NIST maakt stroboscooplicht om 5G-resonatoren te testen

In elke mobiele telefoon zit een klein mechanisch hart, dat enkele miljarden keren per seconde klopt. Deze micromechanische resonatoren spelen een essentiële rol in de communicatie via mobiele telefoons. Getroffen door de kakofonie van radiofrequenties in de ether, selecteren deze resonatoren precies de juiste frequenties voor het verzenden en ontvangen van signalen tussen mobiele apparaten. Met het groeiende belang van deze resonatoren, hebben wetenschappers een betrouwbare en efficiënte manier nodig om ervoor te zorgen dat de apparaten goed werken. Dat kun je het beste bereiken door zorgvuldig de akoestische golven te bestuderen die de resonatoren genereren.

Nu hebben onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) een instrument ontwikkeld om deze akoestische golven over een breed scala aan frequenties in beeld te brengen en er 'films' van te maken met ongekend detail. De onderzoekers maten akoestische trillingen zo snel als 12 gigahertz (GHz, of miljarden cycli per seconde) en kunnen die metingen mogelijk uitbreiden tot 25 GHz, wat de nodige frequentiedekking biedt voor 5G-communicatie en voor potentieel krachtige toekomstige toepassingen in kwantum informatie. De uitdaging om deze akoestische trillingen te meten zal waarschijnlijk toenemen naarmate 5G-netwerken de draadloze communicatie domineren en zelfs kleinere akoestische golven genereren.

Het nieuwe NIST-instrument legt deze golven in actie vast door te vertrouwen op een apparaat dat bekend staat als een optische interferometer. De verlichtingsbron voor deze interferometer, gewoonlijk een constante straal laserlicht, is in dit geval een laser die 50 miljoen keer per seconde pulseert, wat aanzienlijk langzamer is dan de trillingen die worden gemeten.

De laserinterferometer vergelijkt twee pulsen van laserlicht die langs verschillende paden gaan. Eén puls gaat door een microscoop die het laserlicht op een vibrerende micromechanische resonator focust en vervolgens wordt teruggekaatst. De andere puls fungeert als referentie en volgt een pad dat voortdurend wordt aangepast zodat de lengte binnen een micrometer (een miljoenste van een meter) van de afstand die door de eerste puls wordt afgelegd, ligt. Wanneer de twee pulsen elkaar ontmoeten, overlappen de lichtgolven van elke puls, waardoor een interferentiepatroon ontstaat - een reeks donkere en lichte randen waar de golven elkaar opheffen of versterken. Als volgende laserpulsen de interferometer binnenkomen, verandert het interferentiepatroon terwijl de microresonator op en neer trilt. Aan het veranderende patroon van de franjes kunnen onderzoekers de hoogte (amplitude) en fase van de trillingen meten ter plaatse van de laserspot op de micromechanische resonator.

NIST-onderzoeker Jason Gorman en zijn collega's kozen bewust voor een referentielaser die 20 tot 250 keer langzamer pulseert dan de frequentie waarmee de micromechanische resonator trilt. Die strategie stelde de laserpulsen in staat die de resonator verlichtten om in feite de akoestische trillingen te vertragen, vergelijkbaar met de manier waarop een stroboscooplicht dansers in een nachtclub lijkt te vertragen. De vertraging, die akoestische trillingen die oscilleren op GHz-frequenties omzet in megahertz (MHz, miljoenen cycli per seconde), is belangrijk omdat de lichtdetectoren die door het NIST-team worden gebruikt, veel nauwkeuriger werken, met minder ruis, op deze lagere frequenties.

"Door naar lagere frequenties te gaan, wordt interferentie verwijderd van communicatiesignalen die doorgaans worden aangetroffen bij microgolffrequenties en kunnen we fotodetectoren gebruiken met minder elektrische ruis", zei Gorman.

Elke puls duurt slechts 120 femtoseconden (quadrillionste van een seconde), wat zeer nauwkeurige informatie over de trillingen van moment tot moment oplevert. De laser scant over de micromechanische resonator zodat de amplitude en fase van de trillingen over het gehele oppervlak van het trillende apparaat kunnen worden bemonsterd, waardoor beelden met een hoge resolutie worden geproduceerd over een breed scala aan microgolffrequenties. Door deze metingen te combineren, gemiddeld over veel monsters, kunnen de onderzoekers driedimensionale films maken van de trillingsmodi van een microresonator. In het onderzoek werden twee soorten microresonatoren gebruikt; één had afmetingen van 12 micrometer (miljoensten van een meter) bij 65 micrometer; de andere meet 75 micrometer aan een kant - ongeveer de breedte van een mensenhaar.

De afbeeldingen en films kunnen niet alleen onthullen of een micromechanische resonator werkt zoals verwacht, ze kunnen ook probleemgebieden aangeven, zoals plaatsen waar akoestische energie uit de resonator lekt. De lekken maken resonatoren minder efficiënt en leiden tot informatieverlies in kwantum akoestische systemen. Door probleemgebieden aan te wijzen, geeft de techniek wetenschappers de informatie die ze nodig hebben om het ontwerp van de resonator te verbeteren.