NIST introduceert stroboscooplicht voor verbeterde 5G-resonatortesting

In elke mobiele telefoon zit een klein mechanisch hart, dat meerdere miljarden keer per seconde klopt. Deze micromecanische resonators spelen een essentiële rol in mobiele communicatie. Bevlogen door de kakofonie van radiofrequenties in de ether, selecteren deze resonators juist de juiste frequenties voor het zenden en ontvangen van signalen tussen mobiele apparaten. Met het groeiende belang van deze resonators, hebben wetenschappers een betrouwbare en efficiënte manier nodig om ervoor te zorgen dat de apparaten correct werken. Dat wordt het beste bereikt door de akoestische golven die de resonators genereren zorgvuldig te bestuderen.

Nieuwe NIST-instrument

Nu hebben onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) een instrument ontwikkeld om deze akoestische golven over een breed bereik van frequenties te visualiseren en „films” ervan te produceren met ongekende detail. De onderzoekers maakten akoestische trillingen van 12 gigahertz (GHz, of miljarden cycli per seconde) en kunnen die metingen mogelijk uitbreiden tot 25 GHz, wat de benodigde frequentiedekking biedt voor 5G-communicatie alsook voor potentiële toekomstige toepassingen in kwantuminformatie. De uitdaging om deze akoestische trillingen te meten zal waarschijnlijk toenemen naarmate 5G-netwerken de draadloze communicatie domineren, waardoor nog kleinere akoestische golven gegenereerd worden.

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

De laserinterferometer vergelijkt twee pulsen laserlicht die langs verschillende paden reizen. Een puls reist door een microscoop die het laserlicht focust op een trillende micromecanische resonator en wordt vervolgens gereflecteerd. De andere puls fungeert als referentie, reist langs een pad dat continu aangepast wordt zodat de lengte ervan binnen een micrometer (één miljoenste van een meter) ligt van de afstand die de eerste puls aflegt. Wanneer de twee pulsen samenkomen, overlappen de lichtgolven van elke puls, creërend een interferentiepatroon – een set donkere en lichte franjes waar de golven elkaars uitwissen of versterken. Naarmate opeenvolgende laserpulsen de interferometer binnenkomen, verandert het interferentiepatroon naarmate de microresonator op en neer trilt. Uit het veranderende patroon van de franjes kunnen onderzoekers de hoogte (amplitude) en fase van de trillingen op de locatie van de laserplek op de micromecanische resonator meten.

Stroboscopisch effect

NIST-onderzoeker Jason Gorman en zijn collega's kozen bewust een referentielaser die pulseren tussen 20 en 250 keer langzamer dan de frequentie waarmee de micromecanische resonator trilt. Die strategie maakte het mogelijk dat de laserpulsen die de resonator verlichten, in effect de akoestische trillingen 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 lichtdetectors die het NIST-team gebruikt veel nauwkeuriger werken, met minder ruis, op deze lagere frequenties.

„Het verplaatsen naar lagere frequenties verwijdert interferentie van communicatiesignalen die typisch op microgolfrequenties worden gevonden en stelt ons in staat om fotodetectors met lagere elektrische ruis te gebruiken,” zei Gorman.

Elke puls duurt slechts 120 femtoseconden (quadrillionsten van een seconde), wat hoogst nauwkeurige moment-voor-moment informatie over de trillingen biedt. De laser scant over de micromecanische resonator zodat de amplitude en fase van de trillingen over het gehele oppervlak van het trillende apparaat bemonsterd kunnen worden, wat resulteert in hoge-resolutie afbeeldingen over een breed bereik van microgolfrequenties. Door deze metingen te combineren, gemiddeld over veel monsters, kunnen de onderzoekers driedimensionale films van de trillingsmodi van een microresonator creëren. Twee typen microresonatoren werden in de studie 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 menselijk haar.

Diagnostische waarde

Niet alleen kunnen de afbeeldingen en films onthullen of een micromecanische resonator functioneert zoals verwacht, ze kunnen ook probleemgebieden aanwijzen, zoals plekken waar akoestische energie uit de resonator lekt. De lekkages maken resonators minder efficiënt en leiden tot informatieverlies in akoestische kwantumsystemen. Door problematische gebieden te lokaliseren, geeft de techniek wetenschappers de informatie die ze nodig hebben om resonatordesign te verbeteren.