布拉格光柵傳感技術的案例
Ansys Lumerical | 光纖布拉格光柵溫度傳感器的仿真模擬
說明
該示例演示了一種基于光纖布拉格光柵（FBG）的溫度傳感器，因為光纖折射率會隨溫度而變化，導致其布拉格波長發生偏移，所以可以被用作溫度的測量。（聯系我們獲取文章附件）
綜述
在本示例中要考慮的光纖布拉格光柵（FBG）由具有交替折射率和恒定周期性的纖芯制成。眾所周知，沿著光纖主軸的折射率變化可以在布拉格波長（λ_Bragg）下引起反向傳播模式的耦合，由以下方程給出:
其中n_eff是布拉格波長下光纖基模的有效折射率，Λ是光柵的周期。均勻的FBG在布拉格波長下起到波長選擇鏡的作用。在沿著光纖軸的每個折射率不連續處，都會發生微弱的菲涅耳反射。當來自界面的所有反射累積時，光柵在布拉格波長周圍產生一個明顯由旁瓣包圍的反射帶。
上述方程可以擴展為包括溫度（T）對折射率的影響，從而包括布拉格波長：
運行和結果
步驟1:FDE-計算光柵所需的周期和溫度相關有效折射率neff
我們首先使用FDE求解器獲得目標波長下光柵的有效折射率，并計算光柵的所需周期(Λ)。我們計算高折射率區域和低折射率區域的 neff，并將其的平均值作為設計的起點。
此案例中光纖由n=1.4725/1.4728（L/H）和R=4.8μm的纖芯和n=1.466和R=62μm的包層組成。使用腳本添加 FDE求解器，并在室溫下為光柵中的兩個不同位置（高折射率區域和低折射率區域）運行模擬。有效折射率的平均值用于表示光柵的總折射率，并用于估計所需的光柵周期。本例中所考慮的基模的場分布如下所示。正如預期的那樣，該模式被很好地限制在光纖的核心區域。
展開 Lumerical光纖布拉格光柵溫度傳感器的仿真模擬
01
說明
該示例演示了一種基于光纖布拉格光柵（FBG）的溫度傳感器，因為光纖折射率會隨溫度而變化，導致其布拉格波長發生偏移，所以可以被用作溫度的測量。
02
綜述
在本示例中要考慮的光纖布拉格光柵（FBG）由具有交替折射率和恒定周期性的纖芯制成。眾所周知，沿著光纖主軸的折射率變化可以在布拉格波長（λ_Bragg）下引起反向傳播模式的耦合，由以下方程給出：
其中n_eff是布拉格波長下光纖基模的有效折射率，Λ是光柵的周期。均勻的FBG在布拉格波長下起到波長選擇鏡的作用。在沿著光纖軸的每個折射率不連續處，都會發生微弱的菲涅耳反射。當來自界面的所有反射累積時，光柵在布拉格波長周圍產生一個明顯由旁瓣包圍的反射帶。
上述方程可以擴展為包括溫度（T）對折射率的影響，從而包括布拉格波長：
其中，α和η分別代表光柵材料的熱膨脹系數和熱光系數。溫度的變化(ΔT)導致纖芯和包層的折射率變化，變化量由η值決定(通常為)，最終導致布拉格波長偏移。光纖的膨脹也會導致布拉格波長的偏移。然而，我們通常會忽略后一種效應，因為（通常為）是小于η的一個數量級。我們采用了η的二階依賴性，因為它已經被證明比線性模型更準確，尤其是在400℃以上的溫度下。
展開 布拉格光柵傳感器在土木工程中的應用
elecfans.com-布拉格光柵傳感器在土木工程中的應用.pdf
闡述了布拉格光柵傳感去的基本原理及其監測系統的基本構造，對其在土木工程中的應用作了較為詳細的闡述，探討可其應用土木工程結構中遇到的一些問題及響應的解決方法。
網絡課程 | 5月18日添加布拉格光柵傳感器到經典數據采集系統
官網：
<HBM應變片：應力測試測量首選>
<HBM稱重傳感器：稱重精度，久經驗證>
<HBM力傳感器： 應變和壓電兩種測量技術>
<HBM扭矩傳感器和轉矩傳感器>
<電功率測試 - 從部件到車輛能源管理>
<數據采集系統與設備>
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基于Lumerical構建布拉格光柵濾波器
本教程基于Lumerical FDTD模塊，闡述如何構建布拉格光柵濾波器，實現特定波段的光波的導通或截止，并計算濾波器帶寬。
一、建立布拉格光柵波導結構
二、設置FDTD計算區域
根據光柵尺度調整FDTD區域大小。
**著重關注上圖FDTD計算邊界的定義，由于驗證傳播方向兩側對稱，可以設置Y軸方向對稱邊界條件，節省仿真時間。將方框中√去掉。將PML設置類型下拉框選擇為第一類型。
三、添加模式光源
重點關注紅色框中的光源設置。根據結構和光源傳播方向設置注入模式光源的方向和模式類別。這里以基礎TE模式為例。注意右側可以提前描繪模式光的場圖，確認場信息。
四、添加透射率反射率監控板和時間監控點。
注意時間監控點分布在光柵首末位置，分別監控流入流出的場強。
五、添加Q因子解析組
利用腳本語言編輯各監控板和監控點監測到的數據根據物理模型計算濾波器的帶寬，震蕩周期，反射譜線，透射譜線等。
六、結果可視化輸出
光源波包
各共振模式震蕩周期圖
濾波器帶寬
反射譜
總結：以上闡述了基于Lumerical軟件FDTD模塊計算典型布拉格光柵濾波器的創建和仿真。利用Q因子腳本語言處理各監控板和監控點仿真得到的場數據，可以實現測量該濾波器的帶寬大小，和透射反射譜線等。該方法為光柵濾波器和光纖濾波器研究工作者提供了便捷的途徑。
最后，有相關需求歡迎通過微信公眾號聯系我們。
320科技工作室致力于仿真、編程領域，持續為客戶創造價值。
展開 OptiSystem與OptiGrating的聯合使用：光纖布拉格光柵在OCDMA中的應用
· 光學技術文章分享 ·
OptiSystem
OptiSystem與OptiGrating的聯合使用：光纖布拉格光柵在OCDMA中的應用
簡介
在本案例中，我們演示了如何將OptiGrating中的設計導出到OptiSystem，并通過“OptiGraitng component”將其作為組件使用。本文首先在OptiGrating中設計了一個均勻光纖光柵，然后在OptiSystem中應用于一個三用戶OCDMA系統。OptiGrating組件位于“Optiwave Software Tools”庫中。
一、在OptiGrating中設計均勻FBG
我們使用OptiGrating軟件中的案例文件“fbguniform”來設計光柵。本設計做了兩個改動：
1)將Average Index設置為均勻
2)將Ind.Mod設置為0.00023，以獲得所需的帶寬。
在這個例子中，我們設計了四個均勻的FBG，帶寬為0.3 nm，中心波長為分別為1548.5 nm、1550.1 nm、1550.9 nm和1552.5 nm。中心波長由光柵的周期長度決定。下表顯示了每個光纖光柵的周期長度。
圖1顯示了均勻光纖光柵設計的設置，圖2顯示了光柵的頻譜。
圖1.均勻FBG的“Grating Definition”選項卡設置
圖2.帶寬為0.3 nm，波長1550.1 nm處均勻FBG的頻譜
在一個設計中也可以有多個光柵。我們設計了一個具有兩個均勻FBG的光柵，其中心波長分別為1548.5 nm和1550.1 nm，帶寬均為0.3 nm。圖3光柵的設置，圖4是光譜。
展開 OptiGrating應用：光纖布拉格光柵
在本次案例中，您將學習如何設計具有啁啾和切趾的光纖布拉格光柵。這種光柵可用于光纖色散補償。
步驟1
首先新建一個項目。然后，選擇五個可用模塊中的一個來使用: Single Fiber, Fiber Coupler, Single Waveguide, Waveguide Coupler, 和Other Waveguide。
選擇Single Fiber：
1.File > New
2.在“New”對話框中，單擊“Single Fiber”選項
我們將模擬如圖1所示的二維光柵布局。
步驟2
接下來，您將為單個光纖定義某些參數。在“Single Fiber”對話框中，您可以設置以下特性: Index Profile, Photosensitivity Profile, Number Of Points In Mesh, Central Wavelength等。
打開“Single Fiber”對話框：
1.在工程窗口，點擊Fiber/Waveguide Parameters按鈕
系統彈出“Single Fiber”對話框
注意:本案例您將使用默認參數，因此不必更改任何預定義選項。
2.點擊OK關閉“Single Fiber”對話框
步驟3
在這一步中，您將訪問列表中的光纖/波導結構的計算模式。你使用的光纖是單模光纖。
打開列表中的計算模式：
1.在菜單的“Parameters”中單擊“Mode …”。
2.Input Amplitude設置為1，Phase設置為0。
3.單擊OK按鈕。
注意:如果您選擇使用單光纖模塊或單波導模塊，您將看到在對話框中只有一個模式列表。如果您正在使用其他模式，您將看到對話框中有兩個可用的列表。
展開 OptiGrating應用：光纖布拉格光柵
在本次案例中，您將學習如何設計具有啁啾和切趾的光纖布拉格光柵。這種光柵可用于光纖色散補償。
步驟1
首先新建一個項目。然后，選擇五個可用模塊中的一個來使用: Single Fiber, Fiber Coupler, Single Waveguide, Waveguide Coupler, 和Other Waveguide。
選擇Single Fiber：
1.File > New
2.在“New”對話框中，單擊“Single Fiber”選項
我們將模擬如圖1所示的二維光柵布局。
步驟2
接下來，您將為單個光纖定義某些參數。在“Single Fiber”對話框中，您可以設置以下特性: Index Profile, Photosensitivity Profile, Number Of Points In Mesh, Central Wavelength等。
打開“Single Fiber”對話框：
1.在工程窗口，點擊Fiber/Waveguide Parameters按鈕
系統彈出“Single Fiber”對話框
注意:本案例您將使用默認參數，因此不必更改任何預定義選項。
2.點擊OK關閉“Single Fiber”對話框
步驟3
在這一步中，您將訪問列表中的光纖/波導結構的計算模式。你使用的光纖是單模光纖。
打開列表中的計算模式：
1.在菜單的“Parameters”中單擊“Mode …”。
2.Input Amplitude設置為1，Phase設置為0。
3.單擊OK按鈕。
注意:如果您選擇使用單光纖模塊或單波導模塊，您將看到在對話框中只有一個模式列表。如果您正在使用其他模式，您將看到對話框中有兩個可用的列表。
展開 OptiSystem與OptiGrating的聯合使用：光纖布拉格光柵在OCDMA中的應用
OptiSystem
OptiSystem與OptiGrating的聯合使用：光纖布拉格光柵在OCDMA中的應用
簡介
在本案例中，我們演示了如何將OptiGrating中的設計導出到OptiSystem，并通過“OptiGraitng component”將其作為組件使用。本文首先在OptiGrating中設計了一個均勻光纖光柵，然后在OptiSystem中應用于一個三用戶OCDMA系統。OptiGrating組件位于“Optiwave Software Tools”庫中。
一、在OptiGrating中設計均勻FBG
我們使用OptiGrating軟件中的案例文件“fbguniform”來設計光柵。本設計做了兩個改動：
1)將Average Index設置為均勻
2)將Ind.Mod設置為0.00023，以獲得所需的帶寬。
在這個例子中，我們設計了四個均勻的FBG，帶寬為0.3 nm，中心波長為分別為1548.5 nm、1550.1 nm、1550.9 nm和1552.5 nm。中心波長由光柵的周期長度決定。下表顯示了每個光纖光柵的周期長度。
圖1顯示了均勻光纖光柵設計的設置，圖2顯示了光柵的頻譜。
圖1.均勻FBG的“Grating Definition”選項卡設置
圖2.帶寬為0.3 nm，波長1550.1 nm處均勻FBG的頻譜
在一個設計中也可以有多個光柵。我們設計了一個具有兩個均勻FBG的光柵，其中心波長分別為1548.5 nm和1550.1 nm，帶寬均為0.3 nm。圖3光柵的設置，圖4是光譜。
展開 光學傳感精度不足？橢圓光柵 + OAS軟件來破局
通過對熱圖的分析，可以清晰地了解光在波導內的傳播狀態，發現能量分布的規律和特點，為進一步優化橢圓光柵和波導結構提供了有力的數據支持。
總結
本案例充分展示了 OAS 光學軟件在二維橢圓光柵波導分析中的強大功能和卓越性能。通過對二維橢圓光柵轉向擴束和耦出功能的模擬以及光線追跡和光柵足跡分析，為光學器件的設計、優化和性能評估提供了高效、準確的技術手段。該案例的成功應用，不僅有助于加深對二維橢圓光柵光學特性的理解，還為相關光學領域的研究和工程實踐提供了寶貴的經驗和參考，推動了光學技術在光通信、光學成像等領域的發展與應用。
展開 基于Insplorion納米等離子傳感技術（NPS）的二氧化氮傳感器模塊
二、二氧化氮檢測儀中的核心傳感元件
在各種二氧化氮檢測儀中，NO2傳感器作為核心檢測元件，其作用是將環境中NO2的濃度轉化為可讀、可傳輸的電信號。結合物聯網技術，這些傳感器可構建大規模監測網絡，為環保部門提供動態污染分布數據，持續優化減排策略。傳感器的性能——包括檢測下限、選擇性、響應速度、長期穩定性和環境適應性——直接決定了整個檢測系統的可靠性和實用性。
目前市場上存在多種NO?傳感器技術路線，各具特色：
電化學傳感器：技術成熟、成本適中，在工業安全領域應用最廣，具備良好的線性響應和較低功耗，但高溫高濕環境下的長期穩定性仍是挑戰。
光學等離子傳感器：以瑞士Insplorion的NPS技術為代表，基于Insplorion?專有納米等離子傳感技術（NPS）的光化學傳感器，具有極高的表面靈敏度和優異的長期穩定性，適用于ppb級別的痕量檢測。
其中，Insplorion的納米等離子傳感技術代表了光學傳感路線的前沿方向，下文將作詳細介紹。
三、產品介紹：瑞士Insplorion INAIR-NO? 二氧化氮監測模塊
瑞士Insplorion 二氧化氮模塊 NO2監測器 INAIR-NO2產品描述
InAir-NO2是基于Insplorion?專有納米等離子傳感技術（NPS）的光化學傳感器。該有源傳感器元件為半透明的玻璃芯片，由等離子納米結構和功能涂層覆蓋。通過發光二極管和光敏檢測器來測量傳感器元件和NO2氣體分子之間的相互作用以完成讀數。可以檢測幾μg/m3 (ppb)范圍內的濃度。
InAir-NO2是微型高性能傳感器, 檢測成本效益高，可在環境空氣中測量NO2水平。
InAir-NO2可用于擴散測量和泵送氣流的連接。這兩種配置都配有預校準傳感器元件。
展開 
激光位移傳感技術解析：工業激光傳感新方案
深孔檢測示意圖
此外，MX－G系列激光同軸振動傳感器可實現納米級的遠距準確測振，測振頻率范圍及振幅靈敏度可與常用LDV相當，具有光收發一體、同軸測量、安裝方便、抗干擾性強，不受粉塵或測量面光強度變化影響等特點，可用于喇叭振幅檢測、軸承振動檢測、車床振動監測、汽車振動檢測等方面。
振動檢測示意圖
如文章開頭介紹，此類傳感器在測位移模式下可以直接進行透明物體（如薄膜，玻璃板或玻璃鏡頭）厚度的測量，而測振模式下（也是一種相位測量模式）則可以進行玻璃彎曲度的快速檢測。可以說，摯感光子的新型傳感技術和傳感平臺代表了我國在工業級激光傳感器技術方面的一個創新力。具體的技術細節可通過他們的官網去了解。
資本涌入 前景廣闊
總體而言，我國傳感器技術相對落后，但近年來我國陸續制定有利于傳感器產業發展的政策，并建立了多個傳感技術、機器人國家重點實驗室。此外資本市場（包括政府的基金） 也加大了對激光傳感行業的投入，良好的政策土壤與資本關注將為傳感器企業帶來良好的生存環境。
在未來，以激光位移傳感器為代表的的各類激光傳感器需求總體將保持快速增長的態勢，而隨著國內各項鼓勵政策的落實，激光技術的持續創新進步和激光位移傳感器產品性能的不斷提升，我國激光位移傳感器的大規模商業化應用將很快成為現實。
展開 走進飛行時間傳感技術揭秘TOF傳感器工作原理及應用領域
TOF是飛行時間（Time of Flight）技術的縮寫，即傳感器發出經調制的近紅外光，遇物體后反射，傳感器通過計算光線發射和反射時間差或相位差，來換算被拍攝景物的距離，以產生深度信息，此外再結合傳統的相機拍攝，就能將物體的三維輪廓以不同顏色代表不同距離的地形圖方式呈現出來。根據原理來看,ToF技術早期的應用相對簡單,就是用來測距。
從去年開始,一票傳感器廠商和手機廠商的目光都投向了ToF傳感器。直到今年,英飛凌、AMS等傳感器廠商,以及蘋果、華為、三星等手機廠商仍在不斷推進ToF傳感器的技術和應用升級,可以推測,ToF傳感器不僅是火了,它已經來了。
但是,隨著ToF技術的應用不斷拓寬,ToF傳感器進入人們的視野主要是智能手機和平板領域,并且主要集中在3D ToF圖像傳感器,由于ToF傳感器目前最主要的是應用在成像領域。
在ToF傳感器逐漸成為智能手機標配的時候,多攝像頭的目的就逐漸浮出水面,可用于多場景的識別應用,例如前置及后置鏡頭用于手勢識別或者安全支付的臉部3D辨識,以及AR/VR也是ToF在3D感知上的應用方向。
圖2可以看到,目前ToF傳感器在細分領域的市場份額,主要還是以消費電子和汽車為主。 但是我們注意到ToF圖像傳感器除了在消費電子上仍然有很大的應用前景,其在物聯網領域潛力也具有被挖掘的潛力。例如：
智能家居、智慧安防、智慧零售、人流監控,ToF傳感器用于識別和跟蹤人體,不僅僅是現在的認臉模式,通過深度信息可以提高識別準確度;在自動駕駛/ 車內感知領域,ToF 傳感器也可以成為車載激光雷達、車內人體識別、車內手勢識別的重要元器件等。目前,也有不少企業將ToF傳感器植入AGV和機器人手臂當中,用于精準導航和實時避障。
展開 寧波材料所在先進氣體傳感材料與傳感器關鍵技術方面取得進展
傳感器與計算機、通信被稱為信息系統的三大支柱，傳感器技術的優劣成為衡量一個國家科技水平和是否處在國際戰略競爭制高點的重要標志，是發達國家高度重視的核心基礎技術。傳感器產業已被國內外公認為是具有發展前途的高技術產業，其技術含量高、經濟效益好、滲透力強、市場前景廣等特點為世人所矚目。https://m.hongyantu.com/goodlist/sz/46023.html
由中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究員楊明輝帶領的固體功能材料團隊在先進氣體傳感材料的研發與先進氣體傳感器設計方面進行了系統的研究。通過對材料結構、形貌及組成的設計，開發出一系列高性能的氣體傳感材料，包括首次將金屬氮氧化物異質結構材料應用于氣體傳感材料、首次合成純相Sn3N4材料并應用于酒精傳感及多種多殼層中空傳感材料。
團隊在研發高性能傳感材料的基礎上，開發了多種類型氣體傳感器以滿足不同應用環境，主要包括半導體型、電化學型、催化燃燒型及光學型氣體傳感器。團隊目前已經采用先進的制造工藝，開發了低功耗、小尺寸、高性能的多種氣體傳感器。https://m.hongyantu.com/goodlist/sz/45985.html
基于研制的先進氣體傳感器件，固體功能材料團隊正在積極研制多場景智能氣體檢/監測裝備。“室內空氣監測設備”面向室內典型的污染物進行監測，主要包括VOCs( 甲醛、苯系物)、顆粒物(PM2.5、PM10) 及臭氧等，實時獲取室內空氣質量狀況，并及時反饋到空氣凈化裝置。“空氣質量微型監測站”面向室外空氣污染物的監測，主要包括顆粒物(PM2.5、PM10)、NO、CO、SO2及O3。設備在城市中進行網格化布置，并通過無線網絡將數據及時傳回控制中心，實現對污染源迅速定位，促使人員快速趕赴現場排查原因，對其進行緊急處置，盡量將污染所產生的影響降到最低。
展開 技術探秘 | 自動駕駛汽車傳感器融合系統，及多傳感器數據融合算法淺析
圖6：智能汽車感知模塊
信息融合起初叫做數據融合（data fusion），起源于1973年美國國防部資助開發的聲納信號處理系統，在20世紀90年代，隨著信息技術的廣泛發展，具有更廣義化概念的“信息融合”被提出來，多傳感器數據融合MSDF (Multi-sensor Data Fusion）技術也應運而生。
數據融合主要優勢在于：充分利用不同時間與空間的多傳感器數據資源，采用計算機技術按時間序列獲得多傳感器的觀測數據，在一定準則下進行分析、綜合、支配和使用。獲得對被測對象的一致性解釋與描述，進而實現相應的決策和估計，使系統獲得比它各組成部分更為充分的信息。
一般地，多源傳感器數據融合處理過程包括六個步驟，如下圖所示。首先是多源傳感系統搭建與定標，進而采集數據并進行數字信號轉換，再進行數據預處理和特征提取，接著是融合算法的計算分析，最后輸出穩定的、更為充分的、一致性的目標特征信息。
圖7：多源數據融合過程
利用多個傳感器所獲取的關于對象和環境全面、完整信息，主要體現在融合算法上。因此，多傳感器系統的核心問題是選擇合適的融合算法。對于多傳感器系統來說，信息具有多樣性和復雜性，因此，對信息融合方法的基本要求是具有魯棒性和并行處理能力,以及方法的運算速度和精度。以下簡要介紹三種種常用的數據融合算法，包括貝葉斯統計理論，神經網絡技術，以及卡爾曼濾波方法。
貝葉斯統計理論
圖8：文氏圖
英國數學家托馬斯·貝葉斯（Thomas Bayes）在1763年發表的一篇論文中，首先提出了這個定理。貝葉斯統計理論是一種統計學方法，用來估計統計量的某種特性，是關于隨機事件A和B的條件概率的一則定理。所謂"條件概率"（Conditional probability），就是指在事件B發生的情況下，事件A發生的概率，用P(A|B)來表示。
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