NIST Memperkenalkan Lampu Stroboskop untuk Meningkatkan Pengujian Resonator 5G
Di dalam setiap ponsel seluler ada jantung mekanis kecil, berdetak beberapa miliar kali per detik. Resonator mikromekanis ini memainkan peran penting dalam komunikasi ponsel seluler. Tergejut oleh serangkaian radio frekuensi di udara, resonator ini memilih frekuensi yang tepat untuk transmisi dan penerimaan sinyal antara perangkat seluler. Dengan pentingnya resonator ini yang semakin meningkat, ilmuwan membutuhkan cara yang andal dan efisien untuk memastikan perangkat berfungsi dengan baik. Hal tersebut paling baik dilakukan dengan mempelajari dengan cermat gelombang akustik yang dihasilkan resonator.
Sekarang, peneliti di National Institute of Standards and Technology (NIST) telah mengembangkan instrumen untuk citra gelombang akustik dalam rentang frekuensi yang luas dan menghasilkan “film” dari mereka dengan detail yang belum pernah ada sebelumnya. Peneliti mengukur getaran akustik yang cepat hingga 12 gigahertz (GHz, atau miliaran siklus per detik) dan mungkin dapat memperluas pengukuran tersebut hingga 25 GHz, memberikan cakupan frekuensi yang diperlukan untuk komunikasi 5G serta untuk aplikasi kuat potensial di masa depan dalam informasi kuantum. Tantangan pengukuran getaran akustik ini kemungkinan akan semakin meningkat seiring dengan dominasi jaringan 5G dalam komunikasi nirkabel, yang menghasilkan gelombang akustik yang lebih kecil lagi.
Instrumen NIST baru menangkap gelombang ini dalam tindakan dengan mengandalkan perangkat yang dikenal sebagai interferometer optik. Sumber iluminasi untuk interferometer ini, biasanya sinar laser stabil, dalam hal ini adalah laser yang berdenyut 50 juta kali per detik, yang jauh lebih lambat dari getaran yang diukur.
Interferometer laser membandingkan dua denyutan cahaya laser yang menempuh jalur yang berbeda. Satu denyutan menempuh mikroskop yang memfokuskan sinar laser pada resonator mikromekanis yang bergetar dan kemudian dipantulkan kembali. Denyutan lain bertindak sebagai referensi, menempuh jalur yang terus disesuaikan sehingga panjangnya dalam satu mikrometer (satu jutaan meter) dari jarak yang ditempuh oleh denyutan pertama. Ketika kedua denyutan bertemu, gelombang cahaya dari setiap denyutan tumpang tindih, menciptakan pola interferensi — serangkaian rimbunan gelap dan terang di mana gelombang saling membatalkan atau memperkuat satu sama lain. Seiring masuknya denyutan laser berikutnya ke interferometer, pola interferensi berubah seiring microresonator bergetar naik dan turun. Dari pola rimbunan yang berubah, peneliti dapat mengukur tinggi (amplitudo) dan fase getaran pada lokasi spot laser pada resonator mikromekanis.
Peneliti NIST Jason Gorman dan rekan-rekannya dengan sengaja memilih laser referensi yang berdenyut antara 20 hingga 250 kali lebih lambat dari frekuensi di mana resonator mikromekanis bergetar. Strategi ini memungkinkan denyutan laser yang menerangi resonator untuk, secara efektif, memperlambat getaran akustik, mirip dengan cara lampu stroboskop tampaknya memperlambat penari di malam hari. Perlambatan, yang mengubah getaran akustik yang berosilasi pada frekuensi GHz menjadi megahertz (MHz, jutaan siklus per detik), penting karena detektor cahaya yang digunakan tim NIST bekerja jauh lebih presisi, dengan kebisingan yang lebih rendah, pada frekuensi yang lebih rendah ini.
“Pindah ke frekuensi lebih rendah menghilangkan interferensi dari sinyal komunikasi yang biasanya ditemukan pada frekuensi microwave dan memungkinkan kami untuk menggunakan photodetektor dengan kebisingan listrik yang lebih rendah,” kata Gorman.
Setiap denyutan hanya berlangsung 120 femtosekon (milyaran triliunan detik), memberikan informasi yang sangat presisi momen demi momen tentang getaran. Laser memindai seluruh resonator mikromekanis sehingga amplitudo dan fase getaran dapat diambil sampel di seluruh permukaan perangkat yang bergetar, menghasilkan citra resolusi tinggi dalam rentang frekuensi microwave yang luas. Dengan menggabungkan pengukuran ini, yang dirata-ratakan dari banyak sampel, peneliti dapat membuat film tiga dimensi dari mode getaran microresonator. Dua jenis microresonator digunakan dalam studi; satu memiliki dimensi 12 mikrometer (jutaan meter) x 65 mikrometer; yang lain mengukur 75 mikrometer di sisi – sekitar lebar rambut manusia.
Tidak hanya citra dan film dapat menunjukkan apakah resonator mikromekanis beroperasi seperti yang diharapkan, mereka juga dapat menunjukkan area yang bermasalah, seperti tempat energi akustik bocor keluar dari resonator. Kebocoran membuat resonator kurang efisien dan menyebabkan kehilangan informasi dalam sistem akustik kuantum. Dengan menentukan area yang bermasalah, teknik ini memberi ilmuwan informasi yang mereka butuhkan untuk memperbaiki desain resonator.
