微弱电场测量在工业、国防和科研领域发挥着不可替代的作用。光学电场测量响应快，带宽大。在过去的几十年里，基于体铌酸锂的集成光学电场传感器取得了巨大的发展，但由于材料和工艺的限制，仍存在灵敏度不够高、缺乏长期稳定性等问题。最近，清华大学电机系的先进电磁材料和系统团队在高灵敏度和微电场传感器的研究方面取得了重要进展。
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，作为一种新材料，为克服上述不足提供了可能，但传统工艺根本无法加工。自2018年以来，经过几年的探索，研究团队独立开发了低损耗、高效率的加工工艺，实现了0.13dB/cm传输损耗的高质量波导蚀刻。与以往使用几厘米长干涉光路实现电场传感不同，项目组设计了基于LNOI的高质量因子微环谐振腔，通过增加微波与光波的相互作用，大大提高了灵敏度。与Pound-Drever-结合Hall方法，形成了激光锁频微腔电场传感方案，进一步提高了灵敏度。最终，检测灵敏度为5.2μV/(mHz1/2)、电场传感器可实时测量电场强度和相位。
图2.微腔电场传感原理
实测传感器件1(最高质量因子)和传感器件2(最低质量因子)的初始最小可测场强度分别为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。在进一步降低系统噪声后，设备1的最小可测场强度达到5.2μV/(mHz1/2)是经典物理领域同带宽下报道的最敏感的电场传感器。
图3.基于Poundd的基础-Drever-Hall探测集成微腔电场传感器
近日，相关研究成果以“基于Pound”为基础-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，自然通讯发表在《自然通讯》中（Nature Communications）期刊。
清华大学电气系是第一个完成这项工作的单位。马昕雨，2023届电气系博士毕业生，论文第一作者，电气系教授曾峥，副教授庄池杰，精仪系助理教授鲍成英，论文联合通讯作者。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和清华大学自主研究计划的支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-45699-w