NIST führt Stroboskoplicht zur Verbesserung von 5G-Resonatortests ein

In jedem Handy schlägt ein winziges mechanisches Herz mehrere Milliarden Mal pro Sekunde. Diese mikromechanischen Resonatoren spielen eine wesentliche Rolle in der Handykommunikation. Umspült von der Kakophonie der Radiofrequenzen im Äther, wählen diese Resonatoren genau die richtigen Frequenzen für Senden und Empfangen von Signalen zwischen Mobilgeräten. Mit wachsender Bedeutung dieser Resonatoren brauchen Wissenschaftler eine zuverlässige und effiziente Methode, um sicherzustellen, dass die Geräte ordnungsgemäß funktionieren. Das gelingt am besten durch sorgfältige Untersuchung der akustischen Wellen, die die Resonatoren erzeugen.

Neues NIST-Instrument: Optischer Interferometer mit gepulstem Laser

Forscher am National Institute of Standards and Technology (NIST) haben nun ein Instrument entwickelt, das diese akustischen Wellen über einen weiten Frequenzbereich abbildet und „Filme“ davon mit beispielloser Detailgenauigkeit produziert. Die Forscher maßen akustische Schwingungen von bis zu 12 Gigahertz (GHz, Milliarden Zyklen pro Sekunde) und könnten diese Messungen potenziell auf 25 GHz ausdehnen – die notwendige Frequenzabdeckung für 5G-Kommunikation sowie potenziell leistungsstarke zukünftige Anwendungen in Quanteninformation. Die Herausforderung, diese akustischen Schwingungen zu messen, wird wahrscheinlich zunehmen, da 5G-Netze die drahtlose Kommunikation dominieren und noch winzigere akustische Wellen erzeugen.

Das neue NIST-Instrument fängt diese Wellen in Aktion ein, indem es auf einen optischen Interferometer setzt. Die Beleuchtungsquelle dieses Interferometers, normalerweise ein stetiger Laserstrahl, ist hier ein Laser, der 50 Millionen Mal pro Sekunde pulsiert – deutlich langsamer als die gemessenen Schwingungen.

Stroboskop-Effekt: Verlangsamung der GHz-Schwingungen auf MHz

Der Laserinterferometer vergleicht zwei Laserpulse, die unterschiedliche Wege zurücklegen. Ein Pulse durchläuft ein Mikroskop, das das Laserlicht auf einen vibrierenden mikromechanischen Resonator fokussiert und wird dann reflektiert. Der andere Pulse dient als Referenz und läuft einen Weg, der kontinuierlich so angepasst wird, dass seine Länge innerhalb eines Mikrometers (ein Millionstel Meter) der Strecke des ersten Pulses liegt. Wenn die beiden Pulse zusammentreffen, überlagern sich die Lichtwellen jedes Pulses und erzeugen ein Interferenzmuster – eine Reihe dunkler und heller Streifen, wo sich Wellen auslöschen oder verstärken. Mit jedem nachfolgenden Laserpuls ändert sich das Interferenzmuster, während der Mikroresonator auf und ab schwingt. Aus dem sich ändernden Streifenmuster können Forscher die Höhe (Amplitude) und Phase der Schwingungen an der Laserfleckposition auf dem mikromechanischen Resonator messen.

NIST-Forscher Jason Gorman und Kollegen wählten absichtlich einen Referenzlaser, der 20- bis 250-mal langsamer pulsiert als die Frequenz, mit der der mikromechanische Resonator schwingt. Diese Strategie bewirkt, dass die den Resonator beleuchtenden Laserpulse die akustischen Schwingungen effektiv verlangsamen – ähnlich wie ein Stroboskoplicht Tänzer in einem Nachtclub verlangsamt erscheinen lässt. Die Verlangsamung, die akustische Schwingungen von GHz-Frequenzen auf Megahertz (MHz, Millionen Zyklen pro Sekunde) umwandelt, ist wichtig, weil die Lichtdetektoren des NIST-Teams bei diesen niedrigeren Frequenzen viel präziser und mit weniger Rauschen arbeiten.

„Der Wechsel zu niedrigeren Frequenzen entfernt Störungen durch Kommunikationssignale, die typischerweise bei Mikrowellenfrequenzen gefunden werden, und erlaubt uns Photodetektoren mit niedrigerem elektrischen Rauschen zu nutzen“, sagte Gorman.

Jeder Puls dauert nur 120 Femtosekunden (Billionstel Sekunden), was hochpräzise Moment-für-Moment-Informationen über die Schwingungen liefert. Der Laser scannt über den mikromechanischen Resonator, sodass Amplitude und Phase der Schwingungen über die gesamte Oberfläche des vibrierenden Geräts abgetastet werden können, was hochauflösende Bilder über einen weiten Mikrowellenfrequenzbereich erzeugt. Durch Kombination dieser Messungen, gemittelt über viele Samples, können die Forscher dreidimensionale Filme der Schwingungsmoden eines Mikroresonators erstellen. Zwei Typen von Mikroresonatoren wurden in der Studie verwendet: einer mit 12 mal 65 Mikrometern, der andere mit 75 Mikrometern Kantenlänge – etwa die Breite eines menschlichen Haars.

Fehlererkennung und Designverbesserung

Nicht nur können die Bilder und Filme zeigen, ob ein mikromechanischer Resonator wie erwartet funktioniert, sie können auch Problemzonen anzeigen – Orte, an denen akustische Energie aus dem Resonator austritt. Diese Lecks machen Resonatoren weniger effizient und führen zu Informationsverlust in quantenakustischen Systemen. Durch das Aufzeigen problematischer Bereiche gibt die Technik Wissenschaftlern die Informationen, die sie brauchen, um Resonator-Designs zu verbessern.