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。