NIST erstellt Blitzlicht zum Testen von 5G-Resonatoren

In jedem Handy steckt ein winziges mechanisches Herz, das mehrere Milliarden Mal pro Sekunde schlägt. Diese mikromechanischen Resonatoren spielen eine wesentliche Rolle in der Mobiltelefonkommunikation. Diese Resonatoren werden von der Kakophonie der Radiofrequenzen im Äther heimgesucht und wählen genau die richtigen Frequenzen zum Senden und Empfangen von Signalen zwischen mobilen Geräten. Angesichts der wachsenden Bedeutung dieser Resonatoren benötigen Wissenschaftler eine zuverlässige und effiziente Methode, um sicherzustellen, dass die Geräte ordnungsgemäß funktionieren. Das erreicht man am besten, indem man die akustischen Wellen, die die Resonatoren erzeugen, sorgfältig untersucht.

Jetzt haben Forscher des National Institute of Standards and Technology (NIST) ein Instrument entwickelt, um diese akustischen Wellen über einen breiten Frequenzbereich abzubilden und daraus „Filme“ mit beispielloser Detailtreue zu erstellen. Die Forscher maßen akustische Schwingungen mit einer Geschwindigkeit von bis zu 12 Gigahertz (GHz oder Milliarden von Zyklen pro Sekunde) und können diese Messungen möglicherweise auf 25 GHz erweitern, wodurch die erforderliche Frequenzabdeckung für die 5G-Kommunikation sowie für potenziell leistungsstarke zukünftige Anwendungen im Quantenbereich bereitgestellt wird Information. Die Herausforderung, diese akustischen Schwingungen zu messen, wird wahrscheinlich zunehmen, da 5G-Netzwerke die drahtlose Kommunikation dominieren und noch winzigere akustische Wellen erzeugen.

Das neue NIST-Instrument erfasst diese Wellen in Aktion, indem es sich auf ein Gerät stützt, das als optisches Interferometer bekannt ist. Die Beleuchtungsquelle für dieses Interferometer, normalerweise ein stetiger Laserlichtstrahl, ist in diesem Fall ein Laser, der 50 Millionen Mal pro Sekunde pulsiert, was deutlich langsamer ist als die zu messenden Schwingungen.

Das Laserinterferometer vergleicht zwei Laserlichtpulse, die auf unterschiedlichen Wegen laufen. Ein Puls wandert durch ein Mikroskop, das das Laserlicht auf einen schwingenden mikromechanischen Resonator fokussiert und dann zurückreflektiert wird. Der andere Impuls dient als Referenz und bewegt sich entlang eines Pfades, der kontinuierlich so angepasst wird, dass seine Länge innerhalb eines Mikrometers (einem Millionstel Meter) der vom ersten Impuls zurückgelegten Entfernung liegt. Wenn sich die beiden Pulse treffen, überlappen sich die Lichtwellen jedes Pulses und erzeugen ein Interferenzmuster – eine Reihe von dunklen und hellen Rändern, an denen sich die Wellen aufheben oder verstärken. Wenn nachfolgende Laserpulse in das Interferometer eintreten, ändert sich das Interferenzmuster, wenn der Mikroresonator auf und ab vibriert. Aus dem sich ändernden Muster der Streifen können die Forscher die Höhe (Amplitude) und Phase der Vibrationen am Ort des Laserpunkts auf dem mikromechanischen Resonator messen.

Der NIST-Forscher Jason Gorman und seine Kollegen wählten bewusst einen Referenzlaser, der zwischen 20 und 250 Mal langsamer pulsiert als die Frequenz, mit der der mikromechanische Resonator schwingt. Diese Strategie ermöglichte es den Laserimpulsen, die den Resonator beleuchteten, die akustischen Schwingungen tatsächlich zu verlangsamen, ähnlich wie ein Blitzlicht Tänzer in einem Nachtclub zu verlangsamen scheint. Die Verlangsamung, die akustische Schwingungen, die bei GHz-Frequenzen oszillieren, in Megahertz (MHz, Millionen von Zyklen pro Sekunde) umwandelt, ist wichtig, weil die vom NIST-Team verwendeten Lichtdetektoren bei diesen niedrigeren Frequenzen viel präziser und mit weniger Rauschen arbeiten.

„Der Übergang zu niedrigeren Frequenzen beseitigt Interferenzen von Kommunikationssignalen, die typischerweise bei Mikrowellenfrequenzen auftreten, und ermöglicht uns die Verwendung von Fotodetektoren mit geringerem elektrischem Rauschen“, sagte Gorman.

Jeder Impuls dauert nur 120 Femtosekunden (Billiardstel Sekunden) und liefert von Moment zu Moment hochpräzise Informationen über die Schwingungen. Der Laser tastet den mikromechanischen Resonator ab, sodass die Amplitude und Phase der Vibrationen über die gesamte Oberfläche des vibrierenden Geräts abgetastet werden können, wodurch hochauflösende Bilder über einen weiten Bereich von Mikrowellenfrequenzen erzeugt werden. Durch die Kombination dieser über viele Proben gemittelten Messungen können die Forscher dreidimensionale Filme der Schwingungsmoden eines Mikroresonators erstellen. In der Studie wurden zwei Arten von Mikroresonatoren verwendet; einer hatte Abmessungen von 12 Mikrometer (Millionstel Meter) mal 65 Mikrometer; die andere maß 75 Mikrometer an einer Seite – etwa die Breite eines menschlichen Haares.

Die Bilder und Filme können nicht nur zeigen, ob ein mikromechanischer Resonator wie erwartet funktioniert, sie können auch auf Problembereiche hinweisen, wie zum Beispiel Stellen, an denen Schallenergie aus dem Resonator austritt. Die Lecks machen Resonatoren weniger effizient und führen zu Informationsverlusten in quantenakustischen Systemen. Durch die Lokalisierung problematischer Bereiche gibt die Technik Wissenschaftlern die Informationen, die sie benötigen, um das Resonatordesign zu verbessern.