微弱電場測量在工業(yè)、國防、科研領(lǐng)域均有著不可替代的作用。光學(xué)電場測量響應(yīng)快、帶寬大。過去數(shù)十年，基于體鈮酸鋰的集成光學(xué)電場傳感器取得了長足發(fā)展，但受材料、工藝限制，仍存在靈敏度不夠高、缺乏長期穩(wěn)定性等難題。近日，清華大學(xué)電機(jī)系先進(jìn)電磁材料與系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)在高靈敏度、微型化電場傳感器研究中取得重要進(jìn)展。

圖1.微腔電場傳感器及其潛在應(yīng)用

薄膜鈮酸鋰（LNOI）厚度僅為百納米，作為新材料，為克服上述不足提供了可能，但傳統(tǒng)工藝完全無法加工。2018年起，研究團(tuán)隊(duì)針對LNOI難以加工的關(guān)鍵難題，經(jīng)過幾年摸索，獨(dú)立研發(fā)了低損耗、高效率的加工工藝，實(shí)現(xiàn)了傳輸損耗為0.13dB/cm的波導(dǎo)高質(zhì)量刻蝕。與以往利用數(shù)厘米長干涉光路實(shí)現(xiàn)電場傳感不同，項(xiàng)目組基于LNOI設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了尺寸為百微米的高品質(zhì)因子微環(huán)諧振腔，通過增加微波和光波的相互作用，從本質(zhì)上大幅提高了靈敏度。與Pound-Drever-Hall方法結(jié)合，形成了激光鎖頻的微腔電場傳感方案，進(jìn)一步提高了靈敏度。最終實(shí)現(xiàn)了探測靈敏度為5.2μV/（mHz1/2）、可實(shí)時(shí)測量電場強(qiáng)度和相位的電場傳感器。

圖2.微腔電場傳感原理

實(shí)測傳感器件1（最高品質(zhì)因子）和傳感器件2（最低品質(zhì)因子）的初始最小可測場強(qiáng)分別為8.8和29.5μV/（mHz1/2），帶寬分別為414和101MHz，動(dòng)態(tài)范圍分別為123和122dB。進(jìn)一步降低系統(tǒng)噪聲后，器件1的最小可測場強(qiáng)達(dá)到了5.2μV/（mHz1/2），是經(jīng)典物理領(lǐng)域同帶寬下已報(bào)道的最靈敏的電場傳感器。

圖3.基于Pound-Drever-Hall探測的集成微腔電場傳感器

相關(guān)研究成果近日以“基于Pound-Drever-Hall探測的集成微腔電場傳感器”（Integrated microcavity electricfield sensors using Pound-Drever-Hall detection）為題，發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）期刊。

清華大學(xué)電機(jī)系為該工作第一完成單位。電機(jī)系2023屆博士畢業(yè)生馬昕雨為論文第一作者，電機(jī)系教授曾嶸、副教授莊池杰以及精儀系助理教授鮑成英為論文共同通訊作者。研究得到國家自然科學(xué)優(yōu)秀青年基金、科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、清華大學(xué)自主科研計(jì)劃等的支持。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41467-024-45699-w