近日,《自然·通讯》(Nature Communications)期刊报道了清华大学电机系在高灵敏度、微型化电场传感器研究中取得的重要进展。
微弱电场测量在工业、国防、科研领域均有着不可替代的作用。光学电场测量响应快、带宽大。过去数十年,基于体铌酸锂的集成光学电场传感器取得了长足发展,但受材料、工艺限制,仍存在灵敏度不够高、长期稳定性等难题。
微腔电场传感器及潜在应用
薄膜铌酸锂(LNOI)厚度仅为百纳米,作为新材料,为克服上述不足提供了可能,但传统工艺完全无法加工。2018年起,项目组针对LNOI难以加工的关键难题,经过几年摸索,独立研发了低损耗、高效率的加工工艺,实现了传输损耗为0.13 dB/cm的波导高质量刻蚀。
与以往利用数厘米长干涉光路实现电场传感不同,项目组基于LNOI,设计并实现了尺寸为百微米的高品质因子微环谐振腔,通过增加微波和光波的相互作用,从本质上大幅提高了灵敏度。
与Pound-Drever-Hall方法结合,形成了激光锁频的微腔电场传感方案,进一步提高了灵敏度。最终实现了探测灵敏度为5.2 μV/(√mHz)、可实时测量电场强度和相位的电场传感器。
微腔电场传感原理
实测传感器件1(最高品质因子)和传感器件2(最低品质因子)的初始最小可测场强分别为8.8和29.5 μV/(√mHz),带宽分别为414和101 MHz,动态范围分别为123和122 dB。进一步降低系统噪声后,器件1 的最小可测场强达到了5.2 μV/(√mHz),是经典物理领域、同带宽下,已报道的最灵敏的电场传感器。
研究成果以Integrated microcavity electric field sensors using Pound-Drever-Hall detection(“基于Pound-Drever-Hall探测的集成微腔电场传感器”)为题,发表于《自然·通讯》期刊。
清华大学电机系是该工作第一完成单位;电机系2023届博士毕业生马昕雨是论文第一作者,其博士论文获评清华大学优秀博士论文。电机系教师曾嵘、庄池杰及精仪系鲍成英为论文的共同通讯作者。
该研究得到了国家自然科学优秀青年基金、科技部国家重点研发计划、清华大学自主科研计划等项目支持。
审核编辑:刘清
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原文标题:基于薄膜铌酸锂的高灵敏度电场传感器
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