Un equipo de investigadores de la Universidad de Washington en St. Louis es el primero en registrar con éxito datos ambientales utilizando un resonador de sensor fotónico inalámbrico con una arquitectura de modo de galería de susurros (WGM).

Los sensores fotónicos registraron datos durante la primavera de 2017 en dos escenarios:uno fue una medición en tiempo real de la temperatura del aire durante 12 horas, y el otro era un mapeo aéreo de la distribución de la temperatura con un sensor montado en un dron en un parque de la ciudad de St. Louis. Ambas mediciones fueron acompañadas de un termómetro comercial con conexión Bluetooth para fines de comparación. Los datos de los dos se compararon muy favorablemente.

En el gran mundo del "Internet de las cosas" (IoT), Hay una gran cantidad de sensores inalámbricos distribuidos espacialmente que se basan predominantemente en la electrónica. Estos dispositivos a menudo se ven obstaculizados por interferencias electromagnéticas, como señales de audio o visuales perturbadas causadas por un avión en vuelo bajo y un molinillo de cocina que provocan ruidos no deseados en una radio.

Pero los sensores ópticos son "inmunes a la interferencia electromagnética y pueden proporcionar una ventaja significativa en entornos hostiles, "dijo Lan Yang, el Profesor Edwin H. &Florence G. Skinner de Ingeniería Eléctrica y de Sistemas en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas, quien dirigió el estudio cuyos hallazgos se publicaron el 5 de septiembre en Luz:ciencia y aplicaciones .

"Los sensores ópticos basados ​​en resonadores muestran huellas pequeñas, extrema sensibilidad y una serie de funcionalidades, todo lo cual brinda capacidad y flexibilidad a los sensores inalámbricos, ", Dijo Yang." Nuestro trabajo podría allanar el camino para la aplicación a gran escala de sensores WGM en Internet ".

El sensor de Yang pertenece a una categoría llamada resonadores en modo galería susurrante, llamado así porque funcionan como la famosa galería de susurros en la Catedral de St. Paul en Londres, donde alguien en un lado de la cúpula puede escuchar un mensaje dicho a la pared por alguien del otro lado. A diferencia de la cúpula, que tiene resonancias o puntos dulces en el rango audible, el sensor resuena a frecuencias de luz y también a frecuencias vibratorias o mecánicas, como demostraron recientemente Yang y sus colaboradores.

"A diferencia de los equipos de laboratorio del tamaño de una mesa, la placa base del sensor WGM mide apenas 127 milímetros por 67 milímetros (aproximadamente 5 pulgadas por 2,5 pulgadas) e integra toda la arquitectura del sistema de sensores, "dijo Xiangyi Xu, primer autor del artículo y estudiante de posgrado en el laboratorio de Yang. "El sensor en sí está hecho de vidrio y tiene el tamaño de un solo cabello humano; está conectado a la placa base por una única fibra óptica. Se usa una luz láser para sondear un sensor WGM. La luz acoplada del sensor se envía a un fotodetector con un amplificador de transmisión. Un procesador controla periféricos como el controlador de corriente láser, circuito de monitoreo, Nevera termoeléctrica y unidad Wi-Fi, "Dijo Xu.

En su WGM, la luz se propaga a lo largo del borde circular de una estructura por constante reflexión interna. Dentro del borde circular, la luz gira 1 millón de veces. Sobre ese espacio las ondas de luz detectan cambios ambientales, como la temperatura y la humedad, por ejemplo. El nodo del sensor es monitoreado por una aplicación de sistema operativo personalizada que controla el sistema remoto y recopila y analiza las señales de detección.

Sensores inalámbricos, ya sean electrónicos o fotónicos (basados ​​en la luz), puede controlar factores ambientales como la humedad, temperatura y presión del aire. Las aplicaciones de los sensores inalámbricos abarcan la monitorización medioambiental y sanitaria, prácticas agrícolas de precisión y recopilación de datos de ciudades inteligentes, entre otras posibilidades. Las ciudades inteligentes son ciudades conectadas impulsadas por la recolección de datos de Internet. La agricultura de precisión utiliza sistemas de información geográfica digitalizados para prácticas agrícolas de precisión como el mapeo de suelos, lo que permite aplicaciones precisas de fertilizantes y productos químicos y la elección de la selección de semillas para una agricultura más eficiente y rentable.

Yang y sus colegas tuvieron que abordar problemas de estabilidad, que fueron manejados por la aplicación de sistemas operativos personalizados que desarrollaron, y miniaturización de voluminosos sistemas de medición de laboratorio.

"Desarrollamos una aplicación para teléfonos inteligentes para controlar el sistema de detección a través de WiFi, "Dijo Yang." Al conectar el sistema de sensores a Internet, podemos realizar el control remoto en tiempo real del sistema ".

En junio de 2017, Yang y su grupo montaron todo el sistema en la pared exterior de un edificio y acumularon un diagrama del cambio de frecuencia de la resonancia. Compararon sus datos con el termómetro comercial.

"Gracias a su pequeño tamaño, la capacidad y la flexibilidad de los sensores fotónicos inalámbricos se pueden mejorar haciéndolos móviles, "Dijo Yang.

Los investigadores también montaron su sistema en un dron no tripulado en mayo de 2017 junto con el termómetro comercial. Cuando el dron voló de un lugar de medición a otros, la frecuencia de resonancia del WGM cambió en respuesta a las variaciones de temperatura.

"Las mediciones coincidieron bien con los resultados del termómetro comercial, ", dijo." Las demostraciones exitosas muestran las aplicaciones potenciales de nuestro sensor WGM inalámbrico en el IoT. Existen numerosas aplicaciones de detección prometedoras posibles con la tecnología WGM, incluyendo magnético, acústico, detección médica y ambiental ".

La miniaturización de los sistemas de detección por resonador representa una oportunidad emocionante para IoT, ya que permitirá a IoT explotar una nueva clase de sensores fotónicos con una sensibilidad y capacidades sin precedentes, "dijo Chenyang Lu, el profesor Fullgraf en el Departamento de Ingeniería y Ciencias de la Computación y coautor del artículo.