要有光：光学微腔传感器走进物联网

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今日，自然旗下的《光：科学与应用》在线刊登了来自美国圣路易斯华盛顿大学（Washington University in St. Louis）电子工程系杨兰教授研究组和计算机系吕晨阳教授研究组合作的题为“wireless whispering-gallery-mode sensor for thermal sensing and aerial mapping”的文章。该工作首次实现了以光学微腔为传感器的无线物联网设备，开创了超敏感光学微腔传感器在物联网的应用。和传统的电子传感器相比，光学微腔传感器将会为物联网在高精度测量领域的应用带来突破。

物联网（IoT）的基础是空间上大量分布的无线传感设备。利用互联网，他们能够产生、交换和分析数据，从而实现极大量普通物体的实时互联互通。近20年来，物联网一直在改变着我们的生活方式，被大规模地应用于环境监测、医疗监控、智慧城市和精准农业。到目前为止，在物联网领域使用的传感器主要基于电子半导体设备。近年来，微腔光子学在传感领域取得了一系列科学突破，尤其在高精度高敏感测量方面（例如纳米粒子检测）。同时，与电子传感器容易受到外界磁场等环境干扰不同，光学传感器具有电磁免疫的优点，因而可以适用于极端的工作环境。所以微腔光子传感器在物联网领域有巨大潜力。

该工作所提出的光学无线传感器基于一种回音壁模式的光学微腔。这种传感器只有微米量级的尺寸大小，并且具有极高的品质因子，继而拥有极高的灵敏度。但是需要把这种光学微腔传感器引入物联网的应用领域需要克服两大障碍：（1）如何确保输入激光耦合的稳定性，（2）如何把可调谐激光器、示波器、波形发生器、光电二极管、控制电脑等大型实验室平台设备嵌入到只有手机大小的嵌入式系统上。

图一

图一（a）和（c）中可以看到该系统使用了分布式布拉格反射激光器作为光源，并通过器的调谐是通过高精度恒流源电路和热电制冷器温控电路进行调谐。激光通过光纤进入耦合封装好的光学微腔传感器，输出端则接入光电二极管探测器，随后通过跨导放大器电路把光电流信号转化为电压信号并由模数信号转化器采集。整个系统的大脑采用意法半导体的STM32F103微处理器芯片，调节激光器温度、电流、电压 并控制用来连接网络的WiFi模块。图一（b）整个物联网传感设备由定制设计的苹果手机应用软件控制。借助无线互联网的优势，该设备联入互联网即可实现手机端的全球实时控制。该软件名为“microCavity”可以通过苹果应用商店下载。该应用软件需要配合设备来使用，同时也植入了演示功能，能够模拟光学微腔传感器的传输谱线以及各种动画仿真效果的实现。

图二

图二（a）展示了APP控制扫描下得到的频谱宽度为450GHz的光学微腔传感器谱线。我们可以观察到不同品质因子的光学模式。图二（b）展示了一个品质因子为10的5次方量级的模式，为工作中被选用的模式。图二（c）展示了15分钟模式线宽的系统控制的稳定性。

图三

图三展示了一个使用该无线物联网光传感系统采集的美国圣路易斯市2017年6月18日的气温变化曲线。该系统被放置于建筑物外墙上，系统的控制和光学传输谱线以及模式移动的计算依靠手机APP的无线控制采集来实现，并对比了商用温度计的采集数据。

图四

图四（a）（b）展示了用大疆Mavic无人机搭载该系统进入的美国圣路易斯森林公园野餐岛的温度分布扫描实验。从图四（c）中可以观察到该区域的温度梯度分布。

该文章的第一作者是圣路易斯华盛顿大学电子和系统工程系博士研究生许祥益，通讯作者为杨兰教授。合作教授是计算机系吕晨阳教授。杨兰教授是美国圣路易斯华盛顿大学电子和系统工程系Edwin H. & Florence G. Skinner 教授、美国光学学会Fellow，曾获得美国自然科学基金会CAREER奖、美国总统青年科学家奖等奖项。杨兰教授大量研究成果发表在《自然》，《科学》，《自然-光子学》，《自然-物理学》，《自然-纳米科技》，《自然通讯》，《美国国家科学院院刊》等期刊。吕晨阳教授是美国圣路易斯华盛顿大学计算机系Fullgraf 教授、IEEE Fellow。吕晨阳教授是物联网与实时嵌入式系统领域的国际领军学者，曾担任顶级期刊ACM Transactions on Sensor Networks主编，现任IEEE实时系统技术委员会主席。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41377-018-0063-4

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