Forschung -

"Internet der photonischen Dinge" mit Miniatursensoren

Whispering Gallery Mode Resonatoren oder WGMRs zeichneten erstmals in Echtzeit Temperaturdaten auf, und montiert auf einer Drohne, erfassten komplette Temperaturverteilungen.

Einem Forscherteam der Washington University in St. Louis gelang es als erstem Expertenteam, Umweltdaten mit einem drahtlosen photonischen Sensorresonator und einer Whispering-Gallery-Mode (WGM)-Architektur zu registrieren.

Die photonischen Sensoren nahmen Daten unter zwei Testbedingungen auf: zum einen eine Echtzeitmessung der Lufttemperatur über 12 Stunden und zum anderen eine Luftaufnahme der Temperaturverteilung mit einem Sensor, der auf eine Drohne in einem Stadtpark von St. Louis montiert war.

Beide Messungen wurden zum Vergleich von einem handelsüblichen Thermometer mit Bluetooth-Verbindung begleitet. Die Daten der beiden Messungen verglichen sich sehr vorteilhaft.

In der großen Welt des "Internet der Dinge" (IoT) gibt es eine Vielzahl von räumlich verteilten drahtlosen Sensoren, die überwiegend auf Elektronik basieren.

Diese Geräte werden oft durch elektromagnetische Störungen behindert, wie zum Beispiel gestörte akustische oder visuelle Signale, die zum Beispiel durch ein tief fliegendes Flugzeug oder eine Küchenmaschine verursacht werden, die wiederum unerwünschte Geräusche in Radios verursachen.

Aber optische Sensoren sind "immun gegen elektromagnetische Störungen und können in rauen Umgebungen einen großen Vorteil bieten", sagte Professorin Lan Yang von der 'School of Engineering & Applied Science', die die Studie leitete.

"Optische Sensoren, die auf Resonatoren basieren, bieten kleine Grundflächen, extreme Empfindlichkeit und eine Reihe von Funktionalitäten, die alle den drahtlosen Sensoren zahlreiche Fähigkeiten und Flexibilität verleihen", sagte Yang. "Unsere Arbeit könnte den Weg für den groß angelegten Einsatz von WGM-Sensoren im Internet ebnen."

Yangs Sensor gehört zu der Kategorie der flüsternden Galerie-Modus-Resonatoren, so genannt, weil sie wie die berühmte flüsternde Galerie in der St. Paul's Cathedral in London funktionieren, wo jemand auf der einen Seite der Kuppel eine Nachricht hören kann, die von jemandem auf der anderen Seite an die Wand gesprochen wird.

Im Gegensatz zur Kuppel, die Resonanzen oder "Sweetspots" im Hörbereich aufweist, schwingt der Sensor bei Lichtfrequenzen sowie bei mechanischen und Vibrationsfrequenzen, wie Yang und ihre Mitarbeiter kürzlich zeigten.

"Im Gegensatz zu den vorhandenen Labortischgeräten betragen die Abmessungen der Hauptplatine des WGM-Sensors nur 127 mm x 67 mm, und integriert die gesamte Architektur des Sensorsystems", sagte Doktorand Xiangyi Xu, Erstautor der Forschungsarbeit.

"Der Sensor selbst besteht aus Glas und hat die Größe eines menschlichen Haares; er ist durch eine einzige Glasfaser mit der Hauptplatine verbunden", sagte Xu.

"Mit einem Laserlicht wird der WGM-Sensor geprüft. Aus dem Sensor ausgekoppeltes Licht wird mit einem Übertragungsverstärker an einen Fotodetektor geleitet. Ein Prozessor steuert die Peripheriegeräte, wie die Laseransteuerung, die Überwachungsschaltung, den thermoelektrischen Kühler und die Wi-Fi-Einheit."

In ihrer WGM breitet sich das Licht entlang eines kreisförmigen Strukturrandes durch ständige innere Reflexionen aus. Innerhalb des runden Randes rotiert das Licht 1 Million Mal.

Über diesem Raum erfassen Lichtwellen Umweltveränderungen, wie zum Beispiel Temperatur und Luftfeuchtigkeit. Der Sensornode wird von einer speziellen Betriebssystem-App überwacht, die das räumlich entfernte System steuert und Sensorsignale sammelt und analysiert.

Drahtlose Sensoren, ob elektronische oder photonische (lichtbasiert), können Umweltfaktoren wie Feuchtigkeit, Temperatur und Luftdruck überwachen. Anwendungen für drahtlose Sensoren umfassen unter anderem Umwelt- und Gesundheitsüberwachungen, präzise landwirtschaftliche Vorgänge und die Datenerfassung in intelligenten Städten.

Smart Cities sind vernetzte Städte, die sich durch das Sammeln von Internetdaten hervorheben. Die Präzisionslandwirtschaft verwendet digitalisierte geografische Informationssysteme für präzise landwirtschaftliche Praktiken, wie zum Beispiel die Bodenkartierung, die eine präzise Anwendung von Düngemitteln und Chemikalien sowie die richtige Saatgutauswahl für eine effizientere und rentablere Landwirtschaft ermöglicht.

Yang und ihre Kollegen mussten sich mit Stabilitätsproblemen der Plattform befassen, die mit einer speziell entwickelten maßgeschneiderten Betriebssystem-Applikation und der Miniaturisierung sperriger Labormesssysteme gelöst wurden.

"Wir entwickelten eine Smartphone-App, um das Sensorsystem über WiFi zu steuern", sagte Yang. "Durch die Verbindung des Sensorsystems mit dem Internet können wir eine Echtzeit-Fernsteuerung des Systems realisieren."

Bereits früher montierten Yang und ihre Gruppe das gesamte System an die Außenwand eines Gebäudes und sammelten ein Diagramm der Frequenzverschiebungen der Resonanz. Sie verglichen ihre Daten mit denen eines handelsüblichen Thermometers.

"Dank ihrer geringen Größe können die Leistungsfähigkeit und Flexibilität drahtloser photonischer Sensoren verbessert werden, indem man sie mobil macht", sagte Yang.

Weiterhin montierten die Forscher ihr System, neben einem kommerziellen Thermometer, auch auf eine unbemannte Drohne. Als die Drohne von einer Messstelle zur anderen flog, verschob sich die Resonanzfrequenz der WGM als Reaktion auf Temperaturschwankungen.

"Die Messungen passten gut zu den Ergebnissen des kommerziellen Thermometers", sagte Yang. "Die erfolgreichen Demonstrationen zeigen die Einsatzmöglichkeiten unseres drahtlosen WGM-Sensors im IoT. Mit der WGM-Technologie sind zahlreiche viel versprechende Sensoranwendungen möglich, darunter in den Bereichen Magnetismus, Akustik, Umwelt und Medizin."

Schrifttum: Xu X, Chen W, Zhao G, Li Y, Lu C, Yang L. “Wireless whispering gallery mode sensor for thermal sensing and aerial mapping.” Light: Science and Applications.

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