基于磁光效应的全集成磁力计，为磁场探测开辟新机遇
2026-06-12 15:38:23 来源：麦姆斯咨询评论：0 点击：

研究团队提出了一种基于硅基集成光子学与磁光（MO）薄膜异质集成技术的全光磁力计，并完成了器件设计、理论建模和实验验证。研究人员将薄铈掺杂钇铁石榴石层键合到集成硅光子干涉仪上，利用传感器中的非互易相位偏移（NRPS）实现微弱磁场波动检测。

具有高灵敏度和高空间分辨率的磁场传感器已对从地理定位和导航到医学成像、材料科学和空间探索的众多应用产生了深远影响。然而，传统的高精度磁力计往往因体积庞大或能效低下而应用受限。

据麦姆斯咨询报道，加州大学圣巴巴拉分校、麻省理工学院、东京科学大学等机构的联合研究团队提出了一种基于硅基集成光子学与磁光（MO）薄膜异质集成技术的全光磁力计，并完成了器件设计、理论建模和实验验证。研究人员将薄铈掺杂钇铁石榴石（Ce:YIG）层键合到集成硅光子干涉仪上，利用传感器中的非互易相位偏移（NRPS）实现微弱磁场波动检测。该方案在室温下实现了超过80 dB的动态范围和优于40 pT/√Hz的探测灵敏度。

重要的是，依托于成熟的硅光子学，该核心平台可通过晶圆代工制造实现规模化量产，并且其超低功耗特性支持其与片上激光器、探测器及量子元件实现完全系统集成，从而进一步提升探测灵敏度。这项工作为实现基于集成光子系统的紧凑型、可扩展的室温磁力计提供了可行路径，为超高灵敏度、超高效的磁场探测器开辟了新机遇。相关研究成果以“Integrated magneto-optic-based magnetometer: classical and quantum limits”为题发表于Optica期刊。

工作原理与器件布局

本项研究所提出的全集成光子磁力计利用了当磁场与光传播方向相互垂直时（Voigt构型）所产生的NRPS效应。图1展示了该磁力计结构。研究人员在非平衡马赫-曾德尔干涉仪（MZI）的一条臂上集成磁光材料；通过改变入射激光的波长，可在每个光电探测器（PD）的输出功率中观察到特征干涉条纹。当外加磁场开启时，在磁光材料臂内传播的光信号会受到NRPS效应的影响，从而导致干涉条纹发生偏移，以此实现磁场探测。

全集成光子磁光传感器的原理示意图

图1 全集成光子磁光传感器的原理示意图

噪声来源分析

通过测量平衡式光电探测器的电流，可以检测出磁场的强度。然而，入射激光的功率波动、温度变化引起的相位波动以及光电探测器的噪声都会导致电流发生变化，这些变化可能被误认为是磁场的变化。各类噪声的存在限制了能够被精准探测到的最小磁场强度。主要有五大独立噪声源：激光器相对强度噪声（Laser Relative Intensity Noise）、热折射噪声（Thermo-Refractive Noise）、热磁波动噪声（Thermal-Magnetic Fluctuation）、光电探测器热噪声（PD Thermal Noise）、光电探测器散粒噪声（PD Shot Noise）。研究结合波动方程、热传导方程与磁动力学方程，推导各类噪声的功率谱密度与等效噪声电流，最终建立器件最小可探测磁场的综合计算模型，明确各类噪声在全频段的权重分布。

异质Ce:YIG-On-Si磁力计的建模分析

为了评估所提出全光磁力计的性能，研究人员基于绝缘体上硅（SOI）平台制造了MZI，并在其顶部键合了Ce:YIG层。在集成键合Ce:YIG层的硅波导中，当外加磁场位于磁光材料平面内且垂直于光传播方向时，基模横磁（TM）模式表现出NRPS；当外加磁场方向改变时，则无法观察到NRPS；而对于基模横电（TE）模式，受到波导截面结构对称性约束，不会产生显著的NRPS。研究人员对该异质Ce:YIG-On-Si磁力计进行了模拟，相关模拟结果如图2所示。

异质Ce:YIG-on-Si集成磁力计的模拟器件性能

图2 异质Ce:YIG-on-Si集成磁力计的模拟器件性能

实验验证

研究人员利用MZI（如图3a）对所提出的全光磁力计进行了实验验证。在该概念验证器件中，硅MZI的两条臂上沉积了400 nm厚的Ce:YIG层，顶部覆盖了5 μm厚的钆镓石榴石（SGGG）层。两组集成金电磁铁用于产生面内磁场。为了表征MZI，将可调谐连续波单模激光器的光信号通过左侧端口入射，并使用InGaAsP光电探测器在右侧采集输出功率，相关结果如图3b。

异质Ce:YIG-on-Si集成磁力计的实验验证

图3 异质Ce:YIG-on-Si集成磁力计的实验验证

图4a展示了在不同臂长与不同磁光材料传播损耗条件下全光磁力计的灵敏度变化情况。如图4b所示，该器件在低频时灵敏度约为40 pT/√Hz，在频率大于200 MHz时灵敏度提升至约6 pT/√Hz，此时，该器件受到光电探测器散粒噪声（即量子极限）的限制。

灵敏度分析

图4 灵敏度分析

总结

综上所述，这项研究证明了具有磁光包层的磁力计可有效实现外加磁场的检测。作为概念验证，研究人员采用了带有键合Ce:YIG层的硅MZI，并集成用于施加磁场的电磁铁。这种磁力计设计能与激光器和平衡光电探测器实现芯片级集成，并可与数字电子设备无缝结合，以实现快速控制和信号处理。包含激光器和平衡光电探测器的完整封装器件，可在仅有几平方毫米的面积内实现总重量仅为几克，并且激光功耗低于100 mW。凭借如此高的性能和室温工作特性，这种异质Ce:YIG-on-silicon磁力计为尺寸、重量和功率受限的关键应用提供了一种极具吸引力的磁场探测解决方案。

论文链接：https://doi.org/10.1364/OPTICA.577791

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