电场传感是基础科学中的一项重要技术，其应用范围涵盖从探测宇宙快速射电爆发到理解量子物理和闪电起源等各个领域。它也是确保现代社会许多方面平稳运行的核心。许多物理效应，包括电光效应、压电效应、静电力效应和量子效应等，都已被用于电场传感。特别是近年来，利用里德伯(Rydberg)原子或俘获离子的量子传感已达到前所未有的检测极限，分别低至5.5 μV/(m√HZ)和0.2 μV/(m√HZ)。然而，这些方法需要一个复杂的量子态制备系统，并且瞬时传感带宽相对较窄。
据报道，近日，清华大学精密仪器系的鲍成英助理教授和电子工程系的庄池杰副教授、曾嵘教授领导的科研团队在Nature Communications期刊上发表了题为“Integrated microcavity electric field sensors using Pound-Drever-Hall detection”的最新论文。利用基于硅芯片的薄膜铌酸锂(TFLN)光子集成电路(PIC)，团队提出了一种高Q值的微腔电场传感器(MEFS)。利用Pound-Drever-Hall(PDH)检测方案，所提出的微腔电场传感器实现了5.2 μV/(m√HZ)的检测灵敏度，这比之前的铌酸锂(LN)电光电场传感器高出近两个数量级，可与基于原子的量子传感方法相媲美。此外，微腔电场传感器的带宽比量子传感方法宽三个数量级，可实时测量快速电场幅值和相位变化。这种超灵敏微腔电场传感器为电场传感网络的构建奠定了基础，并拓宽了集成微腔的应用范围。
该微腔电场传感器的示意图如图1所示。绝缘体上的薄膜铌酸锂被蚀刻以创建微环谐振器。金电极沉积并图案化在微腔周围，间隙窄至3 μm，从而实现了高效的电光相互作用(图1b、1c)。图1b还显示了微腔的横截面几何形状。共有四个器件被封装于一个低介电常数、低吸湿性的聚醚醚酮盒(4.5 cm × 2.9 cm × 0.8 cm)，封装之后光纤到光纤的插入损耗约为10 dB(每个光纤到芯片面5 dB)。
图1 微腔电场传感器(MEFS)及其潜在的应用
这些器件在图2a所示的实验装置中进行了测试。其中两个器件在封装后经测量其固有Q因子分别为200万和40万，如图2b和2c所示(标记为Device 1和Device 2)。Device 1和Device 2的直径分别为400 μm和200 μm。
为了获得PDH信号，研究人员在3 GHz附近以Ωm/2π的频率对输入激光器(外腔二极管激光器，ECDL)进行相位调制，扫描激光穿过谐振腔时测得的PDH误差信号如图2d所示。
图2 微腔电场传感器(MEFS)的原理
研究人员对微腔电场传感器的性能进行了测试和表征，如图3所示。
图3 微腔电场传感器(MEFS)表征
相对较大的传感带宽(Device 2为0.4 GHz)使微腔电场传感器能够实时测量不同类型的射频(RF)波形。研究人员在平行板电场发生器中对微腔电场传感器进行了测试。图4a中显示了双指数波的测量结果。该波形与电力系统的故障指标和自然界中的闪电电场相对应。微腔电场传感器成功捕获了尖锐的前缘(图4a中的插图)和缓慢衰减的尾部。当拖尾的1/e衰减时间从4 μs变化到500 μs时，拟合的1/e衰减时间与输入信号非常吻合(图4b)。微腔电场传感器还可用于测量高斯(Gaussian)包络脉冲(图4c)。当使用触发信号(图4c中的绿色曲线)触发信号发生器(Keysight 33612A)和示波器，并更改触发和合成脉冲之间的延迟时，拟合的包络峰值位置也与设置的延迟一致(图4d)。准确检测射频脉冲定时的能力可用于测距和定位电网故障。高斯脉冲的载波频率在测量中实际上是随时间变化的，该微腔电场传感器的传感信号准确地再现了它。
图4 实时测量射频波形
该微腔电场传感器兼具高灵敏度和大带宽。研究人员将其性能与已报道的电场传感器进行了比较(图5a)。尽管其灵敏度略低于俘获离子方法，但微腔电场传感器具有更大的瞬时带宽。通过增加Q因子，微腔电场传感器的灵敏度可进一步提高。集成薄膜铌酸锂微腔的Q因子可达到1000万。进一步优化制造工艺可以提高Q因子，薄膜铌酸锂平台的吸收极限Q因子超过1亿。由于本底噪声目前受到光电探测器(PD)的限制，因此降低光纤间的插入损耗和增加Pin也可以提高灵敏度。使用噪声等效功率较低的PD(例如雪崩光电探测器，APD)进行替换也有助于提高灵敏度。综合上述因素，微腔电场传感器的灵敏度可能会提升到比报道的俘获离子结果更好的水平，并且其架构更简单。
图5 全集成微腔电场传感器(MEFS)的性能和集成概念
综上所述，本研究工作进一步表明，高Q微腔是集成光子学的强大引擎。目前在光子集成电路方面取得的进展预示着微腔电场传感器的全面集成前景良好。在不久的将来，薄膜铌酸锂相位调制器和高Q值微腔与III-V激光器和PD的异构集成将成为可能。用于PDH锁定和读出的紧凑CMOS电路的可行性也已得到证实。因此，具有超高灵敏度、宽带宽和大动态范围的芯片集成微腔电场传感器(见图5b)有望得以实现。这种集成可以进一步提高鲁棒性，并减少尺寸、重量和功耗，使微腔电场传感器更好地适应复杂的环境。总之，本研究工作的成果为基于薄膜铌酸锂PIC的电场传感器创下了灵敏度和动态范围的记录，并具有大规模生产的前景。
这项研究获得了国家自然科学基金、国家重点研发计划、清华大学自主科研项目、清华大学-丰田联合研究基金的资助和支持。
