Une équipe de chercheurs de l'Université de Washington à St. Louis est la première à enregistrer avec succès des données environnementales à l'aide d'un résonateur à capteur photonique sans fil doté d'une architecture en mode galerie de chuchotement (WGM).

Les capteurs photoniques ont enregistré des données au printemps 2017 selon deux scénarios :l'un était une mesure en temps réel de la température de l'air sur 12 heures, et l'autre était une cartographie aérienne de la distribution de la température avec un capteur monté sur un drone dans un parc de la ville de St. Louis. Les deux mesures étaient accompagnées d'un thermomètre commercial avec une connexion Bluetooth à des fins de comparaison. Les données des deux se comparaient très favorablement.

Dans le grand monde de "l'internet des objets" (IoT), il existe un grand nombre de capteurs sans fil répartis dans l'espace, principalement basés sur l'électronique. Ces appareils sont souvent entravés par des interférences électromagnétiques, tels que des signaux audio ou visuels perturbés causés par un avion volant à basse altitude et un moulin de cuisine provoquant des bruits indésirables sur une radio.

Mais les capteurs optiques sont "immunisés contre les interférences électromagnétiques et peuvent offrir un avantage significatif dans les environnements difficiles, " dit Lan Yang, le professeur Edwin H. &Florence G. Skinner d'ingénierie électrique et des systèmes à la School of Engineering &Applied Science, qui a dirigé l'étude dont les résultats ont été publiés le 5 septembre dans Lumière :science et applications .

"Les capteurs optiques à base de résonateurs présentent de faibles empreintes, une extrême sensibilité et de nombreuses fonctionnalités, qui confèrent toutes capacité et flexibilité aux capteurs sans fil, ", a déclaré Yang. "Notre travail pourrait ouvrir la voie à une application à grande échelle des capteurs WGM sur Internet."

Le capteur de Yang appartient à une catégorie appelée résonateurs en mode galerie chuchotant, ainsi nommés parce qu'ils fonctionnent comme la célèbre galerie des chuchotements de la cathédrale Saint-Paul de Londres, où quelqu'un d'un côté du dôme peut entendre un message prononcé au mur par quelqu'un de l'autre côté. Contrairement au dôme, qui a des résonances ou des points doux dans la gamme audible, le capteur résonne à des fréquences lumineuses et également à des fréquences vibratoires ou mécaniques, comme Yang et ses collaborateurs l'ont récemment montré.

"Contrairement à l'équipement de laboratoire existant de la taille d'une table, la carte mère du capteur WGM ne mesure que 127 millimètres sur 67 millimètres, soit environ 5 pouces sur 2,5 pouces, et intègre toute l'architecture du système de capteurs, " dit Xiangyi Xu, le premier auteur de l'article et un étudiant diplômé du laboratoire de Yang. « Le capteur lui-même est en verre et a la taille d'un seul cheveu humain ; il est connecté à la carte mère par une seule fibre optique. Une lumière laser est utilisée pour sonder un capteur WGM. La lumière couplée hors du capteur est envoyée à un photodétecteur avec un amplificateur de transmission.Un processeur contrôle des périphériques tels que le lecteur de courant laser, circuit de surveillance, glacière thermo-électrique et unité Wi-Fi, " dit Xu.

Dans son WGM, la lumière se propage le long du bord circulaire d'une structure par réflexion interne constante. A l'intérieur du rebord circulaire, la lumière tourne 1 million de fois. Sur cet espace, les ondes lumineuses détectent les changements environnementaux, comme la température et l'humidité, par exemple. Le nœud de capteur est surveillé par une application de système d'exploitation personnalisée qui contrôle le système distant et collecte et analyse les signaux de détection.

Capteurs sans fil, qu'elles soient électroniques ou photoniques (à base de lumière), peut surveiller des facteurs environnementaux tels que l'humidité, température et pression atmosphérique. Les applications des capteurs sans fil englobent la surveillance de l'environnement et des soins de santé, pratiques agricoles de précision et collecte de données des villes intelligentes, entre autres possibilités. Les villes intelligentes sont des villes connectées animées par la collecte de données sur Internet. L'agriculture de précision utilise des systèmes d'information géographique numérisés pour des pratiques agricoles de précision telles que la cartographie des sols, qui permet des applications précises d'engrais et de produits chimiques et le choix de la sélection de semences pour une agriculture plus efficace et plus rentable.

Yang et ses collègues ont dû résoudre des problèmes de stabilité, qui ont été gérés par l'application de systèmes d'exploitation personnalisés qu'ils ont développées, et la miniaturisation des systèmes de mesure de laboratoire encombrants.

"Nous avons développé une application pour smartphone pour contrôler le système de détection via WiFi, " a déclaré Yang. " En connectant le système de capteurs à Internet, nous pouvons réaliser un contrôle à distance en temps réel du système."

En juin 2017, Yang et son groupe ont monté l'ensemble du système sur le mur extérieur d'un bâtiment et ont accumulé un tracé du décalage de fréquence de la résonance. Ils ont comparé leurs données avec le thermomètre commercial.

"Grâce à leur petite taille, la capacité et la flexibilité des capteurs photoniques sans fil peuvent être améliorées en les rendant mobiles, " a dit Yang.

Les chercheurs ont également monté leur système sur un drone sans pilote en mai 2017 à côté du thermomètre commercial. Lorsque le drone a volé d'un emplacement de mesure à d'autres, la fréquence de résonance du WGM s'est déplacée en réponse aux variations de température.

"Les mesures correspondaient bien aux résultats du thermomètre commercial, ", a-t-elle déclaré. "Les démonstrations réussies montrent les applications potentielles de notre capteur WGM sans fil dans l'IoT. Il existe de nombreuses applications de détection prometteuses possibles avec la technologie WGM, y compris magnétique, acoustique, détection environnementale et médicale."

La miniaturisation des systèmes de détection par résonateur représente une opportunité passionnante pour l'IoT, car il permettra à l'IoT d'exploiter une nouvelle classe de capteurs photoniques avec une sensibilité et des capacités sans précédent, " dit Chenyang Lu, professeur Fullgraf au Département d'informatique et d'ingénierie et co-auteur de l'article.