NIST, 5G 공진기를 테스트하기 위해 스트로브 라이트 생성

모든 휴대폰 안에는 초당 수십억 번 박동하는 작은 기계 심장이 있습니다. 이 미세 기계 공진기는 휴대폰 통신에서 필수적인 역할을 합니다. 공중파의 무선 주파수 불협화음으로 인해 이러한 공진기는 모바일 장치 간에 신호를 송수신하는 데 적합한 주파수만 선택합니다. 이러한 공진기의 중요성이 커짐에 따라 과학자들은 장치가 제대로 작동하는지 확인하는 안정적이고 효율적인 방법이 필요합니다. 이는 공진기가 생성하는 음파를 주의 깊게 연구함으로써 가장 잘 달성됩니다.

이제 NIST(National Institute of Standards and Technology)의 연구원들은 광범위한 주파수에서 이러한 음파를 이미지화하고 전례 없는 디테일로 "동영상"을 제작하는 기기를 개발했습니다. 연구원들은 12GHz 또는 초당 수십억 사이클의 빠른 음향 진동을 측정했으며 이러한 측정을 25GHz로 확장하여 5G 통신 및 잠재적으로 강력한 미래 양자 응용 분야에 필요한 주파수 범위를 제공할 수 있습니다. 정보. 5G 네트워크가 무선 통신을 지배하고 더 작은 음파를 생성함에 따라 이러한 음향 진동을 측정하는 문제는 더 커질 것입니다.

새로운 NIST 장비는 광학 간섭계로 알려진 장치에 의존하여 작동 중인 이러한 파동을 포착합니다. 이 간섭계의 조명 소스는 일반적으로 레이저 광의 안정적인 빔이며 이 경우 초당 5천만 번 펄스하는 레이저로 측정되는 진동보다 훨씬 느립니다.

레이저 간섭계는 서로 다른 경로를 따라 이동하는 두 개의 레이저 광 펄스를 비교합니다. 하나의 펄스는 진동하는 미세 기계 공진기에 레이저 빛을 집중시킨 다음 다시 반사하는 현미경을 통해 이동합니다. 다른 펄스는 길이가 첫 번째 펄스가 이동한 거리의 마이크로미터(100만분의 1미터) 이내가 되도록 지속적으로 조정되는 경로를 따라 이동하는 기준 역할을 합니다. 두 펄스가 만나면 각 펄스의 광파가 중첩되어 간섭 패턴(파동이 서로를 상쇄하거나 강화하는 일련의 어둡고 밝은 줄무늬)이 생성됩니다. 후속 레이저 펄스가 간섭계에 들어가면 마이크로 공진기가 위아래로 진동함에 따라 간섭 패턴이 변경됩니다. 프린지의 변화하는 패턴으로부터 연구자들은 미세 기계 공진기의 레이저 스폿 위치에서 진동의 높이(진폭)와 위상을 측정할 수 있습니다.

NIST 연구원 Jason Gorman과 그의 동료들은 미세 기계 공진기가 진동하는 주파수보다 20~250배 더 ​​느리게 펄스하는 기준 레이저를 의도적으로 선택했습니다. 그 전략은 공명기를 비추는 레이저 펄스가 사실상 음향 진동을 늦추도록 했으며, 이는 마치 나이트클럽에서 스트로브 라이트가 춤추는 사람의 속도를 늦추는 것처럼 보입니다. GHz 주파수에서 진동하는 음향 진동을 메가헤르츠(MHz, 초당 수백만 사이클)로 변환하는 감속은 NIST 팀이 사용하는 광 검출기가 이러한 낮은 주파수에서 노이즈가 적고 훨씬 더 정밀하게 작동하기 때문에 중요합니다.

"낮은 주파수로 이동하면 일반적으로 마이크로파 주파수에서 발견되는 통신 신호의 간섭이 제거되고 전기 노이즈가 낮은 광검출기를 사용할 수 있습니다."라고 Gorman은 말했습니다.

각 펄스는 120펨토초(1/400초)만 지속되어 진동에 대한 매우 정확한 순간 정보를 제공합니다. 레이저는 미세 기계 공진기를 가로질러 스캔하므로 진동의 진폭과 위상이 진동 장치의 전체 표면에 걸쳐 샘플링되어 광범위한 마이크로파 주파수에서 고해상도 이미지를 생성할 수 있습니다. 많은 샘플에 대해 평균화된 이러한 측정값을 결합하여 연구원들은 미세 공진기의 진동 모드에 대한 3차원 영화를 만들 수 있습니다. 연구에는 두 가지 유형의 마이크로 공진기가 사용되었습니다. 하나는 12 마이크로미터(100만분의 1미터) x 65 마이크로미터의 치수를 가졌습니다. 다른 하나는 한 면이 75마이크로미터로 사람 머리카락 너비 정도입니다.

이미지와 동영상은 미세 기계 공진기가 예상대로 작동하는지 여부를 나타낼 수 있을 뿐만 아니라 음향 에너지가 공진기에서 누출되는 장소와 같은 문제 영역을 나타낼 수도 있습니다. 누출은 공진기를 덜 효율적으로 만들고 양자 음향 시스템에서 정보 손실로 이어집니다. 문제 영역을 정확히 찾아냄으로써 이 기술은 과학자들에게 공진기 설계를 개선하는 데 필요한 정보를 제공합니다.