NIST внедрил стробоскопическое освещение для улучшения тестирования 5G-резонаторов

В каждом смартфоне — крошечное механическое сердце, биющееся миллиарды раз в секунду. Эти микромеханические резонаторы критичны для связи: среди хаоса радиочастот выбирают нужные для передачи/приема. С ростом важности нужен надежный способ проверки — через изучение акустических волн, которые они генерируют.

Новый инструмент NIST

Исследователи NIST создали прибор для визуализации акустических волн на широком диапазоне частот с беспрецедентной детализацией — «фильмы» вибраций. Измерены вибрации до 12 ГГц (млрд циклов/сек), потенциал до 25 ГГц — покрытие для 5G и квантовых применений. Сложность измерений растет с 5G — еще более крошечные волны.

Принцип: оптический интерферометр со стробоскопическим лазером

Источник света — лазер, импульсирующий 50 млн раз/сек (значительно медленнее измеряемых вибраций). Интерферометр сравнивает два импульса: один через микроскоп на вибрирующий резонатор, отражается обратно; второй — референс, путь подстраивается до разницы в 1 мкм. При встрече импульсов возникает интерференционная картина (темные/светлые полосы). Изменения картины при последующих импульсах дают амплитуду и фазу вибраций в точке лазера.

Стратегия: референс-лазер импульсирует в 20–250 раз медленнее частоты резонатора. Это замедляет акустические вибрации, как стробоскоп замедляет танцоров в клубе. Замедление с ГГц до МГц критично: фотодетекторы точнее и менее шумны на низких частотах.

«Переход к низким частотам убирает интерференцию от коммуникационных сигналов в микроволновом диапазоне и позволяет использовать фотодетекторы с низким электрическим шумом», — Джейсон Горман, NIST.

Импульс 120 фс дает точную мгновенную информацию. Лазер сканирует резонатор — амплитуда и фаза по всей поверхности, высокореolution 3D-фильмы вибрационных мод. Два типа резонаторов: 12×65 мкм и 75×75 мкм (толщина волоса).

Диагностика и улучшение дизайна

Фильмы показывают, работает ли резонатор правильно, и указывают проблемные зоны: утечки акустической энергии. Утечки снижают эффективность и приводят к потерям в квантовых акустических системах. Локализация проблем дает данные для улучшения дизайна резонаторов.