fibra com sensibilidade de pressão melhorada e compensação de temperatura inerente pode ser fabricado usando uma FBG de laser de fibra ativa ou pas- siva escrita em uma fibra de orifício lateral birrefringente, a fibra tendo dois canais abertos (orifícios) simetricamente posicionados em cada lado do nú- cleo da fibra. Vide, por exemplo, Patentes US 5.828.059 e 5.841.131. Tam- bém é possível fabricar sensores de pressão de FBG com sensibilidade de pressão realçada usando um elemento transdutor de vidro circundando a fibra ótica, para converter pressão para esforço/compressão na fibra ou para converter pressão para birrefringéncia da fibra.
Além disso, a difusão dos gases (tal como hidrogênio) para den- 20 tro do núcleo da fibra causará uma mudança no índice refrativo proporcional à concentração de hidrogênio e consequentemente modificará o comprimen- to de onda de Bragg de uma FBG escrita dentro do núcleo da fibra. O hidro- gênio também causará um aumento na perda do sinal ao longo de uma fibra ótica, o que foi verificado ser prejudicial para Iasers de fibra dopada com ter- 25 ra rara com base em FBG. Finalmente, a difusão dos gases para dentro dos furos de uma fibra de orifício lateral mudará a pressão dentro dos furos e, portanto a diferença de pressão que afeta a medição da pressão hidrostática externa.
A Patente US 5.925.879 descreve o uso de um revestimento de carbono em um sensor de FBG para proteger a fibra ótica e os sensores quando expostos a um ambiente severo. O carbono demonstrou prover um bom revestimento hermético para fibras óticas, as tornando essencialmente impermeáveis a ambos a água e o hidrogênio, dessa maneira mantendo a resistência mecânica e a pequena perda da fibra. Um revestimento de car- bono pode ser aplicado em uma fibra ótica durante o processo de repuxa- mento antes que o vidro de fibra resfrie através de um processo pirolítico 5 (vide, por exemplo, Patente US 5.000.541). O revestimento de carbono u- sando uma técnica similar pode também ser aplicado em emendas entre fibras herméticas para manter a hermeticidade depois da emenda das fibras revestidas com carbono, como descrito na Patente US 4.727.237. Na última patente, uma técnica pirolítica é usada com base no aquecimento da região 10 da emenda da fibra com um laser de CO2 dentro de uma câmara contendo um gás reagente, fazendo com que um revestimento de carbono se forme na superfície de vidro pela pirólise do gás reagente. Entretanto, a temperatura na fibra precisa exceder 1000°C para prover revestimentos altamente her- méticos. Uma FBG padrão em uma fibra de sílica dopada com germânio não 15 pode ser revestida com carbono usando um tal processo desde que a rede será eliminada, como discutido acima, pela alta temperatura envolvida no processo.
Dessa maneira, permanece uma necessidade na técnica por uma técnica para formar FBGs protegidas que possam ser usadas em alta temperatura, ambientes severos, sem experimentar as perdas induzidas pelo hidrogênio associadas com a técnica anterior.
Sumário da Invenção
As necessidades que permanecem na técnica são tratadas pela presente invenção, que se refere a uma rede de Bragg de fibra ótica e, mais particularmente, a uma rede de Bragg de fibra ótica particularmente bem adequada para aplicações em ambientes severos.
De acordo com a presente invenção, perdas induzidas pelo hi- drogênio nas fibras dopadas do núcleo são significativamente reduzidas au- mentando a concentração de oxigênio na região de núcleo do vidro. Foi veri- 30 ficado que o aumento no oxigênio funciona para "curar" os defeitos deficien- tes de dopante, dessa maneira substancialmente reduzindo os locais onde a ligação de hidrogênio pode penetrar. Vantajosamente, a presença do oxigê- nio excessivo não compromete a capacidade de criar redes induzidas pela radiação UV na área de núcleo da fibra. Na realidade, foi verificado que a estabilidade do vidro aumenta até mesmo mais durante a radiação UV. Des- sa maneira, uma estrutura de FBG adequada para uso em ambientes seve- 5 ros de alta temperatura pode ser formada. O dopante do núcleo pode com- preender germânio, ou alternativamente, qualquer um dos materiais selecio- nados do grupo consistindo em Al, Ga, Zn, In, Zr, Bi, Sn, Pb, Sb, P, B ou um material fotossensível similar pode ser utilizado para formar redes dentro das fibras óticas.
Em uma modalidade da presente invenção, um aumento no oxi-
gênio é provido modificando a razão de fluxos de oxigênio em relação ao tetracloreto de germânio durante o processamento MCVD (isto é, depósito de vapor químico modificado - um dos métodos bem conhecidos convencio- nais de fabricação de uma fibra ótica). Compostos diferentes de tetracloreto de germânio podem ser usados.
Aspectos adicionais e outros e vantagens da presente invenção se tomarão evidentes durante o decorrer da discussão seguinte e com refe- rência aos desenhos acompanhantes.
Breve Descrição dos Desenhos Com referência agora aos desenhos,
A figura 1 é uma vista lateral recortada de uma rede de Bragg de fibra exemplar (FBG) formada de acordo com a presente invenção,
A figura 2 é um gráfico da perda induzida pelo hidrogênio em uma fibra ótica como uma função do comprimento de onda, ilustrando a re- dução na perda à medida que a concentração de oxigênio na região de nú- cleo da fibra é aumentada, de acordo com os ensinamentos da presente in- venção,
A figura 3 é um gráfico da perda induzida pelo hidrogênio em um comprimento de onda de 1000nm, ilustrando a redução da espécie de defei- to do oxigênio na fibra à medida que a concentração de oxigênio na região de núcleo da FBG é aumentada,
A figura 4 é um gráfico similar a esse da figura 3, nesse caso marcado para um comprimento de onda de 1550nm, um comprimento de onda de operação padrão,
A figura 5 contém um gráfico ilustrando o aumento na atenuação da fibra ótica exposta à radiação UV na formação de FBGs e 5 A figura 6 é um gráfico ilustrando a redução na perda induzida
pelo hidrogênio para aplicações de detecção de temperatura distribuída (DTS).
Descrição Detalhada
Como mencionado acima, sensores de fibra ótica podem ser usados na indústria petrolífera e gasosa para obter várias medições no fun- do do furo, tal como pressão e/ou temperatura dentro da furação. Uma fileira de fibras óticas dentro de um sistema de fibra ótica pode ser usada para co- municar informação dos poços à medida que eles estão sendo perfurados, além de comunicar a informação dos poços completados. Alternativamente, uma fibra ótica pode ser desenvolvida com um sensor ótico de fibra de tem- peratura-pressão de ponto único. Adicionalmente, uma série de redes de Bragg de fibra de reflexão fraca (FBGs) pode ser escrita em um comprimen- to da fibra ótica, ou um sensor Fabry-Perot de ponto único pode ser emen- dado em um comprimento da fibra ótica. Nessas aplicações de FBG, um si- nal ótico é transmitido para baixo da fibra, que é refletido e/ou dispersado de volta para um receptor e analisado para caracterizar os parâmetros externos (por exemplo, comprimento de onda do sinal ótico refletido) ao longo do comprimento da fibra ótica. Usando essa informação, as medições no fundo do furo incluindo, mas não limitado a temperatura, pressão e ambiente quí- mico, podem ser obtidas.
Entretanto, quando fibras óticas convencionais, tal como fibras de sílica dopadas com germânio, são expostas ao calor intenso, pressão e ambiente rico em substância química de um poço petrolífero, as perdas por atenuação aumentam significativamente. Esse aumento na perda da resis- 30 tência ótica do sinal é devido, em parte, à difusão do hidrogênio para dentro da estrutura de vidro. Existem dois tipos gerais de perdas por hidrogênio permanentes (isto é, com base na reação) que ocorrem em tais fibras. O primeiro tipo de perda, citada a seguir como perda induzida pela borda do comprimento de onda curto (SWE), é associado com os defeitos do tipo defi- ciente em dopante (por exemplo, germânio) ao longo da fibra. (O outro tipo de perda, associada com a formação de OH, não é problemático nos com- primentos de onda associados com as aplicações da presente invenção.) Com relação à perda induzida pela SWE, átomos de hidrogênio se ligarão em quaisquer ligações abertas ou fracas na estrutura de vidro, tal como a certos átomos dopantes (por exemplo, Ge, Sn, Pb, Sb, B, P) na proximidade dos centros deficientes de oxigênio dopante ou para formar SiOH e/ou OH "dopante". Para fibras dopadas com germânio, a atenuação aumenta rapi- damente com os aumentos na temperatura. Visto que as temperaturas em um poço petrolífero ou gasoso típico geralmente variam de ligeiramente me- nos do que a temperatura de superfície perto da superfície para entre quase 90 a 250°C, fibras óticas dopadas com germânio convencionais não são su- ficientemente estáveis para uso prolongado em profundidade em um poço. Embora a fibra de sílica dopada com germânio de revestimento com carbono ou materiais similares densos no sentido molecular seja uma maneira efetiva para reduzir a difusão do hidrogênio para dentro do vidro em temperaturas menores, a efetividade do revestimento de carbono diminui rapidamente à medida que a temperatura ambiente aumenta.
Como ilustrado nos desenhos acompanhantes e discutido em detalhes abaixo, a presente invenção é direcionada para uma fibra ótica com uma quantidade de oxigênio intencionalmente aumentada introduzida no núcleo para minimizar as perdas induzidas pelo hidrogênio em temperaturas 25 elevadas. A figura 1 ilustra uma fibra ótica exemplar 10 da presente inven- ção, que compreende uma região de núcleo rica em oxigênio dopada com germânio 12 e uma camada de revestimento de vidro silicioso 14 formada para circundar a região de núcleo rica em oxigênio 12. Uma rede de Bragg de fibra (FBG) 16 é formada na região do núcleo 12 via exposição à radiação 30 UV convencional, como discutido acima, que foi verificado modificar o índice refrativo nas regiões 18, de modo que a fibra 10 refletirá a Iuz propagando no "comprimento de onda de Bragg" λΒ, todos os outros comprimentos de onda continuando para propagar ao longo da fibra 10. O espaçamento A en- tre as regiões 18 é definido como o período da FBG 16.
De acordo com a presente invenção, as perdas induzidas pelo hidrogênio dentro da fibra 10 são reduzidas aumentando a concentração de 5 oxigênio na região de núcleo 12. Por exemplo, a razão dos fluxos de oxigê- nio em relação ao tetracloreto de germânio durante o processamento MCVD pode ser controlada em uma maneira conhecida para prover o aumento de- sejado na concentração de oxigênio. A figura 2 é um gráfico da perda indu- zida pelo hidrogênio como uma função do comprimento de onda para um 10 sinal ótico propagando através de uma fibra ótica do tipo descrita acima em associação com a figura 1. Em particular, a figura 2 inclui um conjunto de três curvas (I, Il e III), curva I associada com uma razão de O2IGeCU de 1:1, curva Il associada com uma razão de 02:GeCI4 de 10:1 e curva Ill associada com uma razão de 02:GeCU de 20:1, onde existe um aumento na concen- 15 tração de oxigênio no movimento da curva I para a curva Il para a curva III. Em geral, aumentando a concentração de oxigênio, os defeitos do tipo defi- ciente de oxigênio são reduzidos, assim reduzindo a perda por SWE (como mostrado pela diminuição dramática na perda induzida pelo hidrogênio ao longo da região de comprimento de onda curto).
Também evidente nos gráficos da figura 2 é o pico de absorção
no comprimento de onda de 1410 nm. Pode ser observado que o pico de absorção se torna mais predominante à medida que o número de espécies de GeOH aumenta (isto é, à medida que a concentração de oxigênio aumen- ta). Como também mostrado na figura 3, a perda induzida pelo hidrogênio 25 diminui dramaticamente à medida que a concentração de oxigênio aumenta. Em particular, a figura 3 ilustra a atenuação induzida pelo hidrogênio como uma função do comprimento de onda para uma FBG tendo um comprimento de onda central de 1500nm. A curva superior na curva da figura 3 é associa- da com uma razão 10:1 de O2 em relação ao GeCU, onde a curva inferior é 30 associada com a razão de concentração aumentada de 20:1. A perda dentro da faixa de comprimento de onda associada com as aplicações de monitora- ção do fundo do furo é observada ficar na ordem de 10 - 20 dB/km. A figura 4 contém curvas similares associadas com um comprimento de onda central da FBG de 1000 nm, novamente ilustrando o efeito do mecanismo de perda por SWE à medida que a concentração de oxigênio aumenta.
Como também mencionado acima, a maior concentração de oxi- 5 gênio no núcleo da fibra da disposição inventiva resultará na melhora da es- tabilidade do vidro quando exposto à radiação durante a fabricação da rede (a radiação sendo, por exemplo, radiação UV, radiação gama ou qualquer outra região espectral suficiente para induzir a mudança no índice refrativo dentro do vidro dopado). A figura 5 contém um gráfico ilustrando a atenua- 10 ção aumentada na fibra ótica exposta à radiação UV durante a fabricação de redes em linha das redes de Bragg de fibra exemplares (FBGs) tendo um comprimento L de aproximadamente 4,5 mm e um período A de aproxima- damente 1,0 mm. A atenuação induzida pela radiação UV de comprimento de onda curto é minimizada por ambas uma redução na concentração de 15 germânio e um aumento na razão 02/GeCI4 durante o depósito. Novamente, os resultados são mostrados para fibras com uma concentração de germâ- nio aproximada de 4,0% em mol e 10,0% em mol, bem como para razões de O2IGeCI4 de 10 e 20. Pelo aumento da concentração de oxigênio dentro da região de núcleo, é demonstrada a diminuição da atenuação. Além do mais, 20 aumentando o oxigênio, a fotossensibilidade do material do núcleo diminuirá, resultando em uma diminuição na reflexibilidade (ou amplitude) da rede. Por- tanto, aumentando a presença de oxigênio na região do núcleo, uma rede pode ser formada de menor reflexibilidade sem precisar modificar a abertura numérica (NA) ou o perfil do índice refrativo da fibra.
A introdução de oxigênio adicional no núcleo da fibra de uma
fibra de multimodo dopada com germânio pode também melhorar o desem- penho da fibra quando usada em aplicações de detecção de temperatura distribuída (DTS)1 particularmente em comprimentos de onda mais curtos, tal como 1064 nm. A figura 6 é um gráfico ilustrando a diminuição na atenuação 30 induzida pelo hidrogênio como uma função do comprimento de onda para a aplicação de DTS, mostrando em particular a redução da perda induzida pe- lo hidrogênio no comprimento de onda de 1064 nm, à medida que a concen- tração de oxigênio aumenta. Além do mais, pode ser mostrado que o au- mento induzido pelo hidrogênio na atenuação diferencial entre o comprimen- to de onda anti-"stokes" de 1016 nm e o comprimento de onda "stokes" de 1116 nm, na fibra de rede de aberturas numéricas altas (NA=0,20), é drama- 5 ticamente reduzida com um aumento no oxigênio, como mostrado na tabela
I, abaixo. Adicionalmente, a razão entre esses dois comprimentos de onda também diminuirá com um aumento na concentração de oxigênio. A imple- mentação da fibra inventiva, dessa maneira, resulta em uma medição de DTS provida mais estável em um ambiente rico em hidrogênio. Embora esse 10 exemplo seja associado com uma fibra de modo único, é para ser entendido que resultados similares podem ser encontrados em fibras de multimodos, que são bem adequadas para aplicações de DTS.
Tabela I - Estabilidade melhorada do comprimento de onda curto no hidro- gênio____
[02]/[GeCI41 1 10 20 Atenuação diferencial 11,24 5,67 1,35 (dB/km) Anti-stokes/stokes 1,26 1,18 1,10 (dB/km) Embora seja evidente que as modalidades ilustrativas da inven-
ção descrita aqui satisfazem os objetivos da presente invenção, é para ser verificado que numerosas modificações e outras modalidades podem ser planejadas por aqueles versados na técnica. Adicionalmente, aspecto(s) e/ou elemento(s) de qualquer modalidade podem ser usados unicamente ou 20 em combinação com aspecto(s) e/ou elemento(s) de outra(s) modalidade(s). Portanto, será entendido que as reivindicações anexas são planejadas para abranger todas tais modificações e modalidades, que se situem dentro do espírito e do escopo da presente invenção.
Claims (14)
1. Rede de Bragg de fibra ótica compreendendo uma região de núcleo de vidro silicioso dopado incluindo uma rede de Bragg formada nela, a região de núcleo tendo uma razão de oxigê- nio/dopante de pelo menos 10:1 para reduzir a presença dos locais de liga- ção do hidrogênio e minimizar as perdas induzidas pelo hidrogênio em um sinal ótico propagando ao longo e uma camada de revestimento formada para circundar a região de núcleo de vidro silicioso dopado para confinar o sinal ótico em propaga- ção dentro da dita região de núcleo.
2. Rede de Bragg de fibra ótica, de acordo com a reivindicação 1, em que a rede de Bragg compreende uma rede de Bragg induzida pela radiação UV, a radiação UV, em combinação com a razão aumentada de oxigênio/dopante de pelo menos 10:1 também reduzindo as perdas induzi- das pelo hidrogênio.
3. Rede de Bragg de fibra ótica, de acordo com a reivindicação 2, em que a razão de oxigênio/dopante de pelo menos 10:1 mantém a esta- bilidade da região de núcleo de vidro silicioso dopado quando exposta à ra- diação.
4. Rede de Bragg de fibra ótica, de acordo com a reivindicação 3, em que a razão de oxigênio/dopante de pelo menos 10:1 mantém a esta- bilidade da região de núcleo de sílica dopada quando exposta à radiação UV.
5. Rede de Bragg de fibra ótica, de acordo com a reivindicação 3, em que a razão de oxigênio/dopante de pelo menos 10:1 mantém a esta- bilidade da região de núcleo de sílica dopada quando exposta à radiação gama.
6. Rede de Bragg de fibra ótica, de acordo com a reivindicação 1, em que o dopante da região de núcleo compreende um dopante selecio- nado do grupo consistindo de: Al, Ga, Zn, In, Zr, Bi, Ge, Sn, Sb, Pb, PeB.
7. Rede de Bragg de fibra ótica, de acordo com a reivindicação 6, em que o dopante da região de núcleo compreende Ge.
8. Rede de Bragg de fibra ótica, de acordo com a reivindicação 1, em que a razão de oxigênio/dopante é pelo menos 20:1.
9. Rede de Bragg de fibra ótica, de acordo com a reivindicação 1, em que a razão de oxigênio/dopante de pelo menos 10:1 e aumentando para pelo menos 20:1 é selecionada para prover um nível desejado de refle- xibilidade ao longo da rede, onde um valor de oxigênio menor perto de 10:1 é associado com uma maior reflexibilidade e um valor de oxigênio maior per- to de 20:1 é associado com uma reflexibilidade inferior.
10. Rede de Bragg de fibra ótica, de acordo com a reivindicação 1, em que o núcleo é formado por um processo de depósito de vapor quími- co modificado tendo um fluxo aumentado de oxigênio através dele.
11. Fibra ótica multimodo para aplicações de detecção de tem- peratura distribuída, a fibra multimodo compreendendo uma região de núcleo de vidro silicioso dopado tendo uma razão de oxigênio/dopante de pelo menos 10:1 para reduzir a presença dos locais de ligação do hidrogênio e minimizar as perdas induzidas pelo hidrogênio em um sinal ótico propagando ao longo e uma camada de revestimento formada para circundar a região de núcleo de vidro silicioso dopado para confinar um sinal ótico em propaga- ção dentro da dita região de núcleo.
12. Fibra ótica multimodo de acordo com a reivindicação 11, em que a razão de oxigênio/dopante de pelo menos 10:1 é calculada para mini- mizar a atenuação diferencial induzida pelo hidrogênio entre os comprimen- tos de onda anti-"stokes" e "stokes" de um sinal ótico de um comprimento de onda de sinal predeterminado propagando através deles.
13. Fibra ótica multimodo de acordo com a reivindicação 12, em que o sinal ótico em propagação opera em um comprimento de onda de si- nal predeterminado de aproximadamente 1064 nm.
14. Fibra ótica multimodo de acordo com a reivindicação 12, em que o sinal ótico em propagação opera em um comprimento de onda de si- nal predeterminado de aproximadamente 1550 nm.
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