Un team di ricercatori della Washington University di St. Louis è il primo a registrare con successo i dati ambientali utilizzando un risonatore di sensori fotonici wireless con un'architettura WGM (sussurring-gallery-mode).

I sensori fotonici hanno registrato i dati durante la primavera del 2017 in due scenari:uno era una misurazione in tempo reale della temperatura dell'aria nell'arco di 12 ore, e l'altro era una mappatura aerea della distribuzione della temperatura con un sensore montato su un drone in un parco cittadino di St. Louis. Entrambe le misurazioni sono state accompagnate da un termometro commerciale con connessione Bluetooth a scopo di confronto. I dati dei due confrontati molto favorevolmente.

Nel grande mondo dell'"Internet delle cose" (IoT), ci sono un gran numero di sensori wireless distribuiti nello spazio prevalentemente basati sull'elettronica. Questi dispositivi sono spesso ostacolati da interferenze elettromagnetiche, come segnali audio o visivi disturbati causati da un aeroplano a bassa quota e da un tritacarne da cucina che causano rumori indesiderati su una radio.

Ma i sensori ottici sono "immuni alle interferenze elettromagnetiche e possono fornire un vantaggio significativo in ambienti difficili, " disse Lan Yang, l'Edwin H. &Florence G. Skinner Professore di Ingegneria Elettrica e dei Sistemi presso la Scuola di Ingegneria e Scienze Applicate, che ha condotto lo studio da cui sono stati pubblicati i risultati il ​​5 settembre in Luce:scienza e applicazioni .

"I sensori ottici basati su risonatori mostrano impronte ridotte, estrema sensibilità e numerose funzionalità, tutto ciò conferisce capacità e flessibilità ai sensori wireless, " Yang ha detto. "Il nostro lavoro potrebbe aprire la strada all'applicazione su larga scala dei sensori WGM su Internet".

Il sensore di Yang appartiene a una categoria chiamata risuonatori in modalità galleria sussurrante, così chiamati perché funzionano come la famosa galleria dei sussurri nella cattedrale di St. Paul a Londra, dove qualcuno da un lato della cupola può ascoltare un messaggio pronunciato al muro da qualcuno dall'altro lato. A differenza della cupola, che ha risonanze o punti dolci nella gamma udibile, il sensore risuona alle frequenze luminose e anche a frequenze vibrazionali o meccaniche, come Yang e i suoi collaboratori hanno mostrato di recente.

"In contrasto con le attuali apparecchiature di laboratorio di dimensioni da tavolo, la scheda madre del sensore WGM è di soli 127 millimetri per 67 millimetri, circa 5 pollici per 2,5 pollici, e integra l'intera architettura del sistema di sensori, " disse Xiangyi Xu, il primo autore del documento e uno studente laureato nel laboratorio di Yang. "Il sensore stesso è realizzato in vetro ed ha le dimensioni di un solo capello umano; è collegato alla scheda madre tramite una singola fibra ottica. Una luce laser viene utilizzata per sondare un sensore WGM. La luce accoppiata dal sensore viene inviata a un fotorilevatore con un amplificatore di trasmissione Un processore controlla le periferiche come l'unità di corrente laser, circuito di monitoraggio, refrigeratore termoelettrico e unità Wi-Fi, " disse Xu.

Nel suo WGM, la luce si propaga lungo il bordo circolare di una struttura per riflessione interna costante. All'interno del cerchio circolare, la luce ruota 1 milione di volte. Oltre quello spazio, le onde luminose rilevano i cambiamenti ambientali, come temperatura e umidità, Per esempio. Il nodo sensore è monitorato da un'app dei sistemi operativi personalizzata che controlla il sistema remoto e raccoglie e analizza i segnali di rilevamento.

Sensori senza fili, sia elettronico che fotonico (basato sulla luce), può monitorare fattori ambientali come umidità, temperatura e pressione dell'aria. Le applicazioni per i sensori wireless comprendono il monitoraggio ambientale e sanitario, pratiche agricole di precisione e raccolta dati delle città intelligenti, tra le altre possibilità. Le città intelligenti sono città connesse guidate dalla raccolta di dati su Internet. L'agricoltura di precisione utilizza sistemi di informazione geografica digitalizzati per pratiche agricole di precisione come la mappatura del suolo, che consente applicazioni precise di fertilizzanti e prodotti chimici e la scelta della selezione dei semi per un'agricoltura più efficiente e redditizia.

Yang e i suoi colleghi hanno dovuto affrontare problemi di stabilità, che sono stati gestiti dall'app dei sistemi operativi personalizzati che hanno sviluppato, e miniaturizzazione di ingombranti sistemi di misura di laboratorio.

"Abbiamo sviluppato un'app per smartphone per controllare il sistema di rilevamento tramite WiFi, " Yang ha detto. "Collegando il sistema di sensori a Internet, possiamo realizzare il controllo remoto in tempo reale del sistema."

A giugno 2017, Yang e il suo gruppo hanno montato l'intero sistema sulla parete esterna di un edificio e hanno accumulato un grafico dello spostamento di frequenza della risonanza. Hanno confrontato i loro dati con il termometro commerciale.

"Grazie alle loro piccole dimensioni, la capacità e la flessibilità dei sensori fotonici wireless possono essere migliorate rendendoli mobili, " ha detto Yang.

I ricercatori hanno anche montato il loro sistema su un drone senza pilota nel maggio 2017 insieme al termometro commerciale. Quando il drone è volato da una posizione di misurazione ad altre, la frequenza di risonanza del WGM si è spostata in risposta alle variazioni di temperatura.

"Le misurazioni combaciavano bene con i risultati del termometro commerciale, " ha detto. "Le dimostrazioni di successo mostrano le potenziali applicazioni del nostro sensore WGM wireless nell'IoT. Ci sono numerose applicazioni di rilevamento promettenti possibili con la tecnologia WGM, compreso magnetico, acustico, rilevamento ambientale e medico."

La miniaturizzazione dei sistemi di rilevamento dei risonatori rappresenta un'entusiasmante opportunità per l'IoT, poiché consentirà all'IoT di sfruttare una nuova classe di sensori fotonici con sensibilità e capacità senza precedenti, " disse Chenyang Lu, il Professore ordinario presso il Dipartimento di Informatica e Ingegneria e co-autore del documento.