微弱电场测量在工业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，清华大学电机系先进的电磁材料和系统团队在研究高灵敏度和微电场传感器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。与以往利用几厘米长的干扰光路实现电场传感不同，项目团队基于LNOI设计，实现了大小为100微米的优质因子微环谐振腔。通过增加微波和光波之间的相互作用，灵敏度大大提高。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，基于Poundd的相关研究成果-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。
清华大学电机系是该工作的第一个完成单位。2023年电机系博士毕业生马新宇是该论文的第一作者，电机系教授曾荣、副教授庄池杰、精仪系助理教授鲍成英是该论文的共同沟通作者。该研究得到了国家优秀自然科学青年基金、科技部国家重点研发计划和清华大学独立研究计划的支持。
原标题：基于薄膜铌酸锂的高灵敏度电场传感器，电机系统先进电磁材料与系统团队合作报告