NIST、ストロボ光で5G向け共振器テストを高精度化

すべての携帯電話内には、1秒間に数十億回振動する微小な機械的な心臓があります。これらのマイクロメカニカル共振器は、携帯電話通信で必須の役割を果たします。大気中の無線周波数の喧騒にさらされながら、これらの共振器は送受信に適した周波数だけを選択します。これらの共振器の重要性が高まる中、科学者たちはデバイスが正しく動作していることを確認する信頼性と効率の良い方法を必要としています。それは、共振器が生成する音響波を注意深く研究することで最もよく達成されます。

光干渉計とパルスレーザーで音響波を「スロー再生」

今、米国国立標準技術研究所（NIST）の研究者たちは、広い周波数範囲でこれらの音響波をイメージングし、それらの「動画」を前例のない詳細で生成する装置を開発しました。研究者たちは最大12ギガヘルツ（GHz、1秒間に数十億サイクル）の音響振動を測定し、将来的には25 GHzまで拡張可能で、5G通信に必要な周波数カバレッジと、量子情報分野での将来的な強力な応用を提供します。5Gネットワークが無線通信を支配するにつれ、さらに微小な音響波が生成されるため、これらの音響振動測定の課題は増大する可能性があります。

新しいNIST装置は、光干渉計と呼ばれる装置を用いてこれらの波を活写します。この干渉計の照明源は通常安定したレーザービームですが、今回は1秒間に5,000万回パルスするレーザーを使用します。これは測定対象の振動より大幅に遅いです。

ストロボ効果でGHzをMHzに変換し低ノイズ検出

レーザー干渉計は、異なる経路を通る2つのレーザーパルスを比較します。1つのパルスは顕微鏡を通過し、振動するマイクロメカニカル共振器にレーザー光を集光し、反射されます。もう1つのパルスは基準として、第1パルスの移動距離から1マイクロメートル（100万分の1メートル）以内に長さが継続的に調整される経路を通ります。2つのパルスが出会うと、各パルスからの光波が重なり合い、干渉縞（波が打ち消し合ったり強め合ったりする明暗の縞模様）が生成されます。その後のレーザーパルスが干渉計に入ると、マイクロ共振器が上下に振動するにつれて干渉縞のパターンが変化します。縞パターンの変化から、マイクロメカニカル共振器上のレーザースポット位置での振動の高さ（振幅）と位相を測定できます。

NIST研究者のJason Gorman氏と同僚たちは、マイクロメカニカル共振器の振動周波数より20〜250倍遅くパルスする基準レーザーを意図的に選択しました。この戦略により、共振器を照らすレーザーパルスが、実質的に音響振動をスロー再生させます。これはストロボライトがナイトクラブのダンサーをスローに見せるのと似ています。このスロー化により、GHz周波数で振動する音響振動がMHz（1秒間に数百万サイクル）に変換されます。これは、NISTチームが使用する光検出器が、これらの低周波数でははるかに正確に、より低ノイズで動作するため重要です。

「低周波数に移行することで、マイクロ波周波数帯に典型的に見られる通信信号による干渉を除去し、電気ノイズの低いフォトディテクターを使用できます」とGorman氏は説明します。

フェムト秒パルスで高精度3D動画を生成

各パルスはわずか120フェムト秒（1000兆分の1秒）持続し、振動の瞬間的な情報を高精度に提供します。レーザーはマイクロメカニカル共振器上をスキャンし、振動デバイスの表面全体で振動の振幅と位相をサンプリングし、広いマイクロ波周波数範囲で高解像度画像を生成します。これらの測定を多数のサンプルで平均化して組み合わせることで、マイクロ共振器の振動モードの3次元動画を作成できます。研究では2種類のマイクロ共振器を使用：一つは12×65マイクロメートル、もう一つは一辺75マイクロメートル（人間の髪の毛の幅ほど）です。

設計改善へのフィードバックも可能

画像と動画は、マイクロメカニカル共振器が期待通り動作しているかを明らかにするだけでなく、音響エネルギーが共振器から漏れ出している場所などの問題箇所も特定できます。漏れは共振器の効率を下げ、量子音響システムでの情報損失を招きます。問題箇所を特定することで、この技術は科学者たちに共振器設計改善に必要な情報を与えます。