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