Le NIST introduit une lumière stroboscopique pour améliorer les tests de résonateurs 5G

À l'intérieur de chaque téléphone portable se trouve un minuscule cœur mécanique, battant plusieurs milliards de fois par seconde. Ces résonateurs micromécaniques jouent un rôle essentiel dans la communication des téléphones portables. Ballottés par la cacophonie des radiofréquences dans les ondes, ces résonateurs sélectionnent juste les bonnes fréquences pour transmettre et recevoir des signaux entre appareils mobiles. Avec l'importance croissante de ces résonateurs, les scientifiques ont besoin d'un moyen fiable et efficace pour s'assurer que les dispositifs fonctionnent correctement. Cela s'accomplit le mieux en étudiant soigneusement les ondes acoustiques que les résonateurs génèrent.

Nouvel instrument NIST : imagerie d'ondes acoustiques

Maintenant, des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont développé un instrument pour imager ces ondes acoustiques sur une large gamme de fréquences et produire des « films » d'entre elles avec un détail sans précédent. Les chercheurs ont mesuré des vibrations acoustiques aussi rapides que 12 gigahertz (GHz, ou milliards de cycles par seconde) et pourraient être capables d'étendre ces mesures à 25 GHz, fournissant la couverture de fréquence nécessaire pour les communications 5G ainsi que pour des applications futures potentiellement puissantes dans l'information quantique. Le défi de mesurer ces vibrations acoustiques est susceptible d'augmenter à mesure que les réseaux 5G dominent les communications sans fil, générant des ondes acoustiques encore plus minuscules.

Principe : interféromètre laser stroboscopique

Le nouvel instrument du NIST capture ces ondes en action en s'appuyant sur un dispositif connu sous le nom d'interféromètre optique. La source d'illumination pour cet interféromètre, normalement un faisceau laser continu, est dans ce cas un laser qui pulse 50 millions de fois par seconde, ce qui est significativement plus lent que les vibrations mesurées.

L'interféromètre laser compare deux impulsions de lumière laser qui voyagent le long de chemins différents. Une impulsion traverse un microscope qui focalise la lumière laser sur un résonateur micromécanique vibrant et est ensuite réfléchie en retour. L'autre impulsion agit comme référence, voyageant le long d'un chemin continuellement ajusté pour que sa longueur soit à moins d'un micromètre (un millionième de mètre) de la distance parcourue par la première impulsion. Lorsque les deux impulsions se rencontrent, les ondes lumineuses de chaque impulsion se chevauchent, créant un motif d'interférence — un ensemble de franges sombres et claires où les ondes s'annulent ou se renforcent mutuellement. Au fur et à mesure que les impulsions laser subséquentes entrent dans l'interféromètre, le motif d'interférence change alors que le microrésonateur vibre de haut en bas. À partir du motif changeant des franges, les chercheurs peuvent mesurer la hauteur (amplitude) et la phase des vibrations à l'emplacement du spot laser sur le résonateur micromécanique.

Le chercheur du NIST Jason Gorman et ses collègues ont délibérément choisi un laser de référence qui pulse entre 20 et 250 fois plus lentement que la fréquence à laquelle le résonateur micromécanique vibre. Cette stratégie a permis aux impulsions laser illuminant le résonateur de, en effet, ralentir les vibrations acoustiques, de manière similaire à la façon dont une lumière stroboscopique semble ralentir les danseurs dans une boîte de nuit. Le ralentissement, qui convertit les vibrations acoustiques oscillant à des fréquences GHz en mégahertz (MHz, millions de cycles par seconde), est important car les détecteurs de lumière utilisés par l'équipe du NIST fonctionnent beaucoup plus précisément, avec moins de bruit, à ces fréquences plus basses.

« Passer à des fréquences plus basses élimine les interférences des signaux de communication typiquement trouvés aux fréquences micro-ondes et nous permet d'utiliser des photodétecteurs avec un bruit électrique plus faible », a déclaré Gorman.

Chaque impulsion ne dure que 120 femtosecondes (quadrillionièmes de seconde), fournissant une information moment par moment hautement précise sur les vibrations. Le laser balaye le résonateur micromécanique pour que l'amplitude et la phase des vibrations puissent être échantillonnées sur toute la surface du dispositif vibrant, produisant des images haute résolution sur une large gamme de fréquences micro-ondes. En combinant ces mesures, moyennées sur de nombreux échantillons, les chercheurs peuvent créer des films tridimensionnels des modes vibratoires d'un microrésonateur. Deux types de microrésonateurs ont été utilisés dans l'étude ; l'un avait des dimensions de 12 micromètres (millionièmes de mètre) par 65 micromètres ; l'autre mesurait 75 micromètres de côté — environ la largeur d'un cheveu humain.

Détection de fuites d'énergie acoustique

Non seulement les images et films peuvent révéler si un résonateur micromécanique fonctionne comme prévu, ils peuvent également indiquer les zones problématiques, telles que les endroits où l'énergie acoustique fuit hors du résonateur. Les fuites rendent les résonateurs moins efficaces et entraînent une perte d'information dans les systèmes acoustiques quantiques. En identifiant les zones problématiques, la technique donne aux scientifiques l'information dont ils ont besoin pour améliorer la conception des résonateurs.