PIONEAR — A photonic microphone with better-than-human-ear sound quality
Streszczenie popularnonaukowe
Mikrofony są dziś podstawowym elementem telefonów, komputerów, urządzeń sterowanych głosem, systemów telekonferencyjnych oraz wielu urządzeń przemysłowych. Pomimo ogromnego postępu technologicznego współczesne miniaturowe mikrofony nadal nie potrafią jednocześnie rejestrować najcichszych dźwięków słyszalnych przez człowieka, bardzo głośnych sygnałów oraz pełnego zakresu częstotliwości słyszalnych. Celem projektu PIONEAR jest stworzenie prototypu miniaturowego mikrofonu fotonicznego o parametrach przewyższających możliwości ludzkiego ucha.
Podstawą nowego rozwiązania jest opracowywana w projekcie metoda detekcji chromometrycznej, w której dźwięk jest wykrywany za pomocą światła. Fala akustyczna wprawia w ruch membranę stanowiącą jednocześnie element rezonatora laserowego. Zmiana położenia membrany powoduje zmianę długości rezonatora, a tym samym częstotliwości emitowanego światła. Zamiast mierzyć bardzo małe zmiany sygnału elektrycznego, jak w klasycznych mikrofonach, układ mierzy więc bardzo precyzyjnie zmianę częstotliwości lasera. Pozwala to potencjalnie uzyskać bardzo dużą czułość i zakres dynamiczny przy niewielkim zużyciu energii.
Projekt łączy fotonikę, technologię laserów półprzewodnikowych, mikromechanikę, fotoniczne układy scalone i cyfrowe przetwarzanie sygnałów. Powstaną specjalnie zaprojektowane lasery VCSEL, miniaturowa komora akustyczna z membraną, układ odczytu optycznego oraz technologia integracji wszystkich elementów w kompaktowym urządzeniu.
Cel projektu
Głównym celem projektu PIONEAR jest opracowanie i eksperymentalna demonstracja nowej metody detekcji chromometrycznej oraz wykorzystanie jej do budowy prototypu miniaturowego mikrofonu o bardzo dużej czułości i zakresie dynamicznym. Docelowo mikrofon ma osiągać poziom szumu własnego nie większy niż 0 dB(A) SPL, rejestrować sygnały do co najmniej 130 dB(A) SPL i pracować w paśmie 20 kHz, a więc obejmować zakres przekraczający możliwości ludzkiego słuchu.
Projekt obejmuje opracowanie specjalnych, elektrycznie pompowanych laserów VCSEL zoptymalizowanych do detekcji chromometrycznej, wykonanie mikromechanicznej membrany i komory akustycznej, rozwój technologii micro-transfer printing do integracji elementów oraz opracowanie układu fotonicznego i metod cyfrowego przetwarzania sygnału umożliwiających zamianę zmian częstotliwości optycznej na cyfrowy sygnał audio.
Partnerzy projektu
Konsorcjum PIONEAR tworzą: Lumiary AB, Szwecja – koordynator projektu, OST – Ostschweizer Fachhochschule, Szwajcaria – partner stowarzyszony, VIGO Photonics S.A., Polska, Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Mikroelektroniki i Fotoniki, Polska, University College Cork – Tyndall National Institute, Irlandia, Politechnika Łódzka, Polska, accelopment Schweiz AG, Szwajcaria – partner stowarzyszony.
Partnerzy szwajcarscy uczestniczą w projekcie jako Associated Partners, a ich udział jest finansowany przez Swiss State Secretariat for Education, Research and Innovation (SERI).
Rola Politechniki Łódzkiej w projekcie
Politechnika Łódzka odpowiada przede wszystkim za projektowanie numeryczne i charakteryzację specjalnych laserów VCSEL stanowiących kluczowy element mikrofonu fotonicznego. Zespół PŁ prowadzi zaawansowane symulacje wielofizyczne, analizując wpływ liczby studni kwantowych, położenia i grubości apertury tlenkowej oraz konstrukcji zwierciadeł DBR na możliwość przestrajania długości fali, moc emitowanego światła i inne parametry lasera. Do obliczeń wykorzystywane jest rozwijane na PŁ oprogramowanie PLaSK, uwzględniające wzajemne oddziaływanie zjawisk elektrycznych, cieplnych, optycznych i rekombinacyjnych.
PŁ kieruje zadaniem Task 2.1 – VCSEL design and characterisation of lasers. Pierwsza generacja struktury VCSEL jest projektowana na podstawie symulacji PŁ, a następnie optymalizowana z wykorzystaniem wyników wzrostu epitaksjalnego i processingu realizowanych przez VIGO Photonics i Łukasiewicz-IMiF oraz na podstawie eksperymentalnej charakteryzacji laserów prowadzonej na PŁ. Projektowane przez PŁ struktury stanowią następnie podstawę wzrostu epitaksjalnego laserów 940 nm w VIGO.
Politechnika Łódzka uczestniczy również w opracowaniu technologii VCSEL przeznaczonych do integracji metodą micro-transfer printing. Wspólnie z VIGO i Łukasiewicz-IMiF rezultat ten ma prowadzić do nowych niskomocowych źródeł laserowych przydatnych nie tylko w detekcji chromometrycznej, ale również w fotonicznych układach scalonych i interferometrii optycznej.
Oczekiwany wpływ projektu
Bezpośrednim rezultatem projektu ma być nowa generacja miniaturowych mikrofonów umożliwiających rejestrowanie bardzo cichych i bardzo głośnych dźwięków przy zachowaniu wysokiej jakości sygnału. Potencjalne zastosowania obejmują elektronikę użytkową, profesjonalne systemy audio, aparaty słuchowe, telekonferencje i urządzenia sterowane głosem. Matryce bardzo czułych mikrofonów mogą umożliwić selektywne „słuchanie” w wybranym kierunku, poprawiając rozpoznawanie mowy w hałaśliwym otoczeniu.
Technologia może mieć również znaczenie dla robotyki i transportu autonomicznego. Bardzo czułe matryce mikrofonowe mogłyby wykorzystywać ultradźwięki do echolokacji i nawigacji, uzupełniając informacje z systemów LiDAR i radarowych. Połączenie różnych metod detekcji może zwiększyć bezpieczeństwo pojazdów i robotów szczególnie w sytuacjach, w których działanie czujników optycznych jest utrudnione, np. przez mgłę.
Znaczenie projektu wykracza jednak poza technologię mikrofonów. Ta sama zasada detekcji chromometrycznej może znaleźć zastosowanie w czujnikach ciśnienia i ultradźwięków, akcelerometrach i żyroskopach, czujnikach biochemicznych oraz detektorach gazów i aerozoli. Opracowana koncepcja może więc stanowić nową platformę bardzo czułych i energooszczędnych sensorów optycznych.
W wymiarze naukowym projekt ma zweryfikować nową metodę pomiarową, w której informacja o mierzonej wielkości jest zakodowana w częstotliwości lasera. Oczekuje się, że pozwoli ona osiągać bardzo wysoką rozdzielczość przy niewielkiej mocy optycznej i ograniczyć konieczność stosowania energochłonnych, wysokiej rozdzielczości przetworników analogowo-cyfrowych. W wymiarze gospodarczym projekt może doprowadzić do rozwoju nowych produktów w sektorach elektroniki użytkowej, audio, sensorów, telekomunikacji i fotoniki oraz stworzyć podstawy do dalszej komercjalizacji technologii przez europejskie przedsiębiorstwa.
Finansowanie projektu
Projekt PIONEAR – “A photonic microphone with better-than-human-ear sound quality” jest realizowany w ramach programu Horizon Europe – EIC Pathfinder Open 2023, konkurs HORIZON-EIC-2023-PATHFINDEROPEN-01. Okres realizacji przewidziany we wniosku wynosi 48 miesięcy.
Zgodnie z budżetem przedstawionym we wniosku:
całkowita wartość działań projektu, z uwzględnieniem finansowania partnerów szwajcarskich: 3 648 620 EUR,
całkowite koszty kwalifikowalne beneficjentów finansowanych bezpośrednio z Horizon Europe: 2 482 745 EUR,
budżet Politechniki Łódzkiej: 376 750 EUR.