微弱電場測量在工業、科研領域均有著不可替代的作用。光學電場測量響應快、帶寬大。過去數十年，基于體鈮酸鋰的集成光學電場傳感器取得了長足發展，但受材料、工藝限制，仍存在靈敏度不夠高、缺乏長期穩定性等難題。近日，清華大學電機系先進電磁材料與系統團隊在高靈敏度、微型化電場傳感器研究中取得重要進展。
圖1.微腔電場傳感器及其潛在應用
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，但傳統工藝完全無法加工。2018年起，研究團隊針對LNOI難以加工的關鍵難題，經過幾年摸索，獨立研發了低損耗、高效率的加工工藝，實現了傳輸損耗為0.13dB/cm的波導高質量刻蝕。與以往利用數厘米長干涉光路實現電場傳感不同，項目組基于LNOI設計并實現了尺寸為百微米的高品質因子微環諧振腔，通過增加微波和光波的相互作用，從本質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傳感方案，進一步提高了靈敏度。最終實現了探測靈敏度為5.2μV/(mHz1/2)、可實時測量電場強度和相位的電場傳感器。
圖2.微腔電場傳感原理
實測傳感器件1(最高品質因子)和傳感器件2(最低品質因子)的初始最小可測場強分別為8.8和29.5μV/(mHz1/2)，帶寬分別為414和101MHz，動態范圍分別為123和122dB。進一步降低系統噪聲后，器件1的最小可測場強達到了5.2μV/(mHz1/2)，是經典物理領域同帶寬下已報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，發表于《自然·通訊》(Nature Communications)期刊。
清華大學電機系為該工作第一完成單位。電機系2023屆博士畢業生馬昕雨為論文第一作者，電機系教授曾嶸、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優秀青年基金、科技部國家重點研發計劃、清華大學自主科研計劃等的支持。
原標題：電機系先進電磁材料與系統團隊合作報道基于薄膜鈮酸鋰的高靈敏度電場傳感器
