芯片级磁强计：基于光的高精度磁传感技术

近日， 研究人员研发出一款高精度磁强计，其基于一种特殊材料，该材料会随磁场变化调整光学特性。这款集成于芯片的器件，有望应用于太空任务、导航及生物医学领域。

高精度磁强计可用于各类场景中磁场强度与方向的测量。然而，当前多数磁强计需在极低温环境（接近绝对零度）下运行，或依赖体积庞大、重量可观的设备，这极大限制了它们的实用性。

“我们的器件可在室温下工作，且能完全集成到芯片上，” 该研究联合首席研究员、UCSB 及 the University of Cagliari, Italy的Paolo Pintus表示，“这款磁强计重量轻、功耗低，非常适合小型卫星使用，可助力开展行星周边磁区研究，或辅助识别太空中的外来金属物体。”

图注：研究人员研发出一款高精度片上磁强计，其核心材料会随磁场变化调整光学特性。

图｜相关论文（来源：Brian Long, Senior Artist, University of California, Santa Barbara）

该研究团队由UCSB的Galan Moody领衔，麻省理工大学的Caroline A. Ross担任联合首席研究员，他们在《Optica》期刊中详细介绍了这款新型磁强计。研究表明，该器件的灵敏度可与其他高性能磁强计相媲美，且更具实用性。

“这款磁强计可用于磁导航，” Pintus指出，“在全球定位系统（GPS）遭遇干扰、欺骗或无法使用的环境中 —— 如水下、隧道内或电子战期间，它能提供一种替代导航方案。此外，它还可助力心磁图、脑磁图等医学成像技术的发展，这类技术目前依赖灵敏度极高但设备庞大、成本高昂的磁强计。”

以光为媒，洞察磁场

这款新型磁强计是美国国家科学基金会 “量子系统转型性进展之量子传感挑战” 项目的研究成果之一。其研发基于研究团队此前的工作 —— 他们曾利用磁光材料开发磁光调制器，并为光子内存计算技术研发集成磁光存储器。

该新型器件采用了一种名为Ce:YIG的磁光材料，由东京理科大学的Yuya Shoji提供。当存在外磁场时，穿过 Ce:YIG 的光会发生相移，这种相移可通过光学干涉仪检测到。

图注：研究人员研发出一款基于特殊材料的高精度片上磁强计，该材料会随磁场变化调整光学特性。

图｜相关论文（来源：Brian Long, Senior Artist, University of California, Santa Barbara）

光学干涉仪的工作原理是将光分成两条光路，随后再将其重组。研究人员将磁光材料置于其中一条光路中，通过测量该光路中光的明暗变化，即可确定磁场强度。

为提升器件的实用性，研究团队将其构建于硅光子学平台之上。硅光子学是一种利用微芯片中常见的硅材料制造微型光学器件的技术，这一选择使得器件能够实现极小的尺寸、重量和功耗，且可与激光器、光电探测器等其他片上光学组件集成。

“历史上，磁光材料几乎仅用于光隔离器和光环行器这类特殊器件，其作用是确保光的单向传播，” Pintus表示，“通过将磁光材料直接集成到光子集成电路中，我们拓展了集成光子组件的应用范围，并引入了源于其独特属性的新功能。”

这款磁强计可采用普通激光运行，但研究人员已证实，注入量子光能够提升其性能。“这一思路与 LIGO（激光干涉引力波天文台）等用于探测引力波的大型光学干涉仪所采用的技术类似，” Pintus解释道，“通过使用压缩光—— 一种特殊的量子光态 ——我们可以降低噪声，从而提高仪器的灵敏度。”

微型器件，超高灵敏度

研究人员通过多物理场仿真与实验测量相结合的方法证实，该器件可探测的磁场范围为几十皮特斯拉至 4 毫特斯拉。作为参考，地球磁场的强度约为该器件最低探测磁场的 10 万倍，同时约为其最高可测磁场的千分之一。该灵敏度可与高性能低温磁强计相媲美，且无需承受后者在温度、尺寸、重量或功耗方面的严苛限制。

“这项研究汇集了集成光学器件建模与制造、材料科学以及光 - 物质相互作用量子级建模领域的专家，”Pintus表示，“这些学科之间的协同合作，使我们能够研发出一款高性能器件，而这种性能是任何单一学科都无法实现的。”

目前，研究人员已在验证该技术方案的可行性方面迈出了重要一步。他们正通过探索替代磁光材料、集成量子元件等方式提升器件性能，以实现更高灵敏度。研究团队指出，要将该研究成果转化为商业产品，还需完成一项具有挑战性的任务 —— 构建一个完全集成的片上系统，其中需包含激光器、光电探测器等其他关键组件。

作者：

P. Pintus, H. Wang, S. Srinivasan, S. Pinna, D. Huang, Y. Shoji, C. A. Ross, J. E. Bowers, G. Moody,

期刊信息：

《Optica》，第 12 卷，（2025 年）