バーコードが高解像度センサーの範囲を広げる(Barcodes expand range of high-resolution sensor)

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2024-05-08 ワシントン大学セントルイス校

バーコードが高解像度センサーの範囲を広げる(Barcodes expand range of high-resolution sensor)
An innovative optical sensing technology, developed in Yang’s lab at the McKelvey School of Engineering, utilizes multimode resonance to boost sensing capabilities. By analyzing patterns in the resonance spectrum, the innovative barcode technique provides detailed information about the sensor’s surroundings, offering enhanced dynamic range and accuracy in various sensing applications. (Credit: Yang Lab)

ワシントン大学の研究者たちは、ウィスパリングギャラリーモード(WGM)共振器を用いて、光学センサーの精度と範囲を拡張する新技術を開発しました。この技術は、複数の共振モードを同時に監視することで、従来よりも広範な測定が可能となり、理論的には無限の検出範囲を持ちます。特に、環境モニタリングや病気診断などのバイオメディカル分野での応用が期待されています。研究は、複数モードを利用することで、一つのセットアップからより多くの情報を得ることが可能になり、実世界の問題解決に対する新たなアプローチを提供します。

<関連情報>

光ウィスパー・ギャラリーモード・バーコードによるマルチモードセンシング: 高分解能測定のダイナミックレンジを拡大する新ルート Multimode Sensing by Optical Whispering-gallery-mode Barcodes: A New Route to Expand Dynamic Range for High-resolution Measurement

Jie Liao, Lan Yang
IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement  Date of Publication: 18 January 2024
DOI:https://doi.org/10.1109/TIM.2024.3352712

Abstract

Sensors play a vital role in detecting and quantifying various parameters relevant to the physical and biochemical aspects of the world. In the field of optical sensing, Whispering-Gallery-Mode (WGM) microresonators have emerged as promising candidates, offering the advantages of high sensitivity, high resolution, and small footprint. However, conventional sensing methods, which rely on tracking changes in a single mode, have a limited dynamic range of measurement. In this study, we develop a theoretical framework that offers comprehensive analytical insights for multimode-sensing techniques. We demonstrate an optical WGM barcode technique that enables simultaneous monitoring of the patterns of multiple modes that can provide over-FSR (Free spectral range) tracking with high resolution. By analyzing the Cramer–Rao bound (CRB) for resonance shift estimation, we assess the theoretical limits of measurement resolution and dynamic range, independent of specific sensing system and estimation algorithm. Comparative analysis of the CRBs for single-mode sensing and multimode sensing confirms the improvement in resolution and dynamic range achievable through the barcode technique based on the multimode spectrum. This work lays the foundation for developing a high-resolution sensor with superior sensitivity across a drastically expanded dynamic range.

1600情報工学一般
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