近日，《自然·通訊》（Nature Communications）期刊報道了清華大學電機系在高靈敏度、微型化電場傳感器研究中取得的重要進展。

微弱電場測量在工業、國防、科研領域均有著不可替代的作用。光學電場測量響應快、帶寬大。過去數十年，基于體鈮酸鋰的集成光學電場傳感器取得了長足發展，但受材料、工藝限制，仍存在靈敏度不夠高、長期穩定性等難題。

微腔電場傳感器及潛在應用

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，但傳統工藝完全無法加工。2018年起，項目組針對LNOI難以加工的關鍵難題，經過幾年摸索，獨立研發了低損耗、高效率的加工工藝，實現了傳輸損耗為0.13 dB/cm的波導高質量刻蝕。

與以往利用數厘米長干涉光路實現電場傳感不同，項目組基于LNOI，設計并實現了尺寸為百微米的高品質因子微環諧振腔，通過增加微波和光波的相互作用，從本質上大幅提高了靈敏度。

與Pound-Drever-Hall方法結合，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。最終實現了探測靈敏度為5.2 μV/(√mHz)、可實時測量電場強度和相位的電場傳感器。

微腔電場傳感原理

實測傳感器件1（最高品質因子）和傳感器件2（最低品質因子）的初始最小可測場強分別為8.8和29.5 μV/(√mHz)，帶寬分別為414和101 MHz，動態范圍分別為123和122 dB。進一步降低系統噪聲后，器件1 的最小可測場強達到了5.2 μV/(√mHz)，是經典物理領域、同帶寬下，已報道的最靈敏的電場傳感器。

研究成果以Integrated microcavity electric field sensors using Pound-Drever-Hall detection（“基于Pound-Drever-Hall探測的集成微腔電場傳感器”）為題，發表于《自然·通訊》期刊。

清華大學電機系是該工作第一完成單位；電機系2023屆博士畢業生馬昕雨是論文第一作者，其博士論文獲評清華大學優秀博士論文。電機系教師曾嶸、莊池杰及精儀系鮑成英為論文的共同通訊作者。

該研究得到了國家自然科學優秀青年基金、科技部國家重點研發計劃、清華大學自主科研計劃等項目支持。

審核編輯：劉清