NIST создает стробоскоп для тестирования резонаторов 5G

Внутри каждого мобильного телефона находится крошечное механическое сердце, бьющееся несколько миллиардов раз в секунду. Эти микромеханические резонаторы играют важную роль в мобильной связи. Оглушенные какофонией радиочастот в эфире, эти резонаторы выбирают именно те частоты, которые нужны для передачи и приема сигналов между мобильными устройствами. В связи с растущим значением этих резонаторов ученым нужен надежный и эффективный способ убедиться, что устройства работают правильно. Лучше всего это сделать, внимательно изучив акустические волны, генерируемые резонаторами.

Теперь исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) разработали инструмент для отображения этих акустических волн в широком диапазоне частот и создания «фильмов» из них с беспрецедентной детализацией. Исследователи измерили акустические колебания с частотой до 12 гигагерц (ГГц, или миллиарды циклов в секунду) и, возможно, смогут расширить эти измерения до 25 ГГц, обеспечив необходимый частотный охват для связи 5G, а также для потенциально мощных будущих приложений в области квантовых вычислений. Информация. Проблема измерения этих акустических колебаний, вероятно, усложнится, поскольку сети 5G доминируют в беспроводной связи, генерируя еще более мелкие акустические волны.

Новый инструмент NIST улавливает эти волны в действии, опираясь на устройство, известное как оптический интерферометр. Источником освещения для этого интерферометра обычно является постоянный луч лазерного излучения, в данном случае это лазер, который пульсирует 50 миллионов раз в секунду, что значительно медленнее, чем измеряемые вибрации.

Лазерный интерферометр сравнивает два импульса лазерного излучения, которые проходят по разным путям. Один импульс проходит через микроскоп, который фокусирует лазерный луч на вибрирующем микромеханическом резонаторе, а затем отражается обратно. Другой импульс действует как эталон, путешествуя по пути, который постоянно регулируется таким образом, чтобы его длина находилась в пределах микрометра (одной миллионной доли метра) расстояния, пройденного первым импульсом. Когда два импульса встречаются, световые волны от каждого импульса перекрываются, создавая интерференционную картину — набор темных и светлых полос, где волны нейтрализуют или усиливают друг друга. Когда последующие лазерные импульсы поступают в интерферометр, интерференционная картина меняется по мере того, как микрорезонатор колеблется вверх и вниз. По изменяющемуся рисунку полос исследователи могут измерить высоту (амплитуду) и фазу колебаний в месте расположения лазерного пятна на микромеханическом резонаторе.

Исследователь NIST Джейсон Горман и его коллеги намеренно выбрали эталонный лазер, который пульсирует в 20-250 раз медленнее, чем частота, с которой вибрирует микромеханический резонатор. Эта стратегия позволила лазерным импульсам, освещающим резонатор, фактически замедлить акустические колебания, подобно тому, как стробоскопический свет замедляет танцоров в ночном клубе. Замедление, которое преобразует акустические колебания, колеблющиеся на частотах ГГц, в мегагерцы (МГц, миллионы циклов в секунду), важно, потому что детекторы света, используемые командой NIST, работают гораздо точнее и с меньшим шумом на этих более низких частотах. /Р>

«Переход к более низким частотам устраняет помехи от сигналов связи, которые обычно обнаруживаются на микроволновых частотах, и позволяет нам использовать фотодетекторы с меньшим электрическим шумом», — сказал Горман.

Каждый импульс длится всего 120 фемтосекунд (квадриллионных долей секунды), предоставляя очень точную информацию о вибрациях от момента к моменту. Лазер сканирует микромеханический резонатор, так что можно измерить амплитуду и фазу колебаний по всей поверхности вибрирующего устройства, создавая изображения с высоким разрешением в широком диапазоне микроволновых частот. Комбинируя эти измерения, усредненные по многим образцам, исследователи могут создавать трехмерные фильмы колебательных мод микрорезонатора. В исследовании использовались два типа микрорезонаторов; один имел размеры 12 микрометров (миллионных долей метра) на 65 микрометров; сторона другого измеряла 75 микрометров — примерно ширина человеческого волоса.

Изображения и видеоролики могут не только показать, работает ли микромеханический резонатор должным образом, но и указать проблемные области, например, места утечки акустической энергии из резонатора. Утечки делают резонаторы менее эффективными и приводят к потере информации в квантовых акустических системах. Выявляя проблемные области, этот метод дает ученым информацию, необходимую им для улучшения конструкции резонатора.