近日，《自然·通訊》（Nature Communications）期刊報(bào)道了清華大學(xué)電機(jī)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(cè)量在工業(yè)、國(guó)防、科研領(lǐng)域均有著不可替代的作用。光學(xué)電場(chǎng)測(cè)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(chǎng)傳感器取得了長(zhǎng)足發(fā)展，但受材料、工藝限制，仍存在靈敏度不夠高、長(zhǎng)期穩(wěn)定性等難題。

微腔電場(chǎng)傳感器及潛在應(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，項(xiàng)目組針對(duì)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0.13 dB/cm的波導(dǎo)高質(zhì)量刻蝕。

與以往利用數(shù)厘米長(zhǎng)干涉光路實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)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(chǎng)傳感方案，進(jìn)一步提高了靈敏度。最終實(shí)現(xiàn)了探測(cè)靈敏度為5.2 μV/(√mHz)、可實(shí)時(shí)測(cè)量電場(chǎng)強(qiáng)度和相位的電場(chǎng)傳感器。

微腔電場(chǎng)傳感原理

實(shí)測(cè)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(cè)場(chǎng)強(qiáng)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(tǒng)噪聲后，器件1 的最小可測(cè)場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到了5.2 μV/(√mHz)，是經(jīng)典物理領(lǐng)域、同帶寬下，已報(bào)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(cè)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(jī)系是該工作第一完成單位；電機(jī)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(píng)清華大學(xué)優(yōu)秀博士論文。電機(jī)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(guó)家自然科學(xué)優(yōu)秀青年基金、科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、清華大學(xué)自主科研計(jì)劃等項(xiàng)目支持。

審核編輯：劉清