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清华团队合作报道基于薄膜铌酸锂的高灵敏度电场传感器
来源:清华大学 发表于 2024/3/7

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、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。


论文链接:


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


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