Aktiverer internet af fotoniske ting med miniaturesensorer

Et team af forskere ved Washington University i St. Louis er de første, der med succes optager miljødata ved hjælp af en trådløs fotonisk sensorresonator med en whispering-gallery-mode (WGM) arkitektur.

De fotoniske sensorer registrerede data i foråret 2017 under to scenarier:det ene var en realtidsmåling af lufttemperaturen over 12 timer, og den anden var en luftkortlægning af temperaturfordeling med en sensor monteret på en drone i en bypark i St. Louis. Begge målinger blev ledsaget af et kommercielt termometer med en Bluetooth-forbindelse til sammenligningsformål. Dataene fra de to sammenlignede meget positivt.

I den store verden af ​​"tingenes internet" (IoT), der er et stort antal rumligt fordelte trådløse sensorer, der overvejende er baseret på elektronik. Disse enheder er ofte hæmmet af elektromagnetisk interferens, såsom forstyrrede lyd- eller visuelle signaler forårsaget af et lavtflyvende fly og en køkkenkværn, der forårsager uønsket støj på en radio.

Men optiske sensorer er "immune over for elektromagnetisk interferens og kan give en betydelig fordel i barske miljøer, " sagde Lan Yang, Edwin H. &Florence G. Skinner professor i elektro- og systemteknik ved School of Engineering &Applied Science, der ledede undersøgelsen, hvorfra resultaterne blev offentliggjort 5. september i Lys:Videnskab og applikationer .

"Optiske sensorer baseret på resonatorer viser små fodspor, ekstrem følsomhed og en række funktioner, som alle giver mulighed og fleksibilitet til trådløse sensorer, "Yang sagde. "Vores arbejde kan bane vejen for storstilet anvendelse af WGM-sensorer overalt på internettet."

Yangs sensor tilhører en kategori kaldet whispering gallery mode resonatorer, så navngivet, fordi de fungerer som det berømte hviskegalleri i St. Paul's Cathedral i London, hvor nogen på den ene side af kuplen kan høre en besked, der bliver talt til væggen af ​​en på den anden side. I modsætning til kuplen, som har resonanser eller søde pletter i det hørbare område, sensoren resonerer ved lysfrekvenser og også ved vibrations- eller mekaniske frekvenser, som Yang og hendes samarbejdspartnere for nylig viste.

"I modsætning til eksisterende laboratorieudstyr i bordstørrelse, WGM-sensorens bundkort er kun 127 millimeter gange 67 millimeter – omkring 5 tommer gange 2,5 tommer – og integrerer hele sensorsystemets arkitektur, " sagde Xiangyi Xu, avisens første forfatter og en kandidatstuderende i Yangs laboratorium. "Selve sensoren er lavet af glas og er på størrelse med kun et menneskehår; den er forbundet til bundkortet med en enkelt optisk fiber. Et laserlys bruges til at sondere en WGM-sensor. Lys koblet ud af sensoren sendes til en fotodetektor med en transmissionsforstærker. En processor styrer periferiudstyr såsom laserstrømdrevet, overvågningskredsløb, termo-elektrisk køler og Wi-Fi enhed, " sagde Xu.

I hendes WGM, lys forplanter sig langs den cirkulære kant af en struktur ved konstant intern refleksion. Inde i den cirkulære kant, lyset roterer 1 million gange. over det rum, lysbølger registrerer miljøændringer, såsom temperatur og luftfugtighed, for eksempel. Sensorknuden overvåges af en tilpasset operativsystemapp, der styrer fjernsystemet og indsamler og analyserer sansesignaler.

Trådløse sensorer, enten elektronisk eller fotonisk (lysbaseret), kan overvåge miljøfaktorer som fugt, temperatur og lufttryk. Ansøgninger til trådløse sensorer omfatter miljø- og sundhedsovervågning, præcisionslandbrugspraksis og intelligente byers dataindsamling, blandt andre muligheder. Smarte byer er forbundne byer drevet af internetdataindsamling. Præcisionslandbrug bruger digitaliserede geografiske informationssystemer til præcisionslandbrugspraksis såsom jordkortlægning, som muliggør præcis gødnings- og kemikaliepåføring og valg af frøvalg for mere effektivt og rentabelt landbrug.

Yang og hendes kolleger måtte tage fat på stabilitetsproblemer, som blev håndteret af den tilpassede operativsystem-app, de udviklede, og miniaturisering af omfangsrige laboratoriemålesystemer.

"Vi udviklede en smartphone-app til at styre sensorsystemet over WiFi, " sagde Yang. "Ved at forbinde sensorsystemet til internettet, vi kan realisere real-time fjernstyring af systemet."

I juni 2017 Yang og hendes gruppe monterede hele systemet på ydervæggen af ​​en bygning og akkumulerede et plot af frekvensforskydningen af ​​resonansen. De sammenlignede deres data med det kommercielle termometer.

"Takket være deres lille størrelse, kapaciteten og fleksibiliteten af ​​trådløse fotoniske sensorer kan forbedres ved at gøre dem mobile, " sagde Yang.

Forskerne monterede også deres system på en ubemandet drone i maj 2017 ved siden af ​​det kommercielle termometer. Da dronen fløj fra et målested til et andet, resonansfrekvensen af ​​WGM skiftede som reaktion på temperaturvariationer.

"Målingerne stemte godt overens med resultaterne fra det kommercielle termometer, " sagde hun. "De vellykkede demonstrationer viser de potentielle anvendelser af vores trådløse WGM-sensor i IoT. Der er adskillige lovende registreringsapplikationer mulige med WGM-teknologi, herunder magnetiske, akustisk, miljømæssig og medicinsk sansning."

Miniaturiseringen af ​​resonatorsensorsystemer repræsenterer en spændende mulighed for IoT, da det vil gøre det muligt for IoT at udnytte en ny klasse af fotoniske sensorer med hidtil uset følsomhed og kapaciteter, " sagde Chenyang Lu, Fullgraf-professoren ved Institut for Datalogi og Teknik og medforfatter til papiret.