具有高靈敏度和高空間分辨率的磁場(chǎng)傳感器已對(duì)從地理定位和導(dǎo)航到醫(yī)學(xué)成像、材料科學(xué)和空間探索的眾多應(yīng)用產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。然而，傳統(tǒng)的高精度磁力計(jì)往往因體積龐大或能效低下而應(yīng)用受限。
據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，加州大學(xué)圣巴巴拉分校、麻省理工學(xué)院、東京科學(xué)大學(xué)等機(jī)構(gòu)的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于硅基集成光子學(xué)與磁光（MO）薄膜異質(zhì)集成技術(shù)的全光磁力計(jì)，并完成了器件設(shè)計(jì)、理論建模和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。研究人員將薄鈰摻雜釔鐵石榴石（Ce:YIG）層鍵合到集成硅光子干涉儀上，利用傳感器中的非互易相位偏移（NRPS）實(shí)現(xiàn)微弱磁場(chǎng)波動(dòng)檢測(cè)。該方案在室溫下實(shí)現(xiàn)了超過(guò)80 dB的動(dòng)態(tài)范圍和優(yōu)于40 pT/√Hz的探測(cè)靈敏度。
重要的是，依托于成熟的硅光子學(xué)，該核心平臺(tái)可通過(guò)晶圓代工制造實(shí)現(xiàn)規(guī)模化量產(chǎn)，并且其超低功耗特性支持其與片上激光器、探測(cè)器及量子元件實(shí)現(xiàn)完全系統(tǒng)集成，從而進(jìn)一步提升探測(cè)靈敏度。這項(xiàng)工作為實(shí)現(xiàn)基于集成光子系統(tǒng)的緊湊型、可擴(kuò)展的室溫磁力計(jì)提供了可行路徑，為超高靈敏度、超高效的磁場(chǎng)探測(cè)器開(kāi)辟了新機(jī)遇。相關(guān)研究成果以“Integrated magneto-optic-based magnetometer: classical and quantum limits”為題發(fā)表于Optica期刊。
工作原理與器件布局
本項(xiàng)研究所提出的全集成光子磁力計(jì)利用了當(dāng)磁場(chǎng)與光傳播方向相互垂直時(shí)（Voigt構(gòu)型）所產(chǎn)生的NRPS效應(yīng)。圖1展示了該磁力計(jì)結(jié)構(gòu)。研究人員在非平衡馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x（MZI）的一條臂上集成磁光材料；通過(guò)改變?nèi)肷浼す獾牟ㄩL(zhǎng)，可在每個(gè)光電探測(cè)器（PD）的輸出功率中觀察到特征干涉條紋。當(dāng)外加磁場(chǎng)開(kāi)啟時(shí)，在磁光材料臂內(nèi)傳播的光信號(hào)會(huì)受到NRPS效應(yīng)的影響，從而導(dǎo)致干涉條紋發(fā)生偏移，以此實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)探測(cè)。
圖1 全集成光子磁光傳感器的原理示意圖
噪聲來(lái)源分析
通過(guò)測(cè)量平衡式光電探測(cè)器的電流，可以檢測(cè)出磁場(chǎng)的強(qiáng)度。然而，入射激光的功率波動(dòng)、溫度變化引起的相位波動(dòng)以及光電探測(cè)器的噪聲都會(huì)導(dǎo)致電流發(fā)生變化，這些變化可能被誤認(rèn)為是磁場(chǎng)的變化。各類(lèi)噪聲的存在限制了能夠被精準(zhǔn)探測(cè)到的最小磁場(chǎng)強(qiáng)度。主要有五大獨(dú)立噪聲源：激光器相對(duì)強(qiáng)度噪聲（Laser Relative Intensity Noise）、熱折射噪聲（Thermo-Refractive Noise）、熱磁波動(dòng)噪聲（Thermal-Magnetic Fluctuation）、光電探測(cè)器熱噪聲（PD Thermal Noise）、光電探測(cè)器散粒噪聲（PD Shot Noise）。研究結(jié)合波動(dòng)方程、熱傳導(dǎo)方程與磁動(dòng)力學(xué)方程，推導(dǎo)各類(lèi)噪聲的功率譜密度與等效噪聲電流，最終建立器件最小可探測(cè)磁場(chǎng)的綜合計(jì)算模型，明確各類(lèi)噪聲在全頻段的權(quán)重分布。
異質(zhì)Ce:YIG-On-Si磁力計(jì)的建模分析
為了評(píng)估所提出全光磁力計(jì)的性能，研究人員基于絕緣體上硅（SOI）平臺(tái)制造了MZI，并在其頂部鍵合了Ce:YIG層。在集成鍵合Ce:YIG層的硅波導(dǎo)中，當(dāng)外加磁場(chǎng)位于磁光材料平面內(nèi)且垂直于光傳播方向時(shí)，基模橫磁（TM）模式表現(xiàn)出NRPS；當(dāng)外加磁場(chǎng)方向改變時(shí)，則無(wú)法觀察到NRPS；而對(duì)于基模橫電（TE）模式，受到波導(dǎo)截面結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性約束，不會(huì)產(chǎn)生顯著的NRPS。研究人員對(duì)該異質(zhì)Ce:YIG-On-Si磁力計(jì)進(jìn)行了模擬，相關(guān)模擬結(jié)果如圖2所示。
圖2 異質(zhì)Ce:YIG-on-Si集成磁力計(jì)的模擬器件性能
實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
研究人員利用MZI（如圖3a）對(duì)所提出的全光磁力計(jì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在該概念驗(yàn)證器件中，硅MZI的兩條臂上沉積了400 nm厚的Ce:YIG層，頂部覆蓋了5 μm厚的釓鎵石榴石（SGGG）層。兩組集成金電磁鐵用于產(chǎn)生面內(nèi)磁場(chǎng)。為了表征MZI，將可調(diào)諧連續(xù)波單模激光器的光信號(hào)通過(guò)左側(cè)端口入射，并使用InGaAsP光電探測(cè)器在右側(cè)采集輸出功率，相關(guān)結(jié)果如圖3b。
圖3 異質(zhì)Ce:YIG-on-Si集成磁力計(jì)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
圖4a展示了在不同臂長(zhǎng)與不同磁光材料傳播損耗條件下全光磁力計(jì)的靈敏度變化情況。如圖4b所示，該器件在低頻時(shí)靈敏度約為40 pT/√Hz，在頻率大于200 MHz時(shí)靈敏度提升至約6 pT/√Hz，此時(shí)，該器件受到光電探測(cè)器散粒噪聲（即量子極限）的限制。
圖4 靈敏度分析
總結(jié)
綜上所述，這項(xiàng)研究證明了具有磁光包層的磁力計(jì)可有效實(shí)現(xiàn)外加磁場(chǎng)的檢測(cè)。作為概念驗(yàn)證，研究人員采用了帶有鍵合Ce:YIG層的硅MZI，并集成用于施加磁場(chǎng)的電磁鐵。這種磁力計(jì)設(shè)計(jì)能與激光器和平衡光電探測(cè)器實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)集成，并可與數(shù)字電子設(shè)備無(wú)縫結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)快速控制和信號(hào)處理。包含激光器和平衡光電探測(cè)器的完整封裝器件，可在僅有幾平方毫米的面積內(nèi)實(shí)現(xiàn)總重量?jī)H為幾克，并且激光功耗低于100 mW。憑借如此高的性能和室溫工作特性，這種異質(zhì)Ce:YIG-on-silicon磁力計(jì)為尺寸、重量和功率受限的關(guān)鍵應(yīng)用提供了一種極具吸引力的磁場(chǎng)探測(cè)解決方案。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1364/OPTICA.577791
