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清華團隊合作報道基于薄膜鈮酸鋰的高靈敏度電場傳感器
來源:清華大學(xué) 發(fā)表于 2024/3/7

微弱電場測量在工業(yè)、國防、科研領(lǐng)域均有著不可替代的作用。光學(xué)電場測量響應(yīng)快、帶寬大。過去數(shù)十年,基于體鈮酸鋰的集成光學(xué)電場傳感器取得了長足發(fā)展,但受材料、工藝限制,仍存在靈敏度不夠高、缺乏長期穩(wěn)定性等難題。近日,清華大學(xué)電機系先進電磁材料與系統(tǒng)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(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,研究團隊針對LNOI難以加工的關(guān)鍵難題,經(jīng)過幾年摸索,獨立研發(fā)了低損耗、高效率的加工工藝,實現(xiàn)了傳輸損耗為0.13dB/cm的波導(dǎo)高質(zhì)量刻蝕。與以往利用數(shù)厘米長干涉光路實現(xiàn)電場傳感不同,項目組基于LNOI設(shè)計并實現(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傳感方案,進一步提高了靈敏度。最終實現(xiàn)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(zhì)因子)和傳感器件2(最低品質(zhì)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(tài)范圍分別為123和122dB。進一步降低系統(tǒng)噪聲后,器件1的最小可測場強達到了5.2μV/(mHz1/2),是經(jīng)典物理領(lǐng)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(guān)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(fā)表于《自然·通訊》(Nature Communications)期刊。


清華大學(xué)電機系為該工作第一完成單位。電機系2023屆博士畢業(yè)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(xué)優(yōu)秀青年基金、科技部國家重點研發(fā)計劃、清華大學(xué)自主科研計劃等的支持。


論文鏈接:


https://doi.org/10.1038/s41467-024-45699-w


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