用于具有气密性的光纤中增强的反向散射的系统和方法技术方案

本文描述了用于高反向散射波导(例如，光纤)和采用高反向散射光纤的传感器的系统、方法和物品。简而言之，一个实施例包括高反向散射光纤或增强型散射光纤或“ESF”，该光纤以在超过1m、或优选地>100m、或优选地>1km的光纤长度上保持完好的耐性规格为特征，其中ESF的反射率可以在从

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于具有气密性的光纤中增强的反向散射的系统和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2021年2月12日提交的美国临时申请No.63/148,927的权益，并通过引用并入本文。


[0003]本文描述了用于具有气密性的光纤中增强的反向散射的系统、方法和物品。

技术介绍

[0004]光纤中的反向散射光用于分布式声学感测。这在例如石油和天然气勘探中的所谓井下应用中具有重要应用，但此类井中的高温和高氢环境造成常规光纤的快速劣化。气密碳涂层的添加和无锗(“Ge
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free”)纤芯的使用已经提高了光纤在此类恶劣环境中的使用寿命。
[0005]为了增加对声学事件的灵敏度，可以沿着光纤引入折射率扰动以增加反向散射的光的量。虽然这对于常规光纤来说是众所周知的，但由于多种原因，在碳涂层和无Ge光纤中引入折射率扰动是有问题的。特别地，在例如UV波长下的光化辐射在无Ge光纤中是无效的，要求使用飞秒脉冲写入。此外，光化脉冲(例如，飞秒激光脉冲)写入损坏石英玻璃结构，从而造成光学损耗的增加。虽然这对于针对特定应用的短光栅来说是可以接受的，但数百米的分布式感测产生不可接受的损耗。最后，已知光化暴露损坏碳涂层，从而使气密性劣化并降低机械可靠性。
[0006]因此，在具有气密涂层的无Ge光纤中生产长长度的光化脉冲的刻制光栅的领域中仍然存在问题。

技术实现思路

[0007]本公开提供了高反向散射波导(例如，光纤)和采用高反向散射光纤的传感器。简而言之，一个实施例包括高反向散射光纤、或增强型散射光纤或“ESF”，其特征在于在超过1m、或优选地>100m、或优选地>1km的光纤长度上保持完好的耐性规格，其中ESF的反射率可以在
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100dB/mm至
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70dB/mm的范围内被精确调谐，并且其中增强的散射可以是空间上连续的，或者可替代地，可以位于间隔开100微米至>10m的离散位置处。
[0008]在研究了以下附图和详细描述后，其它系统、设备、方法、特征和优点对于本领域技术人员来说将是显而易见的。所有此类附加系统、方法、特征和优点旨在被包括在本描述内、在本公开的范围内，并且受到所附权利要求的保护。
附图说明
[0009]现在参考附图：
[0010]图1A示出了根据本专利技术的一个实施例的FBG写入设置的示意图；
[0011]图1B示出了根据本专利技术的一个实施例的FBG写入过程期间聚焦在纤芯中心处的光
束的投影；
[0012]图1C示出了根据本专利技术的一个实施例的气密涂覆的光纤的横截面图；以及
[0013]图1D示出了根据本专利技术的一个实施例的沿着气密涂覆的光纤的长度的刻制FBG的图示。
具体实施方式
[0014]本文描述的示例性实施例涉及具有气密性的光纤中增强的反向散射。更具体而言，示例性实施例涉及具有气密(碳)涂层的光纤中的光化脉冲写入光栅，其中涂层和纤芯处的相对强度被调整，使得当光纤暴露于“恶劣”环境时，写入过程不会使光学或机械特性的老化特征劣化。其长度从几毫米到几公里不等的所得的光纤设备在至少一个光学频率范围内表现出总体传输损耗<2dB/km，后向散射大于原生瑞利(Rayleigh)散射(增强型散射光纤或“ESF”)且散射品质因数(FOM)>1(美国专利9,766,396)，这是由光纤波导的纤芯的至少部分中的折射率(Δn)的空间调制造成，以使得能够进行稳定且非破坏性的操作，并且在高温(>30℃)和其它恶劣环境条件下(湿度水平>50％和/或具有分压>0.1psi和/或应变>0.5％的氢暴露)光学衰减不显著增加达>50小时。
[0015]光学材料中(一个或多个)选择性区域的折射率修改使其能够经由控制所发射光的行为而具有先进的功能
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其结果是有用的光子结构。反向散射光纤就是这样一种光子结构，它依赖于材料的折射率的空间变化并且
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通过满足光波的波向量和与介质的折射率的物理变化的空间频率对应的向量之间的相位匹配条件
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能够改变传播光的某个部分的路径
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通常是在相对于光波传播的原始方向的相反方向上。
[0016]ESF的多个常规和未来应用都需要能够在恶劣的环境条件下(诸如高温、高湿度以及暴露于高度腐蚀性化学品或气体的情况下)提供稳定和稳健的长期操作。已知此类恶劣环境增加光纤的传输损耗并损害ESF的性能，从而牺牲光子设备和整个系统的长期可靠性和操作。已知使石英玻璃具有光敏性以便使用UV辐射进行ESF刻制的光纤芯中的锗共掺杂大大增加富氢环境下的传输损耗。这使得此类光子系统容易出现故障，并因此无法实现可靠且长期的操作。为了克服这些挑战，已经设计了涂层材料来保护光纤并维持光纤的长期操作和增强的散射。依赖碳和聚合物材料(诸如聚酰亚胺)的涂层技术已应用于ESF，旨在通过避免损耗增加和机械强度劣化来在恶劣条件下操作。
[0017]此外，为了避免在纤芯中使用锗共掺杂，“纯纤芯”(未掺杂锗)光纤已被开发出来，以在富氢环境中具有更高的耐劣化性。可以增强对抗恶劣环境的保护的纯纤芯光纤的使用和涂层的施加要求使用替代的ESF制造方法。一种方法是使用发射持续时间在飞秒至皮秒规模的短脉冲的激光器。此类激光脉冲可以在穿过涂层且辐射强度损失减少的波长下操作，并且直接聚焦在光纤的纤芯区域中以刻制期望周期和配置的ESF。此类激光器引起的折射率调制依赖于玻璃基体的非线性吸收，而不取决于锗成分的存在，从而使得能够在纯纤芯光纤中刻制ESF。在光纤被涂覆碳层和聚合物层之后，ESF可以被刻制在“塔外(off
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tower)”光纤上。这允许刻制ESF之后光纤具有机械强度。ESF的折射率变化量和长度是基于期望的反射率及其空间分布来选择的，并且可以针对目标应用进行定制。结果所得的刻制ESF的光纤可以被用作传感器和反射器，以用在运输、能源勘探、核反应堆、电信和交通监控网络以及监控关键基础设施中。
[0018]本文描述的示例性实施例涉及用于在具有诸如碳和/或聚酰亚胺聚合物涂层之类的气密涂层的光纤中以及在未掺杂纤芯的光纤中制造ESF的系统和方法。关键的是，光纤具有一定的耐氢扩散性和耐湿性以及其它耐化学性、一定的耐热性、一定的耐应变性，并且在产生增强的散射的处理步骤之后，耐氢性、耐湿性和其它耐化学性保持完好。特别地，这些恶劣的耐性规格在超过1m、或优选地>100m、或优选地>1km的光纤长度上保持完好。ESF的反射率可以从
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100dB/mm至
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70dB/mm被精确调谐。增强的散射可以是空间上连续的，或者可以在间隔100微米至>10m的离散位置处。
[0019]ESF的示例包括1)连续周期性或准周期性的折射率扰动。2)沿着本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种具有经修改的折射率的光纤，该经修改的折射率是通过施加产生折射率扰动的光化脉冲辐射而造成的，该光纤包括：纤芯；包层；气密涂层的层；以及涂层，其中折射率扰动被沿着光纤的纤芯的长度刻制，并且其中折射率扰动的反射率在
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100dB/mm至
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70dB/mm的范围内。2.如权利要求1所述的光纤，其中折射率扰动是空间连续的。3.如权利要求1所述的光纤，其中折射率扰动位于间隔开100微米至>10m的范围内的离散位置处。4.如权利要求1所述的光纤，其中折射率扰动集中在近似1500nm与近似1700nm之间。5.如权...

【专利技术属性】
技术研发人员：R，
申请(专利权)人：OFS菲特尔有限责任公司，
类型：发明
国别省市：