微弱电场测量在工业、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、缺乏长期稳定性等难题。近日，清华大学电机系先进电磁材料与系统团队在高灵敏度、微型化电场传感器研究中取得重要进展。
图1.微腔电场传感器及其潜在应用
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，研究团队针对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0.13dB/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5.2μV/(mHz1/2)、可实时测量电场强度和相位的电场传感器。
图2.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29.5μV/(mHz1/2)，带宽分别为414和101MHz，动态范围分别为123和122dB。进一步降低系统噪声后，器件1的最小可测场强达到了5.2μV/(mHz1/2)，是经典物理领域同带宽下已报道的最灵敏的电场传感器。
图3.基于Pound-Drever-Hall探测的集成微腔电场传感器
相关研究成果近日以“基于Pound-Drever-Hall探测的集成微腔电场传感器”(Integrated microcavity electricfield sensors using Pound-Drever-Hall detection)为题，发表于《自然·通讯》(Nature Communications)期刊。
清华大学电机系为该工作第一完成单位。电机系2023届博士毕业生马昕雨为论文第一作者，电机系教授曾嵘、副教授庄池杰以及精仪系助理教授鲍成英为论文共同通讯作者。研究得到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的支持。
原标题：电机系先进电磁材料与系统团队合作报道基于薄膜铌酸锂的高灵敏度电场传感器
