Een team van onderzoekers van de Washington University in St. Louis is de eerste die met succes omgevingsgegevens heeft vastgelegd met behulp van een draadloze fotonische sensorresonator met een Whispering-Gallery-Mode (WGM)-architectuur.

De fotonische sensoren registreerden gegevens in het voorjaar van 2017 onder twee scenario's:één was een realtime meting van de luchttemperatuur gedurende 12 uur, en de andere was een luchtfoto van de temperatuurverdeling met een sensor gemonteerd op een drone in een stadspark in St. Louis. Beide metingen werden ter vergelijking vergezeld van een commerciële thermometer met een Bluetooth-verbinding. De gegevens van de twee waren zeer gunstig vergeleken.

In de grote wereld van het "internet of things" (IoT), er zijn enorme aantallen ruimtelijk verdeelde draadloze sensoren, voornamelijk gebaseerd op elektronica. Deze apparaten worden vaak gehinderd door elektromagnetische interferentie, zoals gestoorde audio- of visuele signalen veroorzaakt door een laagvliegend vliegtuig en een keukenmolen die ongewenst geluid op een radio veroorzaakt.

Maar optische sensoren zijn "immuun voor elektromagnetische interferentie en kunnen een aanzienlijk voordeel bieden in ruwe omgevingen, " zei Lan Yang, de Edwin H. &Florence G. Skinner hoogleraar Electrical &Systems Engineering aan de School of Engineering &Applied Science, die de studie leidde waaruit de bevindingen werden gepubliceerd op 5 september in Licht:wetenschap en toepassingen .

"Optische sensoren op basis van resonatoren tonen kleine voetafdrukken, extreme gevoeligheid en een aantal functionaliteiten, die allemaal mogelijkheden en flexibiliteit verlenen aan draadloze sensoren, " Yang zei. "Ons werk zou de weg kunnen effenen voor grootschalige toepassing van WGM-sensoren op internet."

Yang's sensor behoort tot een categorie genaamd fluistergalerijmodus resonators, zo genoemd omdat ze werken als de beroemde fluistergalerij in St. Paul's Cathedral in Londen, waar iemand aan de ene kant van de koepel een bericht kan horen dat door iemand aan de andere kant tegen de muur wordt gesproken. In tegenstelling tot de koepel, die resonanties of sweet spots heeft in het hoorbare bereik, de sensor resoneert bij lichtfrequenties en ook bij trillings- of mechanische frequenties, zoals Yang en haar medewerkers onlangs lieten zien.

"In tegenstelling tot bestaande laboratoriumapparatuur op tafelformaat, het moederbord van de WGM-sensor is slechts 127 millimeter bij 67 millimeter - ongeveer 5 inch bij 2,5 inch - en integreert de hele architectuur van het sensorsysteem, " zei Xiangyi Xu, de eerste auteur van het artikel en een afgestudeerde student in het lab van Yang. "De sensor zelf is gemaakt van glas en heeft de grootte van slechts één mensenhaar; hij is verbonden met het moederbord door een enkele optische vezel. Een laserlicht wordt gebruikt om een ​​WGM-sensor te onderzoeken. Licht dat uit de sensor wordt gekoppeld, wordt naar een fotodetector met een transmissieversterker Een processor bestuurt randapparatuur zoals de laserstroomaandrijving, bewakingscircuit, thermo-elektrische koeler en wifi-unit, ' zei Xu.

In haar WGM, licht plant zich voort langs de cirkelvormige rand van een structuur door constante interne reflectie. Binnen de cirkelvormige rand, licht roteert 1 miljoen keer. Boven die ruimte, lichtgolven detecteren veranderingen in de omgeving, zoals temperatuur en vochtigheid, bijvoorbeeld. Het sensorknooppunt wordt bewaakt door een aangepaste besturingssysteem-app die het externe systeem bestuurt en detectiesignalen verzamelt en analyseert.

Draadloze sensoren, hetzij elektronisch of fotonisch (gebaseerd op licht), omgevingsfactoren zoals vochtigheid, temperatuur en luchtdruk. Toepassingen voor draadloze sensoren omvatten monitoring van milieu en gezondheidszorg, precisielandbouwpraktijken en het verzamelen van gegevens door slimme steden, onder andere mogelijkheden. Slimme steden zijn verbonden steden die worden aangedreven door data-harvesting via internet. Precisielandbouw maakt gebruik van gedigitaliseerde geografische informatiesystemen voor precisielandbouwpraktijken zoals bodemkartering, die nauwkeurige bemesting en chemische toepassingen en keuze van zaadselectie mogelijk maakt voor een efficiëntere en winstgevendere landbouw.

Yang en haar collega's moesten stabiliteitsproblemen aanpakken, die werden afgehandeld door de aangepaste besturingssysteem-app die ze ontwikkelden, en miniaturisatie van omvangrijke laboratoriummeetsystemen.

"We hebben een smartphone-app ontwikkeld om het sensorsysteem via wifi te bedienen, " zei Yang. "Door het sensorsysteem te verbinden met internet, we kunnen realtime afstandsbediening van het systeem realiseren."

In juni 2017, Yang en haar groep monteerden het hele systeem op de buitenmuur van een gebouw en verzamelden een plot van de frequentieverschuiving van de resonantie. Ze vergeleken hun gegevens met de commerciële thermometer.

"Dankzij hun kleine formaat, de mogelijkheden en flexibiliteit van draadloze fotonische sensoren kunnen worden verbeterd door ze mobiel te maken, ' zei Yang.

De onderzoekers monteerden hun systeem in mei 2017 ook op een onbemande drone naast de commerciële thermometer. Toen de drone van de ene meetlocatie naar de andere vloog, de resonantiefrequentie van de WGM verschoof als reactie op temperatuurschommelingen.

"De metingen kwamen goed overeen met de resultaten van de commerciële thermometer, " zei ze. "De succesvolle demonstraties tonen de potentiële toepassingen van onze draadloze WGM-sensor in het IoT. Er zijn tal van veelbelovende detectietoepassingen mogelijk met WGM-technologie, inclusief magnetische, akoestisch, milieu- en medische detectie."

De miniaturisering van resonatordetectiesystemen vertegenwoordigt een opwindende kans voor IoT, omdat het IoT in staat zal stellen een nieuwe klasse fotonische sensoren te exploiteren met ongekende gevoeligheid en mogelijkheden, " zei Chenyang Lu, de Fullgraf-hoogleraar bij de afdeling Computer Science &Engineering en een co-auteur van het papier.