CN112543882B - 复合单模/多模光纤 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种用于允许感测多个参数的复合光纤。该光纤用于并入感测系统中，该光纤包括单模光纤芯、多模光纤芯，以及围绕单模光纤芯和多模光纤芯的光纤包层。所提供的光纤优选使得能够在单一位置和单一时间发生多次感测和/或测量。

Description

复合单模/多模光纤
技术领域
本发明涉及光纤，特别涉及在包括光学感测的多种感测应用中使用的多芯光纤。
背景技术
在油井和气井中进行光学感测的早期，光纤并不是专门为其预期目的而设计的，往往在很短的时间内就会在井中发生故障，这通常是由于光纤上的涂层的退化或是氢致光纤变暗。
因此，一些公司采用了一种技术，将光纤泵入从井口延伸到井底的空退火控制管线中。当光纤出现故障时，他们可以将坏光纤泵出，然后安装另一根光纤。
在光纤被用于井应用的早期，这在一定程度上起到了作用，因为测量的关键参数主要是温度。由于所需的感测参数很少，人们对插入额外的光纤兴趣不大。
在随后的几年中，已经开发了另外的感测技术，从而需要井下(downhole)(在井内)部署多个光纤。在该领域已经尝试了一些工作，但成功却极为有限。为了满足这一需求，市场上出现了在带有焊缝的金属管内的预制线缆，以增强在井内的感测。随着这些产品进入市场以及随着注酸等强化采油方法变得越来越普遍，人们发现，在温度和酸浓度的某些组合中，由于金属中的高应力水平，沿外部金属管的焊缝将非常迅速地腐蚀，这种类型的腐蚀被称为应力腐蚀开裂，导致线缆的质量和使用性能退化。
针对该问题的一种解决方案是将光纤安装到外部金属管中。然而，由于此类预制线缆的结构性质，其外部金属管是焊接的，或者是拉伸的，或者是轧制的，因此不可能有退火的外部金属管。
在石油和天然气工业中，光纤仍然被用于在井下感测不同的物理参数，如温度、声学、压力和应变。通常有两种方法将光纤永久放置在井中(井下)：
1)将单根光纤泵入退火的控制管线中，该控制管线是从井口向下延伸到井中的金属管，并且通常具有从井底部返回的回流管线。通常用诸如水或酒精等液体将光纤泵入到位。这种方法允许相对便宜和直观的光纤更换，并且通常不需要昂贵和耗时的完井修井。该方法还便于在安装期间进行连接，因为在泵送光纤的最后阶段之前只需要液压连接。这种方法的缺点是只能将一根光纤或者在某些情况下可能将两根光纤成功地泵入井中。这限制了可以执行的感测量，并且在某种程度上也限制了感测的潜在精度。泵送光纤应用可能倾向于将光纤暴露在180℃以上的油井和气井中，因此这会限制在这些温度下操作性受损的光纤的使用；以及
2)使用预制线缆。在这种方法中，多个光纤可以被构建成单个预先组装好的线缆，由于光纤数量的增加，这提供了一整套感测选项。该选项的缺点包括：在不进行成本高昂的完井修井的情况下不可能更换光纤。这也意味着在安装过程中可能需要光纤连接，这可能是昂贵的，也可能是不可能的，这取决于所使用的完井类型。此外，在制造线缆时，线缆的外部金属管通常经过加工硬化，这通常会产生处理问题(由于硬度增加)，并且还会增加高温腐蚀井的腐蚀几率。
在某些情况下，期望在相同位置和相同时间执行不止一种类型的测量。例如，分布式声学感测(DAS)和分布式温度感测(DTS)的组合可能是期望的。在过去，需要部署多个光纤，并努力将光纤搭配在一起。然而，这种方法会因空间有限而遇到困难。一些部署方法(例如将光纤泵入管中)也可能不适用于上面讨论的多个光纤。另一个问题在于光纤是分离的，这可能会影响测量系统的质量。例如，如果使用一根光纤的温度测量值来补偿或校正另一根光纤的测量值，则可以看出这一点，即两根光纤之间的温度差可能会导致误差。当参数(诸如温度)随时间变化时，这可能很重要。此外，对完井的一些部分(例如井口、管悬挂器和封隔器(如本领域所知))上的端口数量的限制可能对所用光纤的数量施加限制。
不同的光纤感测系统使用不同类型的光纤，其中一些更适合特定的应用。例如，单模(SM)光纤倾向于用于基于布里渊散射、瑞利散射和光纤布拉格光栅(FBG)的感测系统，而多模(MM)光纤倾向于用于基于拉曼散射的感测系统，以便捕获更多的信号能量。这些系统已被用于测量不同的参数，例如，用于分布式应变和温度感测(DSTS)的布里渊散射、用于分布式声学感测(DAS)的瑞利散射和用于分布式温度感测(DTS)的拉曼散射。
在某些情况下，希望在相同位置和相同时间执行不止一种类型的测量。例如，DAS和DTS的组合可能是合乎期望的。如前所述，为了进行不止一种类型的测量，目前需要部署多个光纤并努力将光纤搭配在一起。
因此，希望提供一种高效、可靠且具有成本效益的技术方案，其允许在单个位置同时感测多个参数。
发明内容
一种用于并入感测系统中的光纤，该光纤包括：具有单模光纤芯直径的单模光纤芯、具有多模光纤芯直径的多模光纤芯和具有包层直径的光纤包层，该包层围绕单模光纤芯和多模光纤芯。
多模光纤芯优选包括折射率分布，其中该折射率分布优选为从以下范围中选择的一个：渐变折射率分布；阶跃折射率分布；n渐变折射率分布；w渐变折射率分布。
单模光纤芯和多模光纤芯优选是同心的。
优选地，单模光纤芯直径不大于多模光纤芯直径。优选地，单模光纤芯直径是多模光纤芯直径的某一百分比，该百分比是从0.1％到99％的范围中选择的一个。
在优选实施例中，单模光纤芯直径从1μm到25μm的范围中选择。在优选实施例中，多模光纤芯直径从10μm到900μm的范围中选择。折射率对比度度量单模纤芯和多模光纤芯中的每一个的折射率的相对差异，或者多模光纤芯和包层中的每一个的折射率的相对差异，其可以影响单模光纤芯、多模光纤芯和/或包层中的每一个的相应直径。
优选地，多模光纤芯直径是包层直径的某一百分比，该百分比从50％到99％的范围中选择。
优选地，单模光纤芯包括单模光纤芯数值孔径，该单模光纤芯数值孔径从0.05到0.3的范围中选择。
优选地，多模光纤芯包括多模光纤芯数值孔径，该多模光纤芯数值孔径从0.1到0.5的范围中选择。
优选地，该光纤包括由单模光纤芯折射率和多模光纤芯折射率确定的折射率对比度。优选地，该折射率对比度专用于期望的应用。
在优选实施例中，单模光纤芯和多模光纤芯中的每一个的所需折射率对比度和数值孔径(NA)值可以结合单模光纤芯和多模光纤芯中的每一个的相应直径进行定义，以适应所用的感测系统的要求。在一个示例实施例中，例如，在使用基于拉曼散射的分布式温度感测的情况下，具有比要求的更大的多模光纤芯直径的多模光纤芯将是多模的，其具有相对大的NA(例如，0.15到0.3)和相对大的多模光纤芯直径(例如，30μm到100μm)。单模光纤芯可用于瑞利散射，用于分布式声学感测(DAS)，并且可能需要基本上为单模，例如，具有0.1到0.18的NA和相对小的单模光纤芯直径(例如3μm到20μm)(仅为示例)。
根据本发明的优选实施例，提供了一种光纤，其具有中心单模导光芯、与单模光纤芯同心且直径大于单模光纤芯的多模导光芯，以及至少一个包层。在其中光纤包括多个单模光纤芯和/或多个多模光纤芯的实施例将是可理解的。在优选实施例中，包层不起波导的作用，但是包括至少一个包层且其中至少一个包层执行波导功能的实施例将是可理解的。在优选实施例中，单模光纤芯和多模光纤芯执行感测功能。优选地，单模光纤芯和多模光纤芯执行不同的感测功能。在其中单模光纤芯和多模光纤芯执行相同的感测功能的实施例将是可理解的。在本发明的上下文中，“不同的感测功能”将被技术人员理解为意味着不同的参数的感测，并且“相同的感测功能”将被理解为意味着基本相同的一个或多个参数的感测。
待感测的“参数”的示例包括但不限于温度、压力、电场、磁场、辐射、地震活动、振动、声学、应力、应变、拉伸、剪切力、变形、形状、位移、速度、加速度、纵向力、材料的成分、材料的浓度。在其中待感测的“参数”是适于使用光纤进行感测的任何参数的实施例将是可理解的。根据优选实施例，提供了一种具有多种感测能力的光纤，其中所述多种感测可以优选地在单个位置和单个时间执行。例如，需要对多个参数进行井下感测的应用通常使用多个光纤。空间限制常常使得使用多个光纤变得不切实际，并且使用多个光纤在相同时间对来自单个位置的测量进行同步可能会导致问题，因为传感器(光纤芯)不在相同位置或不在相同光纤体内。
根据本发明的优选实施例，同心纤芯优选有助于光纤的拼接，其中包括非同心纤芯的实施例由于对准和定向问题可能更难拼接。
同心纤芯的使用优选有助于两个光纤及其对应纤芯之间的拼接和/或连接，优选地是因为可以从光纤的外部确定对准，这优选地同时自动地提供每个光纤内的所有对应纤芯的内部对准。当光纤之间的期望连接较远或以其他方式难以执行时，例如在油井/气井中或放置在海底时，这可以优选地是一个显著的优点。
优选地，光纤还包括外部保护涂层。优选地，该涂层包围包层并且优选地不执行波导功能。
优选地，涂层包括选自以下范围的至少一种：丙烯酸酯；碳；高温丙烯酸酯；硅酮；PFA；聚酰亚胺；碳；金属；辐射固化涂层材料，包括但不限于环氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、硅橡胶(包括rtv硅酮)、聚酰亚胺和环氧树脂、电致伸缩材料、磁致伸缩材料、压电材料、聚合材料。
在一些优选实施例中，涂层包括折射率低于光纤的最外层纤芯的材料。此外，在此类实施例中，涂层可以包括一种或多种掺杂剂，其用于提高或降低涂层的折射率，或以其他方式调整涂层的特性以适合期望的应用。
本领域技术人员将理解术语“涂层”意味着围绕光纤的层，该光纤可包括具有或不具有包层的多芯光纤。可以理解，光纤芯通常是导光的，并且光纤包层可以是导光的。将进一步理解，在本发明的上下文中的涂层可以是或可以不是导光的。
优选地，聚合材料包括树脂，并且其中该树脂被布置成被改性以使得聚合材料表现出功能特性，该功能特性选自以下范围：电致伸缩、磁致伸缩、偏振敏感、压电特性。
更优选地，聚合材料树脂被布置成在光纤拉伸聚合过程中引入预定的、选定的单体或自由基来改性。
优选地，单模光纤芯和/或多模光纤芯包括从以下范围中选择的至少一种光纤掺杂剂：Al；Er；Se；F；Cl；Br；Ge；P；Yb；聚合物。
光纤包层优选地包括从以下范围中选择的至少一种光纤掺杂剂：Al；Er；Se；F；Cl；Br；Ge；P；Yb；聚合物。
在本发明的上下文中，术语“光纤掺杂剂”将被本领域技术人员理解为意味着用于改变光纤芯、包层和/或涂层的特性的掺杂剂。例如，这些特性可以包括结构特性、折射率、膨胀系数、温度系数、应力诱导特性、波导特性、放大特性、稳定性、反应性、结构中的抗衰减性、抗暗化性、质量中的抗衰减性等。本文未讨论的这些特性将为光纤制造领域的技术人员所熟知。所讨论的光纤掺杂剂将被理解为以元素形式、离子形式或包括未列出的附加元素的化合物形式使用。
在根据本发明的第一方面的光纤中，掺杂材料可以优选地用于调节以下各项中的一个或多个的折射率(或折射指数)：单模光纤芯、多模光纤芯、光纤包层。这些不同的掺杂材料可以优选地用于增强光纤的性能以用于一种或多种广泛的应用。
掺杂策略可用于本发明中以减少氢致变暗，其可包括在没有氧和水的情况下用氯掺杂光纤芯和/或包层。
在一些优选实施例中，单模光纤芯可以包括光栅。在一些优选实施例中，多模光纤芯可以包括光栅。在其中单模光纤芯或多模光纤芯包括光栅的实施例将是可理解的。在其中单模光纤芯和多模光纤芯二者都包括光栅的进一步实施例将是可理解的。在其中光纤中的所有光纤芯都包括光栅的附加实施例将是可理解的。在其中单模光纤芯或多模光纤芯均不包括光栅的实施例也是可理解的。
优选地，当与以下群组内的至少一个实体的预掺杂等效物相比时，光纤掺杂剂增加或减少所述实体的光敏性：
单模光纤芯；
多模光纤芯；
包层；
其中将光栅写入所述群组的一个实体不会显著影响所述群组的其他实体的波导特性。
术语“实体的预掺杂等效物”将被本领域技术人员理解为指代包括单模光纤芯、多模光纤芯和包层的群组中的实体，其尚未接收所述光纤掺杂剂或以不意图改变光敏性的较小浓度接收所述光纤掺杂剂。以下实施例将是可理解的，其中“实体的预掺杂等效物”将指代包括光纤掺杂剂的实体，但其未接收用于增加或降低所述实体的光敏性的特定掺杂剂。优选地，增加所述实体的光敏性将增加光栅可被写到所述实体上的容易程度。
包括使用一种或多种光纤掺杂剂的不同掺杂策略可优选地用于允许在不影响多模光纤芯的情况下将光栅(例如光纤布拉格光栅)写入单模光纤芯。可以利用UV辐射将光纤布拉格光栅(FBG)写到光纤芯上。例如，掺锗可以提高纤芯的光敏性，并使FBG写入更容易或更强。在包括同心纤芯的可能实施例中，内纤芯(优选为单模光纤芯)可被掺杂锗以允许写入FBG，而外纤芯(优选为多模光纤芯)可以是无锗的或具有较低的锗浓度，以使FBG写入灵敏性最小化。在其它实施例中，所描述的掺杂策略可以被替代以实现替代效果。在可能的实施例中，单模光纤芯可以被掺杂高光敏性掺杂剂(例如锗)，而多模光纤芯可以被掺杂低光敏性掺杂剂(例如氟)。
在其中光栅是用于光纤中的任何合适的光栅的实施例将是可理解的。进一步的附加实施例将是可理解的，其中光栅存在于多模光纤芯内，并且可选地其中使用掺杂策略以使得光栅在多模光纤芯中的布置不影响单模光纤芯的诸如波导特性之类的特性。以下实施例将是可理解的，其中单模光纤芯和多模光纤芯均包括光栅，可选地其中使用掺杂策略来减少或防止单模光纤芯或多模光纤芯中的一个对另一个的影响。
根据本发明的第二方面，提供了一种包括光纤的感测系统，该光纤包括：单模光纤芯、多模光纤芯以及围绕单模光纤芯和多模光纤芯的光纤包层。
优选地，本发明的第二方面的感测系统的光纤是根据本发明的第一方面所述的光纤。
优选地，该感测系统被布置成执行多种感测技术，这些感测技术选自以下范围：瑞利散射；布里渊散射；拉曼散射；光纤布拉格光栅；干涉测量法；分布式声学感测(DAS)；分布式温度感测(DTS)；分布式应变和温度感测(DSTS)。
优选地，该感测系统被布置成感测多个参数，这些参数选自以下范围：温度、压力、电场、磁场、辐射、地震活动、振动、声学、应力、应变、拉伸、剪切力、变形、形状、位移、速度、加速度、纵向力、材料的成分、材料的浓度。
优选地，该感测系统被布置成在相同位置和/或在相同时间感测多个参数。优选地，相同位置是指相同的光纤横截面。优选地，在所述位置处感测的第一参数用于改变在所述位置处感测的第二参数的解释。优选地，在所述位置处感测的第一参数用于补偿、验证和/或校准在所述位置处感测的第二变量。
优选地，该感测系统还包括：被布置成提供光信号并接受光信号的至少一个输入部分；以及被布置成接受输出光信号的至少一个检测器部分。
在本发明的第二方面的优选实施例中，输入部分是光纤传感器仪器(OFSI)。这可用于询问光纤的单模光纤芯、多模光纤芯和包层中的一个或多个。OFSI可以具有发送和接收光信号的功能，从而能够对光信号进行检测并将其转化为有用的信息。
优选地，该感测系统被布置成用于从以下范围中选择的应用：石油工业；天然气工业；结构监测；管道监测。
分布式声学感测(DAS)或分布式振动感测(DVS)通常使用瑞利散射，并且在本发明的优选实施例中使用。该系统的可能优点可以优选是光纤的整个长度可被用作传感器。因此，它可以感测数千米的光纤，并且它可以在光纤一端的DAS/DVS仪器上进行配置。它通常通过将一个或多个光脉冲(优选地在红外光谱内)发送到光纤中来工作。被光纤的材料散射的一些光被反向引导到感测系统。信号返回DAS/DVS系统所花费的时间提供了在光纤中发生信号散射的位置的距离信息。信号的特性(例如其相位)可以潜在地用于推断振动、应变或温度等。DAS系统可以优选地被配置为模拟沿着光纤的数千个传感器。
可以可选地使用模型或算法来帮助解释信号。它可以优选地使用已知特性或预测待感测系统内部的事物的行为，并与检测到的信号结合以提供更好的测量。可以优选地通过有限元分析(FEA)技术和/或分析或参数化模型来辅助该建模。也可以优选地使用人工智能(AI)技术，以便允许系统从经验中“学习”。
模型、算法和/或校准的使用可以优选地允许该系统区分或分离来自被感测的系统、环境和/或任何其他信号的振动或信号的影响。这可能是非常有价值的，因为诸如电气系统或线缆谐振以及来自周围区域的噪声等效应可能对由感测系统进行的测量的质量产生不利影响。
在根据本发明的第二方面的感测系统的优选实施例中，该感测系统优选地用于检测多个参数，这些参数可以包括但不限于：温度、压力、电场、磁场、辐射、地震活动、振动、声学、应力、应变、拉伸、剪切力、纵向力、材料的成分、材料的浓度。
本发明优选地使得能够使用询问技术来测量多个参数，这些参数可以例如包括温度、应变和/或振动。例如，多个参数可以包括温度、应变、振动和/或适于使用诸如由本发明的第一方面所提供的光纤或诸如由本发明的第二方面所提供的感测系统进行测量的任何其他参数。询问技术可以例如包括瑞利散射、布里渊散射、拉曼散射、光纤布拉格光栅、干涉测量法和/或适合与诸如由本发明的第一方面所提供的光纤或诸如由本发明的第二方面所提供的感测系统一起使用的任何其它技术。询问技术可以优选地通常要求不同的光纤类型，其可以包括具有多种功能的光纤，例如，单模、多模和/或不同的数值孔径(NA)。本发明优选地在使用单个光纤的这种询问技术中提供期望的功能性，其优选地能够实现交叉校准或补偿，优选地最小化光纤的数量并且更优选地有利于连接和拼接。
根据本发明的第三方面，提供了一种通过在衬底中进行一种或多种化学气相沉积反应来制造光纤的方法，该方法包括以下步骤：
i)向多个光纤衬底预制件提供玻璃形成前体；
ii)在衬底中生成反应以在衬底上形成非晶玻璃层；
iii)沉积包括SiO2的未烧结烟灰层；
iv)烧结玻璃层；
v)重复该过程，同时在需要时以给定浓度添加掺杂剂；以及
vi)通过施加热量和拉力，从在步骤vi)中形成的预制件中拉出光纤，并提供光纤涂层。
优选地，使用根据本发明的第三方面的方法制造的光纤是根据本发明的第一方面的光纤。
根据本发明的第四方面，提供了一种感测方法，该方法包括以下步骤：
i)提供光纤，该光纤包括：
单模光纤芯，
多模光纤芯，以及
围绕单模光纤芯和多模光纤芯的光纤包层；以及
ii)使用所述光纤来感测多个参数。
在本发明的上下文中，术语“参数”将被本领域技术人员理解为是指适合于使用光纤进行感测的参数。
优选地，所述参数中的至少一个是单模参数并且由单模光纤芯感测；并且其中所述参数中的至少一个是多模参数并且由多模光纤芯感测。
在本发明的上下文中，本领域技术人员将理解，术语“单模参数”意指由单模光纤芯感测的参数。然后将进一步理解，术语“多模参数”意指由光纤的多模光纤芯感测的参数。单模参数优选地可以是由单模光纤芯最佳感测的参数，并且多模参数优选地可以是由多模光纤芯最佳感测的参数。
单模参数和多模参数优选地彼此不同。
根据如本发明的第四方面所述的方法的优选实施例，优选地在基本相同的位置执行该感测。进一步优选地，在基本相同的时间执行该感测。
本发明的光纤优选地使得能够在相同位置和相同时间执行多个感测和/或测量。
使用单个光纤提供不同测量和/或感测的能力优选地允许在同一光纤横截面处(其优选地是指光纤上的相同位置)测量和/或感测多个参数。这优选地允许来自一次感测和/或测量的信息被用于影响在相同位置/光纤横截面处执行的另一次测量和/或感测的解释。例如，所述影响解释可以包括在相同位置/光纤横截面处执行的所述其它测量和/或感测的补偿、验证或校准。例如，分布式温度感测(DTS)测量和/或感测可以用于补偿分布式应变和温度感测(DSTS)应变测量的温度变化。
过去，多个光纤被用于测量和/或感测多个参数。很难确保两个或更多个光纤将同时经历相同的环境，并且因此由所述光纤提供的信息将在选定的时间准确地描绘所述相同的环境。例如，即使两个光纤被放置在同一个线缆中，当线缆移动、变形或受到具有起源的温度变化时，它们也可能经受不同的应力。在相同光纤包层内进行多种测量(例如使用本发明)优选地解决了与使用多个光纤相关的误差。使用同心纤芯执行所述测量和/或感测(例如使用本发明)将优选地进一步最小化所描述的误差。
多个参数优选地从以下范围中选择：温度、压力、电场、磁场、辐射、地震活动、振动、声学、应力、应变、拉伸、剪切力、变形、形状、位移、速度、加速度、纵向力、材料的成分、材料的浓度。
在其中参数是适于使用光纤进行感测的任何参数的实施例将是可理解的。
优选地，所述感测的多个参数中的至少一个用于影响所述感测的多个参数中的至少一个其他参数的解释。
优选地，所述影响解释包括从以下范围中选择的至少一个：校准；补偿；验证；校正；背景校正；噪声去除；归一化；抛光；伪影去除；图案识别。在某些情况下，可以使用两个不同的纤芯进行相同类型的测量，每种测量具有不同的分辨率并且可以以不同的方式使用。例如，一种测量可能具有高被测变量(如温度)分辨率和低空间分辨率(进行测量所用的光纤的长度)，而另一种测量可能呈现相反的低被测变量分辨率和高空间分辨率。这可以用来识别不同类型的事件。
优选地，在根据本发明的第四方面的方法的步骤i)中提供的光纤是根据本发明的第一方面的光纤。优选地，使用本发明的第三方面的制造方法来提供根据本发明的第四方面的感测方法的步骤i)中的光纤。优选地，根据本发明的第四方面的感测方法的步骤i)中的光纤被包括在根据本发明的第二方面的感测系统中。
根据本发明的第五方面，提供了一种在退火控制线内的单个光纤用于井下感测的用途；其中该光纤包括：单模光纤芯、多模光纤芯以及围绕单模光纤芯和多模光纤芯的光纤包层。优选地，该用途包括检测多个参数。优选地，该光纤是根据本发明的第一方面的光纤。
附图说明
现在将仅通过示例并参考附图来描述具体实施例，其中：
图1A示出了根据当前可用技术的单模光纤的截面图；
图1B示出了图1A的单模光纤的折射率分布；
图2A示出了根据当前可用技术的多模光纤的截面图；
图2B示出了图2A的多模光纤的折射率分布；
图3A示出了根据本发明的第一方面的光纤的示例实施例的截面图；
图3B示出了图3A的光纤的折射率分布；
图4A示出了根据本发明的第一方面的光纤的附加示例实施例的截面图；
图4B示出了图4A的光纤的折射率分布；
图5示出了根据本发明的第一方面的光纤的附加实施例的截面图，该光纤用于根据本发明的第二方面的感测系统中；
图6示出了根据本发明的第三方面的制造方法的示例实施例的步骤的流程图；以及
图7示出了根据本发明的第四方面的感测方法的示例实施例的步骤的流程图。
具体实施方式
参考图1A，提供了圆柱形单模光纤10的截面图，其包括单模光纤芯12和光纤包层14。单模光纤芯12被示出为具有为包层14的直径的约5％的纤芯直径。图1B中示出了图1A中所示的光纤的折射率分布，其中对应于单模光纤芯12的单模光纤芯区域16与对应于包层14的周围包层区域18相比表现出增加的折射率。在所示示例中，纤芯的折射率的增加是在所述光纤的制造过程中使用掺杂剂实现的，其中光纤芯掺杂有提高折射率的掺杂剂，例如锗。存在表现出类似折射率分布的其它示例，其中周围的包层掺杂有降低折射率的掺杂剂，例如氟。
图2A中示出多模光纤20的示例的截面图，其中多模光纤20包括多模光纤芯22和周围包层24。图2A所示的光纤20的折射率分布在图2B中示出，其中对应于多模光纤芯22的多模光纤芯区域26在与对应于包层24的周围包层区域28相比时表现出增加的折射率。图2A的多模光纤芯22在图2B的相应部分26中示出为具有渐变折射率分布。与图1A所示的单模光纤10一样，可以使用掺杂剂来降低包层24的折射率，或者提高导光光纤芯22的折射率。
图3A中示出了根据本发明的光纤30的示例实施例，其中光纤30包括单模光纤芯32、与单模光纤芯32同心的多模光纤芯34和周围包层36。从图3A可以看出，多模光纤芯34包括大于单模光纤芯直径的多模光纤芯直径。包层36包括大于多模光纤芯直径的包层直径。图3B示出了图3A中所示的示例实施例30的折射率分布，其中包层区域38表示包层36的相对折射率；多模光纤芯区域40表示多模光纤芯34的相对折射率，并且单模光纤芯区域42表示单模光纤芯32的相对折射率，每个区域均相对于彼此示出。可以看出，示出的实施例30中的多模光纤芯34具有渐变折射率分布40。
图3A示出在根据第二方面的感测系统中使用的第一方面的示例光纤，该光纤包括不止一个纤芯，其中感测系统需要使用各种感测方法。图3A所示的示例实施例的折射率分布在图3B中示出。
在使用根据本发明的第三方面的方法制造的所示的示例30中，掺杂材料已被用于制造单模光纤芯、多模光纤芯和包层。已经使用掺杂材料是为了提高光纤30在特定应用中的性能。
在所示的示例实施例30中，n2处的折射率水平是纯二氧化硅玻璃的折射率水平；折射率水平n1对应于掺杂有折射率降低剂氟的二氧化硅，氟仅用于示例目的，并且其他折射率降低剂也是可理解的。其它折射率降低剂包括例如硼。折射率水平n3对应于掺杂有折射率提高剂锗的二氧化硅，锗也用于示例目的。其他折射率提高剂包括例如铝和磷，并且其他折射率提高剂也是可理解的。图3B所示的折射率分布优选地允许在单模光纤芯32中写入光纤布拉格光栅，而不会显著影响多模光纤芯34的波导特性。
以下实施例将是可理解的，其中图3B中所示的折射率分布表示不同的折射率范围，其中例如折射率水平n3与纯二氧化硅相关，并且水平n2和n1各自对应于掺杂有不同水平的折射率提高剂氟或氯的二氧化硅。这种配置优选地可用于需要抗氢性或抗辐射性的应用中。
本发明的优选部分是，可以通过使用不同的掺杂策略或材料来调整折射率(折射指数)分布，以便增强给定应用的性能。使用图3B作为指南的一种示例情况是：其中水平n2与纯二氧化硅相关，水平n1对应于掺杂的二氧化硅(其中可能掺杂氟)，而水平n3对应于掺杂的二氧化硅(其中可能掺杂锗)。这种配置有助于在不影响多模光纤芯的情况下在单模光纤芯中写入光纤布拉格光栅。
这些示例情况中的另一个是其中水平n3与纯二氧化硅相关，水平n2和n1对应于掺杂的二氧化硅，其中可能掺杂氟并且掺杂水平不同。这种配置可以在需要抗氢或抗辐射的应用中很有用。
另一示例实施例(未示出)将包括与图3A中所示的光纤类似的光纤，但其中折射率n1是纯二氧化硅玻璃的折射率，并且n2和n3是通过用掺杂剂(例如可以包括锗)向上掺杂玻璃(增加玻璃的折射率)来实现的。
所示实施例30的同心纤芯优选地有利于光纤30的拼接，并且更方便地将相应的单模光纤芯32、多模光纤芯34和包层36对准。
在另一示例实施例(未示出)中，根据第一方面的光纤可以涂覆有通常根据将在其中使用光纤的应用和条件而选择的涂覆材料。例如，可以用诸如聚酰亚胺之类的高温聚合物来涂覆预期耐受高温的光纤。沉积在包层上的碳层将可选地用于提高密封性或增加抗疲劳性。
图4A提供了根据本发明的第一方面的光纤的另一示例实施例50，该示例实施例50具有单模光纤芯52、与单模光纤芯52对准的多模光纤芯54以及围绕单模光纤芯52和多模光纤芯54的包层56。示例实施例50的折射率分布如图4B所示，包括对应于包层36的包层区域58、对应于多模光纤芯54的多模光纤芯区域60和对应于单模光纤芯52的单模光纤芯区域62。图4B中示出了单模光纤芯52和多模光纤芯54中的每一个的折射率相对于包层36的折射率升高。已经针对上面的图3A和图3B描述了可接受的提高折射率的掺杂策略的示例。
图5中示出了根据本发明的第一方面的光纤的另一示例实施例70，光纤70包括两个对准的单模光纤芯72和两个对准的多模光纤芯74，它们都被包层76包围。两个单模光纤芯可以在一个轴线上对准，而两个多模光纤芯可以在另一个轴线上对准，其中这两个轴线可以正交。以上针对图3A、图3B、图4A和图4B已经描述了单模光纤芯72和多模光纤芯74相对于包层76的示例折射率分布和掺杂策略。
在使用中，图3A、图4A或图5中任一个的光纤被并入感测系统中，并用于在石油工业中的井下感测应用中在相同位置和相同时间执行不止一种类型的测量。该光纤包括单个光纤内的多个传感器，因此允许仅将单个光纤沿控制线向下泵送，以便在相同位置和相同时间执行多种感测。因此，优选地允许在井下系统中有效地检测和定位异常。每个示例中的(一个或多个)单模光纤芯包括光纤布拉格光栅或使用分布式声学感测(DAS)的振动感测。相反，每个实施例中的(一个或多个)多模光纤芯使用分布式温度感测(DTS)进行优化以用于感测温度。
在过去，需要部署多个光纤，并努力将光纤搭配在一起。然而，这种不太有效的方法可能会因空间有限而遇到困难。一些部署方法(例如将光纤泵入控制线中)对于多个光纤也可能是不切实际的。另一个问题在于光纤是分离的，这可能会影响需要精确的测量搭配才能进行有效的异常检测的测量系统的质量。例如，如果使用一根光纤的温度测量值来补偿或校正另一根光纤的测量值，则可以看出这一点，即两根光纤之间的温差可能会导致误差。当参数(如温度)随时间变化时，这一点可能很重要。
本发明的第一方面的上述示例实施例中的每一个都适合并入根据本发明的第二方面的感测系统中。根据第二方面的感测系统的示例实施例还包括被布置成提供光信号并接受光信号的至少一个输入部分；以及被布置成接受输出光信号的至少一个检测器部分。
图6中示出了根据本发明的第三方面的制造方法80的示例实施例，该方法是在衬底管中执行一种或多种化学气相沉积反应的一种方法，并且该方法包括以下步骤：
i)向多个光纤衬底预制件提供玻璃形成前体；
ii)在衬底中生成反应以在衬底上形成非晶玻璃层；
iii)沉积包括SiO2的未烧结烟灰层；
iv)烧结玻璃层；
v)重复该过程，同时在需要时以给定浓度添加掺杂剂；以及
vi)通过施加热量和拉力，从在步骤vi)中形成的预制件中拉出光纤，并提供光纤涂层。
图6所示的示例方法适合于生产根据本发明的上述第一方面的光纤的任何示例实施例。
图7示出了根据本发明的第四方面的感测方法90的示例实施例，该方法包括以下步骤：
i)提供光纤，该光纤包括：
单模光纤芯，
多模光纤芯，以及
围绕单模光纤芯和多模光纤芯92的光纤包层；以及
ii)使用所述光纤来感测多个参数94。
应当认识到，上述实施例仅作为示例给出，并且可以在不脱离如所附权利要求中所定义的本发明的范围的情况下对其进行各种修改。

Claims (17)

1.一种用于并入感测系统以在相同时间执行不止一种类型的测量的光纤，所述光纤包括：
单模光纤芯，其具有3μm至20μm的单模光纤芯直径和0.1至0.18的数值孔径，所述单模光纤芯被提供作为传感器以用于利用瑞利散射技术感测单模参数，
多模光纤芯，其具有30μm至100μm的多模光纤芯直径和0.15至0.3的数值孔径，所述多模光纤芯被提供作为传感器以用于利用拉曼散射技术感测与所述单模参数不同的多模参数，以及
光纤包层，其具有包层直径，并且所述包层围绕所述单模光纤芯和所述多模光纤芯。
2.根据权利要求1所述的光纤，其中所述多模光纤芯包括折射率分布，并且其中所述折射率分布是从以下范围中选择的一个范围：渐变折射率分布；阶跃折射率分布；n渐变折射率分布；w渐变折射率分布。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的光纤，其中所述单模光纤芯和所述多模光纤芯是同心的。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的光纤，其中所述单模光纤芯直径是所述多模光纤芯直径的百分比，该百分比从0.1％到99％的范围内选择。
5.根据权利要求1或权利要求2所述的光纤，其中所述多模光纤芯直径是所述包层直径的百分比，该百分比从50％到99％的范围内选择。
6.根据权利要求1或权利要求2所述的光纤，其中所述光纤还包括外部保护涂层。
7.根据权利要求6所述的光纤，其中所述涂层包括从以下范围中选择的至少一种：丙烯酸酯；碳；高温丙烯酸酯；硅酮；PFA；聚酰亚胺；金属；辐射固化涂层材料，包括但不限于环氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、包括rtv硅酮的硅橡胶、聚酰亚胺和环氧树脂、电致伸缩材料、磁致伸缩材料、压电材料、聚合物材料。
8.根据权利要求1-2和7中任一项所述的光纤，其中所述单模光纤芯和/或所述多模光纤芯和/或所述包层包括从以下范围中选择的至少一种光纤掺杂剂：Al；Er；Se；F；Cl；Br；Ge；P；Yb；聚合物。
9.根据权利要求8所述的光纤，其中当与以下群组内的至少一个实体的预掺杂等效物相比时，所述光纤掺杂剂增加或减少所述实体的光敏性：
所述单模光纤芯；
所述多模光纤芯；
所述包层；
其中将光栅写入到所述群组的一个实体不会影响所述群组的其他实体的波导特性。
10.一种感测系统，其包括光纤，所述光纤包括：
单模光纤芯，其具有3μm至20μm的直径和0.1至0.18的数值孔径，
多模光纤芯，其具有30μm至100μm的直径和0.15至0.3的数值孔径，以及
围绕所述单模光纤芯和所述多模光纤芯的光纤包层；
其中所述单模光纤芯利用瑞利散射技术测量振动，并且所述多模光纤芯在与所述光纤相同的时间利用拉曼散射技术测量温度。
11.根据权利要求10所述的感测系统，所述光纤是根据权利要求1至9中任一项所述的光纤。
12.根据权利要求10或权利要求11所述的感测系统，其中所述感测系统被布置成用于从以下范围中选择的应用：石油工业；天然气工业；结构监测；管道监测。
13.一种用于沿着光纤在相同时间执行感测的方法，该方法包括以下步骤：
i)提供光纤，所述光纤包括：
单模光纤芯，其具有3μm至20μm的直径和0.1至0.18的数值孔径，
多模光纤芯，其具有30μm至100μm的直径和0.15至0.3的数值孔径，以及
围绕所述单模光纤芯和所述多模光纤芯的光纤包层；以及
ii)使用所述光纤来沿着所述光纤在相同时间感测多个参数，其中所述参数中的至少一个是由所述单模光纤芯利用瑞利散射技术感测的单模参数，并且所述参数中的至少一个是由所述多模光纤芯利用拉曼散射技术感测的多模参数；并且
其中所述单模参数和所述多模参数是不同的。
14.根据权利要求13所述的方法，其中在相同的位置和/或相同的时间执行所述感测。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所感测的多个参数中的至少一个参数用于影响所感测的多个参数中的至少一个其他参数的解释。
16.根据权利要求15所述的方法，其中影响所述解释包括从以下范围中选择的至少一种：校准；补偿；验证；校正；背景校正；噪声去除；归一化；抛光；伪影去除；图案识别。
17.根据权利要求13至16中任一项所述的方法，其中所述光纤是根据权利要求1至9中任一项所述的光纤。
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