中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
近日，《自然·通訊》（Nature Communications）期刊報道了清華大學(xué)電機系在高靈敏度、微型化電場(chǎng)傳感器研究中取得的重要進(jìn)展。
微弱電場(chǎng)測量在工業(yè)、國防、科研領(lǐng)域均有著(zhù)不可替代的作用。光學(xué)電場(chǎng)測量響應快、帶寬大。過(guò)去數十年，基于體鈮酸鋰的集成光學(xué)電場(chǎng)傳感器取得了長(cháng)足發(fā)展，但受材料、工藝限制，仍存在靈敏度不夠高、長(cháng)期穩定性等難題。
微腔電場(chǎng)傳感器及潛在應用
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，但傳統工藝完全無(wú)法加工。2018年起，項目組針對LNOI難以加工的關(guān)鍵難題，經(jīng)過(guò)幾年摸索，獨立研發(fā)了低損耗、高效率的加工工藝，實(shí)現了傳輸損耗為0.13 dB/cm的波導高質(zhì)量刻蝕。
與以往利用數厘米長(cháng)干涉光路實(shí)現電場(chǎng)傳感不同，項目組基于LNOI，設計并實(shí)現了尺寸為百微米的高品質(zhì)因子微環(huán)諧振腔，通過(guò)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方法結合，形成了激光鎖頻的微腔電場(chǎng)傳感方案，進(jìn)一步提高了靈敏度。最終實(shí)現了探測靈敏度為5.2 μV/(√mHz)、可實(shí)時(shí)測量電場(chǎng)強度和相位的電場(chǎng)傳感器。
微腔電場(chǎng)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(chǎng)強分別為8.8和29.5 μV/(√mHz)，帶寬分別為414和101 MHz，動(dòng)態(tài)范圍分別為123和122 dB。進(jìn)一步降低系統噪聲后，器件1 的最小可測場(chǎng)強達到了5.2 μV/(√mHz)，是經(jīng)典物理領(lǐng)域、同帶寬下，已報道的最靈敏的電場(chǎng)傳感器。
研究成果以Integrated microcavity electric field sensors using Pound-Drever-Hall detection（“基于Pound-Drever-Hall探測的集成微腔電場(chǎng)傳感器”）為題，發(fā)表于《自然·通訊》期刊。
清華大學(xué)電機系是該工作第一完成單位；電機系2023屆博士畢業(yè)生馬昕雨是論文第一作者，其博士論文獲評清華大學(xué)優(yōu)秀博士論文。電機系教師曾嶸、莊池杰及精儀系鮑成英為論文的共同通訊作者。
該研究得到了國家自然科學(xué)優(yōu)秀青年基金、科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、清華大學(xué)自主科研計劃等項目支持。
