အော့ပ်တစ်ဖိုက်ဘာ အာရုံခံခြင်းအတွက် လေဆာရင်းမြစ်နည်းပညာ အပိုင်းတစ်

လေဆာရင်းမြစ်နည်းပညာအတွက်အလင်းကာဖိုက်ဘာအပိုင်းတစ်ကို အာရုံခံခြင်း

အော့ပ်တီကယ်ဖိုက်ဘာ အာရုံခံနည်းပညာသည် အော့ပ်တီကယ်ဖိုက်ဘာနည်းပညာနှင့် အော့ပ်တီကယ်ဖိုက်ဘာဆက်သွယ်ရေးနည်းပညာနှင့်အတူ တီထွင်ထားသော အာရုံခံနည်းပညာတစ်မျိုးဖြစ်ပြီး ၎င်းသည် ဓာတ်ပုံလျှပ်စစ်နည်းပညာ၏ အတက်ကြွဆုံးဌာနခွဲများထဲမှ တစ်ခုဖြစ်လာခဲ့သည်။ အော့ပ်တီကယ်ဖိုက်ဘာ အာရုံခံစနစ်သည် အဓိကအားဖြင့် လေဆာ၊ ထုတ်လွှင့်ဖိုက်ဘာ၊ အာရုံခံဒြပ်စင် သို့မဟုတ် မော်ဂျူးရှင်းဧရိယာ၊ အလင်းရှာဖွေခြင်းနှင့် အခြားအစိတ်အပိုင်းများဖြင့် ဖွဲ့စည်းထားသည်။ အလင်းလှိုင်း၏ ဝိသေသလက္ခဏာများကို ဖော်ပြသော ကန့်သတ်ချက်များတွင် ပြင်းထန်မှု၊ လှိုင်းအလျား၊ အဆင့်၊ ပိုလာရိုက်ဇေးရှင်းအခြေအနေ စသည်တို့ ပါဝင်သည်။ ဤကန့်သတ်ချက်များကို အော့ပ်တီကယ်ဖိုက်ဘာ ထုတ်လွှင့်မှုတွင် ပြင်ပလွှမ်းမိုးမှုများကြောင့် ပြောင်းလဲနိုင်သည်။ ဥပမာအားဖြင့်၊ အပူချိန်၊ ဆန့်နိုင်အား၊ ဖိအား၊ လျှပ်စီးကြောင်း၊ ရွှေ့ပြောင်းမှု၊ တုန်ခါမှု၊ လှည့်ခြင်း၊ ကွေးခြင်းနှင့် ဓာတုဗေဒပမာဏသည် အော့ပ်တီကယ်လမ်းကြောင်းကို သက်ရောက်မှုရှိသောအခါ၊ ဤကန့်သတ်ချက်များသည် လိုက်လျောညီထွေပြောင်းလဲသွားသည်။ အော့ပ်တီကယ်ဖိုက်ဘာ အာရုံခံခြင်းသည် သက်ဆိုင်ရာ ရုပ်ပိုင်းဆိုင်ရာပမာဏများကို ထောက်လှမ်းရန် ဤကန့်သတ်ချက်များနှင့် ပြင်ပအချက်များအကြား ဆက်နွယ်မှုအပေါ် အခြေခံသည်။

အမျိုးအစားများစွာရှိပါတယ်လေဆာရင်းမြစ်optical fiber sensing system များတွင် အသုံးပြုပြီး၊ ၎င်းကို အမျိုးအစားနှစ်မျိုးခွဲခြားနိုင်သည်- coherentလေဆာရင်းမြစ်များနှင့် မညီညွတ်သော အလင်းရောင်ရင်းမြစ်များ၊ မညီညွတ်သောအလင်းရင်းမြစ်များအဓိကအားဖြင့် incandescent မီးနှင့် light-emitting diode များ ပါဝင်ပြီး၊ coherent light source များတွင် solid lasers၊ liquid lasers၊ gas lasers များ ပါဝင်သည်။တစ်ပိုင်းလျှပ်ကူးပစ္စည်း လေဆာနှင့်ဖိုက်ဘာလေဆာအောက်ပါတို့သည် အဓိကအားဖြင့်လေဆာအလင်းရင်းမြစ်မကြာသေးမီနှစ်များအတွင်း fiber sensing နယ်ပယ်တွင် ကျယ်ကျယ်ပြန့်ပြန့်အသုံးပြုခဲ့ကြသည်- narrow line width single-frequency laser၊ single-wavelength sweep frequency laser နှင့် white laser။

၁.၁ ကျဉ်းမြောင်းသော မျဉ်းကြောင်းအကျယ်အတွက် လိုအပ်ချက်များလေဆာအလင်းရင်းမြစ်များ

Optical fiber sensing system ကို laser source နှင့် ခွဲခြား၍မရပါ၊ အဘယ်ကြောင့်ဆိုသော် တိုင်းတာထားသော signal carrier light wave၊ laser light source ကိုယ်တိုင်၏ စွမ်းဆောင်ရည်၊ ဥပမာ power stability၊ laser linewidth၊ phase noise နှင့် အခြား parameter များသည် optical fiber sensing system ၏ ထောက်လှမ်းအကွာအဝေး၊ ထောက်လှမ်းတိကျမှု၊ sensitivity နှင့် noise ဝိသေသလက္ခဏာများတွင် အဆုံးအဖြတ်ပေးသော အခန်းကဏ္ဍမှ ပါဝင်သောကြောင့်ဖြစ်သည်။ မကြာသေးမီနှစ်များအတွင်း၊ အကွာအဝေးအလွန်မြင့်မားသော resolution optical fiber sensing system များ ဖွံ့ဖြိုးတိုးတက်လာခြင်းနှင့်အတူ၊ ပညာရေးနှင့် စက်မှုလုပ်ငန်းများသည် laser miniaturization ၏ linewidth စွမ်းဆောင်ရည်အတွက် ပိုမိုတင်းကျပ်သော လိုအပ်ချက်များကို တင်ပြခဲ့ကြပြီး၊ အဓိကအားဖြင့်- optical frequency domain reflection (OFDR) နည်းပညာသည် coherent detection နည်းပညာကို အသုံးပြု၍ frequency domain ရှိ optical fiber များ၏ backrayleigh ပြန့်ကျဲနေသော signal များကို ကျယ်ပြန့်သော coverage (မီတာထောင်ပေါင်းများစွာ) ဖြင့် ခွဲခြမ်းစိတ်ဖြာသည်။ high resolution (millimeter-level resolution) နှင့် high sensitivity (-100 dBm အထိ) ၏ အားသာချက်များသည် distributed optical fiber တိုင်းတာခြင်းနှင့် sensing နည်းပညာတွင် ကျယ်ပြန့်သော အသုံးချမှုအလားအလာရှိသော နည်းပညာများထဲမှ တစ်ခုဖြစ်သည်။ OFDR နည်းပညာ၏ အဓိကအချက်မှာ optical frequency tuning ကိုရရှိရန် tunable light source ကို အသုံးပြုရန်ဖြစ်ပြီး၊ laser source ၏ စွမ်းဆောင်ရည်သည် OFDR detection range၊ sensitivity နှင့် resolution ကဲ့သို့သော အဓိကအချက်များကို ဆုံးဖြတ်ပေးသည်။ reflection point အကွာအဝေးသည် coherence length နှင့်နီးကပ်သောအခါ၊ beat signal ၏ပြင်းထန်မှုကို coefficient τ/τc ဖြင့် အဆပေါင်းများစွာ လျော့ပါးသွားမည်ဖြစ်သည်။ spectral shape ရှိသော Gaussian light source အတွက်၊ beat frequency သည် 90% ထက်ပို၍မြင်နိုင်စေရန်အတွက်၊ light source ၏ line width နှင့် system ရရှိနိုင်သော အများဆုံး sensing length အကြားဆက်နွယ်မှုသည် Lmax~0.04vg/f ဖြစ်ပြီး၊ ဆိုလိုသည်မှာ 80 km အရှည်ရှိသော fiber အတွက်၊ light source ၏ line width သည် 100 Hz ထက်နည်းသည်။ ထို့အပြင်၊ အခြား application များ ဖွံ့ဖြိုးတိုးတက်လာမှုတွင်လည်း light source ၏ linewidth အတွက် ပိုမိုမြင့်မားသော လိုအပ်ချက်များကို တင်ပြခဲ့သည်။ ဥပမာအားဖြင့်၊ optical fiber hydrophone system တွင်၊ light source ၏ linewidth သည် system noise ကို ဆုံးဖြတ်ပေးပြီး system ၏ အနည်းဆုံးတိုင်းတာနိုင်သော signal ကိုလည်း ဆုံးဖြတ်ပေးသည်။ Brillouin optical time domain reflector (BOTDR) တွင်၊ အပူချိန်နှင့် stress ၏ တိုင်းတာမှု resolution ကို light source ၏ linewidth ဖြင့် အဓိကဆုံးဖြတ်သည်။ resonator fiber optic gyro တွင်၊ အလင်းအရင်းအမြစ်၏ မျဉ်းအကျယ်ကို လျှော့ချခြင်းဖြင့် အလင်းလှိုင်း၏ စုစည်းမှုအရှည်ကို မြှင့်တင်နိုင်ပြီး၊ ထို့ကြောင့် resonator ၏ fineness နှင့် resonance depth ကို တိုးတက်စေပြီး၊ resonator ၏ မျဉ်းအကျယ်ကို လျှော့ချကာ fiber optic gyro ၏ တိုင်းတာမှုတိကျမှုကို သေချာစေသည်။

၁.၂ sweep laser အရင်းအမြစ်များအတွက် လိုအပ်ချက်များ

တစ်ခုတည်းသော wavelength sweep laser သည် ပြောင်းလွယ်ပြင်လွယ်ရှိသော wavelength tuning စွမ်းဆောင်ရည်ရှိပြီး multiple output fixed wavelength laser များကို အစားထိုးနိုင်ပြီး system တည်ဆောက်မှုကုန်ကျစရိတ်ကို လျှော့ချပေးကာ optical fiber sensing system ၏ မရှိမဖြစ် အစိတ်အပိုင်းတစ်ခုဖြစ်သည်။ ဥပမာအားဖြင့် trace gas fiber sensing တွင် ဓာတ်ငွေ့အမျိုးအစားအမျိုးမျိုးတွင် ဓာတ်ငွေ့စုပ်ယူမှု အမြင့်ဆုံးအဆင့်များ ကွဲပြားသည်။ တိုင်းတာမှုဓာတ်ငွေ့ လုံလောက်သောအခါ အလင်းစုပ်ယူမှုထိရောက်မှုကို သေချာစေပြီး မြင့်မားသော တိုင်းတာမှု sensitivity ကို ရရှိရန် transmission light source ၏ wavelength ကို ဓာတ်ငွေ့မော်လီကျူး၏ absorption peak နှင့် ချိန်ညှိရန် လိုအပ်သည်။ ထောက်လှမ်းနိုင်သော ဓာတ်ငွေ့အမျိုးအစားကို sensing light source ၏ wavelength ဖြင့် အခြေခံအားဖြင့် ဆုံးဖြတ်သည်။ ထို့ကြောင့် တည်ငြိမ်သော broadband tuning စွမ်းဆောင်ရည်ရှိသော narrow linewidth laser များသည် ထိုကဲ့သို့သော sensing system များတွင် တိုင်းတာမှု ပြောင်းလွယ်ပြင်လွယ်မှု ပိုမိုမြင့်မားသည်။ ဥပမာအားဖြင့် optical frequency domain reflection ကို အခြေခံသည့် distributed optical fiber sensing system အချို့တွင် optical signal များ၏ မြင့်မားသောတိကျမှုရှိသော coherent detection နှင့် demodulation ရရှိရန် laser ကို လျင်မြန်စွာ ပုံမှန် swept လုပ်ရန် လိုအပ်သောကြောင့် laser source ၏ modulation rate တွင် လိုအပ်ချက်များ အတော်လေး မြင့်မားပြီး adjustable laser ၏ sweep speed သည် 10 pm/μs သို့ ရောက်ရှိရန် ပုံမှန်လိုအပ်သည်။ ထို့အပြင်၊ wavelength tunable narrow linewidth laser ကို liDAR၊ laser remote sensing နှင့် high-resolution spectral analysis နှင့် အခြား sensing နယ်ပယ်များတွင်လည်း ကျယ်ကျယ်ပြန့်ပြန့် အသုံးပြုနိုင်ပါသည်။ fiber sensing နယ်ပယ်တွင် single-wavelength laser များ၏ tuning bandwidth၊ tuning accuracy နှင့် tuning speed ကဲ့သို့သော မြင့်မားသောစွမ်းဆောင်ရည် parameter များ၏လိုအပ်ချက်များကို ဖြည့်ဆည်းရန်အတွက်၊ မကြာသေးမီနှစ်များအတွင်း tunable narrow-width fiber laser များကိုလေ့လာခြင်း၏ အလုံးစုံရည်မှန်းချက်မှာ ultra-narrow laser linewidth၊ ultra-low phase noise နှင့် ultra-stable output frequency နှင့် power တို့ကို လိုက်စားခြင်းအပေါ်အခြေခံ၍ ပိုမိုကြီးမားသော wavelength range တွင် high-precision tuning ကိုရရှိရန်ဖြစ်သည်။

၁.၃ အဖြူရောင်လေဆာအလင်းအရင်းအမြစ်အတွက် လိုအပ်ချက်

အလင်းအာရုံခံကိရိယာနယ်ပယ်တွင်၊ အရည်အသွေးမြင့် အဖြူရောင်အလင်းလေဆာသည် စနစ်၏စွမ်းဆောင်ရည်ကို မြှင့်တင်ရန်အတွက် အလွန်အရေးပါသည်။ အဖြူရောင်အလင်းလေဆာ၏ ရောင်စဉ်လွှမ်းခြုံမှု ကျယ်ပြန့်လေ၊ အလင်းဖိုက်ဘာအာရုံခံစနစ်တွင် ၎င်း၏အသုံးချမှု ပိုမိုကျယ်ပြန့်လေဖြစ်သည်။ ဥပမာအားဖြင့်၊ အာရုံခံကိရိယာကွန်ရက်တစ်ခုတည်ဆောက်ရန် fiber Bragg grating (FBG) ကိုအသုံးပြုသောအခါ၊ demodulation အတွက် spectral analysis သို့မဟုတ် tunable filter matching နည်းလမ်းကို အသုံးပြုနိုင်သည်။ ယခင်နည်းလမ်းသည် ကွန်ရက်ရှိ FBG resonant wavelength တစ်ခုစီကို တိုက်ရိုက်စမ်းသပ်ရန် spectrometer ကို အသုံးပြုခဲ့သည်။ နောက်ပိုင်းနည်းလမ်းသည် အာရုံခံကိရိယာတွင် FBG ကို ခြေရာခံပြီး ချိန်ညှိရန် reference filter ကို အသုံးပြုသည်၊ နှစ်ခုစလုံးသည် FBG အတွက် စမ်းသပ်အလင်းအရင်းအမြစ်အဖြစ် broadband light source လိုအပ်သည်။ FBG access network တစ်ခုစီတွင် insertion loss အချို့ရှိမည်ဖြစ်ပြီး 0.1 nm ထက်ပိုသော bandwidth ရှိသောကြောင့်၊ FBG များစွာကို တစ်ပြိုင်နက် demodulation လုပ်ရန် မြင့်မားသောပါဝါနှင့် bandwidth မြင့်မားသော broadband light source လိုအပ်သည်။ ဥပမာအားဖြင့်၊ sensing အတွက် long period fiber grating (LPFG) ကိုအသုံးပြုသောအခါ၊ single loss peak ၏ bandwidth သည် 10 nm အစီအစဉ်ရှိသောကြောင့်၊ ၎င်း၏ resonant peak ဝိသေသလက္ခဏာများကို တိကျစွာဖော်ပြရန်အတွက် bandwidth လုံလောက်ပြီး ပြားချပ်ချပ် spectrum ရှိသော broad spectrum light source တစ်ခု လိုအပ်ပါသည်။ အထူးသဖြင့်၊ acousto-optical effect ကို အသုံးပြု၍ တည်ဆောက်ထားသော acoustic fiber grating (AIFG) သည် electrical tuning မှတစ်ဆင့် 1000 nm အထိ resonant wavelength ၏ tuning range ကို ရရှိနိုင်ပါသည်။ ထို့ကြောင့်၊ ထိုကဲ့သို့သော ultra-wide tuning range ဖြင့် dynamic grating testing သည် wide-spectrum light source ၏ bandwidth range အတွက် ကြီးမားသောစိန်ခေါ်မှုတစ်ရပ်ဖြစ်စေပါသည်။ အလားတူပင်၊ မကြာသေးမီနှစ်များအတွင်း၊ tilted Bragg fiber grating ကိုလည်း fiber sensing နယ်ပယ်တွင် ကျယ်ကျယ်ပြန့်ပြန့်အသုံးပြုခဲ့ကြသည်။ ၎င်း၏ multi-peak loss spectrum ဝိသေသလက္ခဏာများကြောင့်၊ wavelength distribution range သည် 40 nm အထိရောက်ရှိနိုင်သည်။ ၎င်း၏ sensing mechanism သည် transmission peak များစွာအကြား relative movement ကို နှိုင်းယှဉ်ရန်ဖြစ်လေ့ရှိသောကြောင့် ၎င်း၏ transmission spectrum ကို အပြည့်အဝတိုင်းတာရန် လိုအပ်ပါသည်။ wide spectrum light source ၏ bandwidth နှင့် power သည် ပိုမိုမြင့်မားရန် လိုအပ်ပါသည်။

၂။ ပြည်တွင်းပြည်ပ သုတေသနအခြေအနေ

၂.၁ ကျဉ်းမြောင်းသော မျဉ်းကြောင်းအကျယ်ရှိသော လေဆာအလင်းရင်းမြစ်

၂.၁.၁ ကျဉ်းမြောင်းသော မျဉ်းကြောင်းအကျယ်ရှိသော semiconductor ဖြန့်ဝေထားသော feedback လေဆာ

၂၀၀၆ ခုနှစ်တွင် Cliche နှင့်အဖွဲ့သည် တစ်ပိုင်းလျှပ်ကူးပစ္စည်း၏ MHz စကေးကို လျှော့ချခဲ့သည်။DFB လေဆာ(ဖြန့်ဝေထားသော feedback laser) ကို electrical feedback နည်းလမ်းကို အသုံးပြု၍ kHz scale သို့ ပေးပို့သည်။ ၂၀၁၁ ခုနှစ်တွင် Kessler နှင့်အဖွဲ့သည် အပူချိန်နိမ့်ပြီး တည်ငြိမ်မှုမြင့်မားသော single crystal cavity ကို active feedback control နှင့် ပေါင်းစပ်အသုံးပြု၍ 40 MHz ၏ ultra-narrow linewidth laser output ကို ရရှိခဲ့သည်။ ၂၀၁၃ ခုနှစ်တွင် Peng နှင့်အဖွဲ့သည် external Fabry-Perot (FP) feedback ချိန်ညှိမှုနည်းလမ်းကို အသုံးပြု၍ 15 kHz ၏ linewidth ရှိသော semiconductor laser output ကို ရရှိခဲ့သည်။ electrical feedback နည်းလမ်းသည် အလင်းရင်းမြစ်၏ laser linewidth ကို လျှော့ချရန် Pond-Drever-Hall frequency stabilization feedback ကို အဓိကအသုံးပြုခဲ့သည်။ ၂၀၁၀ ခုနှစ်တွင် Bernhardi နှင့်အဖွဲ့သည် 1.7 kHz ခန့်ရှိသော laser output ကိုရရှိရန် silicon oxide substrate ပေါ်တွင် erbium-doped alumina FBG 1 cm ကို ထုတ်လုပ်ခဲ့သည်။ ထိုနှစ်တွင်ပင် Liang နှင့်အဖွဲ့သည် ပုံ ၁ တွင်ပြထားသည့်အတိုင်း semiconductor laser line-width compression အတွက် high-Q echo wall resonator မှဖွဲ့စည်းထားသော backward Rayleigh scattering ၏ self-injection feedback ကိုအသုံးပြုခဲ့ပြီး နောက်ဆုံးတွင် 160 Hz ၏ ကျဉ်းမြောင်းသော line-width laser output ကိုရရှိခဲ့သည်။

ပုံ ၁ (က) external whispering gallery mode resonator ၏ self-injection Rayleigh scattering ကို အခြေခံ၍ semiconductor laser linewidth compression ၏ ပုံ။
(ခ) 8 MHz လိုင်းအကျယ်ရှိသော free running semiconductor laser ၏ frequency spectrum;
(ဂ) လိုင်းအကျယ်ကို 160 Hz အထိ ဖိသိပ်ထားသော လေဆာ၏ ကြိမ်နှုန်းရောင်စဉ်
၂.၁.၂ ကျဉ်းမြောင်းသော မျဉ်းကြောင်းအကျယ်ရှိသော ဖိုက်ဘာလေဆာ

linear cavity fiber laser များအတွက်၊ single longitudinal mode ၏ narrow linewidth laser output ကို resonator ၏အရှည်ကိုတိုစေပြီး longitudinal mode interval ကိုတိုးမြှင့်ခြင်းဖြင့်ရရှိသည်။ ၂၀၀၄ ခုနှစ်တွင် Spiegelberg နှင့်အဖွဲ့သည် DBR short cavity နည်းလမ်းကို အသုံးပြု၍ 2 kHz linewidth ရှိသော single longitudinal mode narrow linewidth laser output ကိုရရှိခဲ့သည်။ ၂၀၀၇ ခုနှစ်တွင် Shen နှင့်အဖွဲ့သည် Bi-Ge co-doped photosensitive fiber ပေါ်တွင် FBG ရေးသားရန် 2 cm heavyly erbium-doped silicon fiber ကိုအသုံးပြုခဲ့ပြီး active fiber နှင့်ပေါင်းစပ်ကာ compact linear cavity တစ်ခုဖွဲ့စည်းခဲ့ပြီး ၎င်း၏ laser output line width ကို 1 kHz အောက်သို့ရောက်ရှိစေခဲ့သည်။ ၂၀၁၀ ခုနှစ်တွင် Yang နှင့်အဖွဲ့သည် narrowband FBG filter နှင့်ပေါင်းစပ်ထားသော 2cm highly doped short linear cavity ကို အသုံးပြု၍ 2 kHz အောက် line width ရှိသော single longitudinal mode laser output ကိုရရှိခဲ့သည်။ ၂၀၁၄ ခုနှစ်တွင် အဖွဲ့သည် FBG-FP filter နှင့် ပေါင်းစပ်ထားသော short linear cavity (virtual folded ring resonator) ကို အသုံးပြု၍ ပုံ ၃ တွင်ပြထားသည့်အတိုင်း ကျဉ်းမြောင်းသော မျဉ်းအကျယ်ရှိသော laser output ကို ရရှိရန် အသုံးပြုခဲ့သည်။ ၂၀၁၂ ခုနှစ်တွင် Cai နှင့် အဖွဲ့သည် 1.4cm short cavity structure ကို အသုံးပြု၍ 114 mW ထက်ပိုသော output power၊ 1540.3 nm ၏ central wavelength နှင့် 4.1 kHz ၏ line width ရှိသော polarizing laser output ကို ရရှိရန် ပြုလုပ်ခဲ့သည်။ ၂၀၁၃ ခုနှစ်တွင် Meng နှင့် အဖွဲ့သည် 10 mW output power ရှိသော single-longitudinal mode, low-phase noise laser output ကို ရရှိရန် full-bias preserving device ၏ short ring cavity ရှိသော erbium-doped fiber ၏ Brillouin scattering ကို အသုံးပြုခဲ့သည်။ ၂၀၁၅ ခုနှစ်တွင် အဖွဲ့သည် threshold နိမ့်ပြီး ကျဉ်းမြောင်းသော linewidth laser output ကို ရရှိရန် 45 cm erbium-doped fiber ဖြင့် ဖွဲ့စည်းထားသော ring cavity ကို Brillouin scattering gain medium အဖြစ် အသုံးပြုခဲ့သည်။

ပုံ ၂ (က) SLC ဖိုက်ဘာလေဆာ၏ ပုံကြမ်းရေးဆွဲခြင်း။
(ခ) 97.6 km fiber delay ဖြင့် တိုင်းတာထားသော heterodyne signal ၏ မျဉ်းပုံသဏ္ဍာန်