新型無限WGM傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中的潛力

　　在物聯(lián)網(wǎng)中，無線傳感器被大量分布在空間中以監(jiān)控物理環(huán)境如溫度、濕度和空氣壓力等，并在許多領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，如環(huán)境監(jiān)測、健康護(hù)理監(jiān)測、智慧城市、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等。無線傳感器可以采集、分析和傳輸其對環(huán)境的測量結(jié)果。

　　目前，在物聯(lián)網(wǎng)中使用的無線傳感器主要基于在許多情況下可能會遭受電磁干擾的電子設(shè)備。但光學(xué)傳感器不受電磁干擾影響，在惡劣環(huán)境中具有顯著優(yōu)勢。再者，通過引入光學(xué)諧振來增強(qiáng)光與物質(zhì)的相互作用，基于諧振器的光學(xué)傳感器具有極小的空間占用率、極高的敏感度和多樣化的功能等優(yōu)勢，這可以明顯地增強(qiáng)無線傳感器的性能和靈活性。

　　在這里，我們首次演示了基于回音壁模式(WGM)光學(xué)諧振器的無線光子傳感器節(jié)點(diǎn)，其中光通過連續(xù)的全內(nèi)反射沿著球體、圓盤或環(huán)形等結(jié)構(gòu)的圓形邊緣傳播。在演示中對傳感器節(jié)點(diǎn)通過定制的iOS應(yīng)用程序進(jìn)行控制，并在兩個實(shí)際場景中對其性能進(jìn)行了研究：(1)實(shí)時測量12小時以上的空氣溫度;(2)使用安裝在無人機(jī)上的傳感器節(jié)點(diǎn)對溫度分布進(jìn)行航測。

　　我們的演示證明了WGM光學(xué)傳感器在實(shí)際應(yīng)用中的能力，并為物聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模部署WGM傳感器鋪平了道路。

　　無線WGM傳感器的實(shí)驗(yàn)演示

　　高質(zhì)量WGM光學(xué)諧振器通過全內(nèi)反射將光限制在小體積內(nèi)，可以明顯增強(qiáng)光與物質(zhì)的相互作用，并使許多包括微激光器、光力學(xué)和非埃爾米特光學(xué)等在內(nèi)的應(yīng)用受益。

　　當(dāng)受環(huán)境變化影響時，WGM諧振器將經(jīng)歷其頻譜特性的變化，例如頻移/分裂和線寬拓展?；谶@樣的機(jī)制，WGM諧振器已經(jīng)在各種傳感器中有所應(yīng)用，包括熱傳感器、濕度傳感器、磁力計(jì)、納米顆粒/生物分子檢測和原子離子檢測等。

　　這次成功的實(shí)驗(yàn)演示推動了WGM傳感器在實(shí)際中的應(yīng)用。然而，在這次演示中所選擇的系統(tǒng)必須解決兩個有議論性的挑戰(zhàn)，以充分實(shí)現(xiàn)諧振器技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的功效：(1)光子諧振器及其耦合器的穩(wěn)定性，例如光纖錐形波導(dǎo);(2)大型實(shí)驗(yàn)室測量系統(tǒng)的小型化。

　　最近在WGM諧振器領(lǐng)域內(nèi)的幾項(xiàng)開創(chuàng)性工作已經(jīng)得到論證，例如WGM光學(xué)陀螺儀和電話大小的WGM傳感系統(tǒng)。WGM傳感系統(tǒng)將單個WGM傳感器及其耦合器、激光器、光電探測器和相關(guān)控制組件集成到便攜式設(shè)備中。其中WGM傳感器的潛力可以通過集成無線接口作為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的一部分而進(jìn)一步提高。

　　在這次演示中，我們展示了一個可以集成到物聯(lián)網(wǎng)的無線WGM傳感器節(jié)點(diǎn)，并同時開發(fā)了一個定制的iOS應(yīng)用程序，用于遠(yuǎn)程系統(tǒng)控制、采集和分析傳感信號。傳感器節(jié)點(diǎn)作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)的關(guān)鍵要素，應(yīng)該具有采集傳感信號、進(jìn)行信號分析，并與其他傳感器節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)關(guān)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信的能力;而通過這個定制的應(yīng)用程序，我們可以實(shí)時監(jiān)控WGM傳感器的光譜特性。

　　無線WGM傳感系統(tǒng)的架構(gòu)

　　無線WGM傳感器節(jié)點(diǎn)的體系架構(gòu)如圖1所示 ，包括傳感模塊、微控制器、Wi-Fi單元及其電源。

　　圖1：無線WGM傳感系統(tǒng)

　　補(bǔ)充材料：利用可調(diào)諧單模分布式布拉格反射器(DBR)激光器的光來探測封裝的WGM傳感器。從傳感器耦合的光被發(fā)送到具有傳輸放大器(TIA)的光電探測器。ARM Cortex-M3處理器負(fù)責(zé)控制外圍設(shè)備，包括激光電流驅(qū)動器(the laser current drive)、熱電冷卻器(TEC)控制器、監(jiān)控電路(monitoring circuit)和Wi-Fi。傳感系統(tǒng)由智能手機(jī)中的iOS應(yīng)用程序通過Wi-Fi單元進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。a表示該系統(tǒng)所有的電子元器件;b表示用于無線控制傳感系統(tǒng)的定制iOS應(yīng)用程序的屏幕截圖，該程序既可以實(shí)時監(jiān)測和調(diào)控系統(tǒng)參數(shù)如電流和溫度等，又可以實(shí)時獲取和分析封裝傳感器的透射光譜;c表示集成了所有電子元器件的主板照片，主板尺寸約為124 mm×67 mm。

　　在傳感模塊中，使用可調(diào)諧單模分布式布拉格反射器(DBR)激光器來探測封裝的WGM傳感器時，來自傳感器的輸出由光電二極管檢測器接收。DBR激光器的工作通過其電流驅(qū)動器和熱電冷卻器(TEC)來控制?？缱杩狗糯笃?TIA)電路與光電二極管檢測器相關(guān)聯(lián)，并將光電二極管電流轉(zhuǎn)換為具有適當(dāng)增益的電壓輸出。用作微控制器的ARM Cortex-M3處理器(出自瑞士的意法半導(dǎo)體)，具有兩個主要功能：一是對電壓、電流和溫度等的激光控制;二是獲取WGM傳感器的透射光譜。

　　傳感器節(jié)點(diǎn)和智能手機(jī)之間的通信是通過Wi-Fi進(jìn)行的，Wi-Fi有助于傳輸傳感信號并從定制的應(yīng)用程序中接收命令。通過將Wi-Fi連接到Internet，可以在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對該系統(tǒng)的實(shí)時控制。我們還在主板(如圖1c中展示的主板全尺寸視圖)中嵌入了一個系統(tǒng)監(jiān)控電路，用于監(jiān)控關(guān)鍵參數(shù)，如電源和微控制器的電壓以及激光二極管的電壓、電流和溫度。

　　該系統(tǒng)中使用的傳感器是封裝的WGM微型諧振器，它是用紫外光固化低折射率聚合物及其光纖錐形波導(dǎo)來封裝微環(huán)而制成的。這樣封裝的WGM傳感器具有高質(zhì)量因素和長期穩(wěn)定性。

　　來自DBR激光器的中心波長為976nm、線寬為10MHz的激光被送入封裝的WGM傳感器，然后由光電探測器接收。激光的頻率可以通過對激光電流和TEC溫度的調(diào)節(jié)而進(jìn)行調(diào)節(jié)，其調(diào)諧系數(shù)分別為0.002nm / mA和0.07nm /℃。將具有40mA幅度的鋸齒波應(yīng)用到固定中心電流周圍的激光二極管上，對激光的頻率進(jìn)行線性掃描后，可以獲得WGM傳感器的透射光譜。

　　定制的iOS應(yīng)用程序的界面如圖1b所示。該應(yīng)用程序可以實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，并遠(yuǎn)程控制主板，如設(shè)置激光二極管電流和溫度、調(diào)諧激光頻率;它還可以每秒50幀的波形更新速率通過Wi-Fi來接收WGM傳感器的傳輸頻譜。

　　此外，通過綜合精確算法，應(yīng)用程序可以進(jìn)行實(shí)時分析，例如測量諧振頻率、線寬和品質(zhì)因數(shù)。補(bǔ)充材料中提供了此iOS應(yīng)用程序的詳細(xì)信息以及分步指南。

　　無線傳感系統(tǒng)的特征

我們首先使用應(yīng)用程序顯現(xiàn)了封裝的WGM傳感器的光譜特性，傳輸頻譜如圖2a所示，頻率跨度為450 GHz，從而可以觀察到具有不同共振頻率、品質(zhì)因數(shù)和極化的多個共振模式。具有更高品質(zhì)因數(shù)的諧振模式將有助于解決更小的頻率漂移，從而提高傳感性能。圖2b給出了高質(zhì)量模式和洛倫茲擬合的透射光譜，品質(zhì)因數(shù)為~4.2×1。為了驗(yàn)證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，記錄共振模式線寬的時間軌跡為15分鐘，觀察到3.15GHz的平均線寬，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.03GHz(圖2c)。

　　圖2：無線傳感系統(tǒng)的特征

　　傳輸頻譜：Transmission spectrum;頻率失諧：Frequency detuning

　　補(bǔ)充材料：

　　a頻率跨度為450 GHz的封裝WGM傳感器的傳輸頻譜，可以在傳感應(yīng)用中獲得具有不同線寬和極化的多個諧振模式。

b具有洛倫茲擬合的諧振模式(在a中用虛線框標(biāo)記)的透射光譜，品質(zhì)因數(shù)為無線傳感器系統(tǒng)諧振模式線寬的～4.2×1

μc。

　　c無線傳感系統(tǒng)中諧振模式線寬的時間軌跡。

　　基于無線傳感系統(tǒng)的氣溫測量

　　采用上述無線傳感系統(tǒng)，我們于2017年6月18日在美國密蘇里州圣路易斯進(jìn)行了12小時的氣溫實(shí)時測量。整個系統(tǒng)安裝在建筑物的外墻上，封裝的WGM傳感器與周圍空氣完全接觸，并受到陽光直接照射而不受保護(hù)。

　　為了避免測量過程中的偏振變化，我們將封裝的傳感器與主板連接的光纖謹(jǐn)慎地安裝好。然后通過定制的應(yīng)用程序監(jiān)測由氣溫變化引起的共振頻率的變化。為了比較，我們還將商用溫度計(jì)與封裝傳感器一起安裝。

　　通過12小時的測量，我們獲得了所選諧振模式的頻移圖(如圖3所示) ，封裝WGM傳感器的共振頻率偏移與商用溫度計(jì)的結(jié)果匹配良好，并且與溫度變化具有線性關(guān)系(圖 3插圖)。兩條曲線的小偏差主要來自激光頻率的不穩(wěn)定性，通過優(yōu)化激光電流驅(qū)動器和TEC控制器的電路設(shè)計(jì)可以將偏差最小化。

　　圖3：空氣溫度測量

　　WGM頻移：WGM frequency shift

　　補(bǔ)充材料：2017年6月18日，美國密蘇里州圣路易斯市將無線傳感系統(tǒng)部署在室外，監(jiān)測氣溫從上午8:30到晚上8:30的變化。紅色圓圈表示所選諧振模式相對于時間的頻移，藍(lán)色方塊表示商用溫度計(jì)對溫度變化的測量。插圖顯示了共振頻率偏移對溫度變化的線性關(guān)系，其中藍(lán)色方塊表示實(shí)驗(yàn)測量，黑色虛線表示實(shí)驗(yàn)結(jié)果的線性擬合。

　　基于無線傳感系統(tǒng)的航空測繪

　　將移動性引入無線傳感器節(jié)點(diǎn)可以提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能和靈活性，并有助于滿足某些復(fù)雜動態(tài)變化場景的需要。

　　在這里，我們使用無人機(jī)攜帶整個系統(tǒng)來測量2017年5月14日圣路易斯城市公園選定區(qū)域的溫度分布(見圖 4a)，還安裝了帶藍(lán)牙連接的商用溫度計(jì)和封裝的WGM傳感器來進(jìn)行比較。無人機(jī)的飛行路徑如圖4b所示 ，其起始位置和結(jié)束位置已被標(biāo)記。

　　當(dāng)無人機(jī)從一個測量位置飛到另一個測量位置時，WGM傳感器的共振頻率由于溫度變化而發(fā)生變化，共振頻率的變化如圖4b所示 ，其中可以清楚地看到溫度變化的梯度，測量結(jié)果與商用溫度計(jì)的結(jié)果匹配良好(圖 4c)。在補(bǔ)充材料中我們提供了視頻演示，其中攜帶整個系統(tǒng)的無人機(jī)從具有較高溫度(在陽光下)的一個位置飛行到具有較低溫度(在陰影中)的另一個位置，使用定制的移動應(yīng)用程序可以清楚地觀察到共振頻率的偏移。

　　圖4：溫度分布的航空測繪

　　補(bǔ)充材料：

　　在圣路易斯一個城市公園里，一架無人機(jī)攜帶無線傳感系統(tǒng)來測量一個選定區(qū)域的溫度分布。帶有藍(lán)牙連接的商業(yè)溫度計(jì)與封裝傳感器一起安裝進(jìn)行比較。a表示無人機(jī)的照片，帶有無線傳感系統(tǒng)(用紅色虛線橢圓標(biāo)記);b表示當(dāng)無人機(jī)在選定的環(huán)路中飛行時所選擇的共振模式的頻移，已標(biāo)記開始和結(jié)束位置，起始位置的共振頻率設(shè)定為零，顏色條表示頻移量。c表示將測量的頻率偏移與商用溫度計(jì)的結(jié)果進(jìn)行比較，增加的數(shù)字表示當(dāng)無人機(jī)從起始位置飛到結(jié)束位置時的測量位置。

　　寫在最后

　　綜上所述，我們已經(jīng)演示了無線WGM傳感器節(jié)點(diǎn)，并將其用于熱傳感和航空測繪的應(yīng)用。一個定制的iOS應(yīng)用程序使我們能夠監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)，以及實(shí)時采集和分析傳感信號。

　　我們已經(jīng)研究了兩種應(yīng)用場景：一種是測量固定位置的溫度變化;另一個是由無人機(jī)攜帶系統(tǒng)來測量所選區(qū)域的溫度分布。研究的成功展示了我們的無線WGM傳感器節(jié)點(diǎn)在物聯(lián)網(wǎng)中的潛在應(yīng)用。值得注意的是，我們的傳感系統(tǒng)并不局限于熱傳感，通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，封裝的WGM傳感器可以具備各種功能，例如具有高靈敏度和大帶寬的WGM磁力計(jì)。

　　在實(shí)際的傳感場景中，WGM光學(xué)傳感器通常同時受到多重刺激，這會影響測量的準(zhǔn)確度和靈敏度。但是數(shù)字信號處理方法(如最大相似估計(jì))，可以有助于從具有有限數(shù)量的頻譜采樣點(diǎn)的噪聲環(huán)境中提取有用信息。此外，通過信號處理和學(xué)習(xí)方法，我們可以組裝多個WGM傳感器節(jié)點(diǎn)來組成傳感器陣列，以獲得更精確的結(jié)果，同時傳感器陣列還可以幫助識別多個環(huán)境變化和刺激因素。

　　文章來源：《光：科學(xué)與應(yīng)用》第 7 卷

　　原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41377-018-0063-4#Fig2

　　原文標(biāo)題：《用于熱傳感和航空測繪的無線回音壁模式傳感器》