新型无限WGM传感器在物联网中的潜力

在物联网中，无线传感器被大量分布在空间中以监控物理环境如温度、湿度和空气压力等，并在许多领域内得到了广泛的应用，如环境监测、健康护理监测、智慧城市、精准农业等。无线传感器可以采集、分析和传输其对环境的测量结果。

　　目前，在物联网中使用的无线传感器主要基于在许多情况下可能会遭受电磁干扰的电子设备。但光学传感器不受电磁干扰影响，在恶劣环境中具有显著优势。再者，通过引入光学谐振来增强光与物质的相互作用，基于谐振器的光学传感器具有极小的空间占用率、极高的敏感度和多样化的功能等优势，这可以明显地增强无线传感器的性能和灵活性。

　　在这里，我们首次演示了基于回音壁模式(WGM)光学谐振器的无线光子传感器节点，其中光通过连续的全内反射沿着球体、圆盘或环形等结构的圆形边缘传播。在演示中对传感器节点通过定制的iOS应用程序进行控制，并在两个实际场景中对其性能进行了研究：(1)实时测量12小时以上的空气温度;(2)使用安装在无人机上的传感器节点对温度分布进行航测。

　　我们的演示证明了WGM光学传感器在实际应用中的能力，并为物联网大规模部署WGM传感器铺平了道路。

　　无线WGM传感器的实验演示

　　高质量WGM光学谐振器通过全内反射将光限制在小体积内，可以明显增强光与物质的相互作用，并使许多包括微激光器、光力学和非埃尔米特光学等在内的应用受益。

　　当受环境变化影响时，WGM谐振器将经历其频谱特性的变化，例如频移/分裂和线宽拓展。基于这样的机制，WGM谐振器已经在各种传感器中有所应用，包括热传感器、湿度传感器、磁力计、纳米颗粒/生物分子检测和原子离子检测等。

　　这次成功的实验演示推动了WGM传感器在实际中的应用。然而，在这次演示中所选择的系统必须解决两个有议论性的挑战，以充分实现谐振器技术在实际应用中的功效：(1)光子谐振器及其耦合器的稳定性，例如光纤锥形波导;(2)大型实验室测量系统的小型化。

　　最近在WGM谐振器领域内的几项开创性工作已经得到论证，例如WGM光学陀螺仪和电话大小的WGM传感系统。WGM传感系统将单个WGM传感器及其耦合器、激光器、光电探测器和相关控制组件集成到便携式设备中。其中WGM传感器的潜力可以通过集成无线接口作为物联网系统的一部分而进一步提高。

　　在这次演示中，我们展示了一个可以集成到物联网的无线WGM传感器节点，并同时开发了一个定制的iOS应用程序，用于远程系统控制、采集和分析传感信号。传感器节点作为无线传感器网络(WSN)的关键要素，应该具有采集传感信号、进行信号分析，并与其他传感器节点或网关传感器节点进行通信的能力;而通过这个定制的应用程序，我们可以实时监控WGM传感器的光谱特性。

　　无线WGM传感系统的架构

　　无线WGM传感器节点的体系架构如图1所示 ，包括传感模块、微控制器、Wi-Fi单元及其电源。

 

　　图1：无线WGM传感系统

　　补充材料：利用可调谐单模分布式布拉格反射器(DBR)激光器的光来探测封装的WGM传感器。从传感器耦合的光被发送到具有传输放大器(TIA)的光电探测器。ARM Cortex-M3处理器负责控制外围设备，包括激光电流驱动器(the laser current drive)、热电冷却器(TEC)控制器、监控电路(monitoring circuit)和Wi-Fi。传感系统由智能手机中的iOS应用程序通过Wi-Fi单元进行远程控制。a表示该系统所有的电子元器件;b表示用于无线控制传感系统的定制iOS应用程序的屏幕截图，该程序既可以实时监测和调控系统参数如电流和温度等，又可以实时获取和分析封装传感器的透射光谱;c表示集成了所有电子元器件的主板照片，主板尺寸约为124 mm×67 mm。

　　在传感模块中，使用可调谐单模分布式布拉格反射器(DBR)激光器来探测封装的WGM传感器时，来自传感器的输出由光电二极管检测器接收。DBR激光器的工作通过其电流驱动器和热电冷却器(TEC)来控制。跨阻抗放大器(TIA)电路与光电二极管检测器相关联，并将光电二极管电流转换为具有适当增益的电压输出。用作微控制器的ARM Cortex-M3处理器(出自瑞士的意法半导体)，具有两个主要功能：一是对电压、电流和温度等的激光控制;二是获取WGM传感器的透射光谱。

　　传感器节点和智能手机之间的通信是通过Wi-Fi进行的，Wi-Fi有助于传输传感信号并从定制的应用程序中接收命令。通过将Wi-Fi连接到Internet，可以在全球范围内实现对该系统的实时控制。我们还在主板(如图1c中展示的主板全尺寸视图)中嵌入了一个系统监控电路，用于监控关键参数，如电源和微控制器的电压以及激光二极管的电压、电流和温度。

　　该系统中使用的传感器是封装的WGM微型谐振器，它是用紫外光固化低折射率聚合物及其光纤锥形波导来封装微环而制成的。这样封装的WGM传感器具有高质量因素和长期稳定性。

　　来自DBR激光器的中心波长为976nm、线宽为10MHz的激光被送入封装的WGM传感器，然后由光电探测器接收。激光的频率可以通过对激光电流和TEC温度的调节而进行调节，其调谐系数分别为0.002nm / mA和0.07nm /℃。将具有40mA幅度的锯齿波应用到固定中心电流周围的激光二极管上，对激光的频率进行线性扫描后，可以获得WGM传感器的透射光谱。

　　定制的iOS应用程序的界面如图1b所示。该应用程序可以实时监测系统的关键参数，并远程控制主板，如设置激光二极管电流和温度、调谐激光频率;它还可以每秒50帧的波形更新速率通过Wi-Fi来接收WGM传感器的传输频谱。

　　此外，通过综合精确算法，应用程序可以进行实时分析，例如测量谐振频率、线宽和品质因数。补充材料中提供了此iOS应用程序的详细信息以及分步指南。

　　无线传感系统的特征

我们首先使用应用程序显现了封装的WGM传感器的光谱特性，传输频谱如图2a所示，频率跨度为450 GHz，从而可以观察到具有不同共振频率、品质因数和极化的多个共振模式。具有更高品质因数的谐振模式将有助于解决更小的频率漂移，从而提高传感性能。图2b给出了高质量模式和洛伦兹拟合的透射光谱，品质因数为~4.2×1。为了验证整个系统的稳定性，记录共振模式线宽的时间轨迹为15分钟，观察到3.15GHz的平均线宽，标准偏差为0.03GHz(图2c)。

 

　　图2：无线传感系统的特征

　　传输频谱：Transmission spectrum;频率失谐：Frequency detuning

　　补充材料：

　　a频率跨度为450 GHz的封装WGM传感器的传输频谱，可以在传感应用中获得具有不同线宽和极化的多个谐振模式。

b具有洛伦兹拟合的谐振模式(在a中用虚线框标记)的透射光谱，品质因数为无线传感器系统谐振模式线宽的～4.2×1μc。

　　c无线传感系统中谐振模式线宽的时间轨迹。

　　基于无线传感系统的气温测量

　　采用上述无线传感系统，我们于2017年6月18日在美国密苏里州圣路易斯进行了12小时的气温实时测量。整个系统安装在建筑物的外墙上，封装的WGM传感器与周围空气完全接触，并受到阳光直接照射而不受保护。

　　为了避免测量过程中的偏振变化，我们将封装的传感器与主板连接的光纤谨慎地安装好。然后通过定制的应用程序监测由气温变化引起的共振频率的变化。为了比较，我们还将商用温度计与封装传感器一起安装。

　　通过12小时的测量，我们获得了所选谐振模式的频移图(如图3所示) ，封装WGM传感器的共振频率偏移与商用温度计的结果匹配良好，并且与温度变化具有线性关系(图 3插图)。两条曲线的小偏差主要来自激光频率的不稳定性，通过优化激光电流驱动器和TEC控制器的电路设计可以将偏差最小化。

 

　　图3：空气温度测量

　　WGM频移：WGM frequency shift

　　补充材料：2017年6月18日，美国密苏里州圣路易斯市将无线传感系统部署在室外，监测气温从上午8:30到晚上8:30的变化。红色圆圈表示所选谐振模式相对于时间的频移，蓝色方块表示商用温度计对温度变化的测量。插图显示了共振频率偏移对温度变化的线性关系，其中蓝色方块表示实验测量，黑色虚线表示实验结果的线性拟合。

　　基于无线传感系统的航空测绘

　　将移动性引入无线传感器节点可以提高无线传感器网络的性能和灵活性，并有助于满足某些复杂动态变化场景的需要。

　　在这里，我们使用无人机携带整个系统来测量2017年5月14日圣路易斯城市公园选定区域的温度分布(见图 4a)，还安装了带蓝牙连接的商用温度计和封装的WGM传感器来进行比较。无人机的飞行路径如图4b所示 ，其起始位置和结束位置已被标记。

　　当无人机从一个测量位置飞到另一个测量位置时，WGM传感器的共振频率由于温度变化而发生变化，共振频率的变化如图4b所示 ，其中可以清楚地看到温度变化的梯度，测量结果与商用温度计的结果匹配良好(图 4c)。在补充材料中我们提供了视频演示，其中携带整个系统的无人机从具有较高温度(在阳光下)的一个位置飞行到具有较低温度(在阴影中)的另一个位置，使用定制的移动应用程序可以清楚地观察到共振频率的偏移。

 

　　图4：温度分布的航空测绘

   补充材料：

　　在圣路易斯一个城市公园里，一架无人机携带无线传感系统来测量一个选定区域的温度分布。带有蓝牙连接的商业温度计与封装传感器一起安装进行比较。a表示无人机的照片，带有无线传感系统(用红色虚线椭圆标记);b表示当无人机在选定的环路中飞行时所选择的共振模式的频移，已标记开始和结束位置，起始位置的共振频率设定为零，颜色条表示频移量。c表示将测量的频率偏移与商用温度计的结果进行比较，增加的数字表示当无人机从起始位置飞到结束位置时的测量位置。