一种片上量子磁传感前端结构及磁场检测系统与方法与流程

本发明涉及一种片上量子磁传感前端结构及磁场检测系统与方法，适用于量子色心磁检测以及导航检测，属于量子传感与量子探测领域。

背景技术：

1、随着量子精密测量技术的发展，基于固态自旋量子缺陷的磁场检测技术在地磁探测、弱磁测量和量子导航等领域显示出重要应用价值。

2、现有技术中，广泛研究的方案主要基于金刚石中氮-空位色心（nv色心）实现磁场检测。

3、然而，现有nv色心磁传感方案通常存在以下问题：

4、1.金刚石材料难以实现大尺寸外延生长，工艺成本高；

5、2.微波激励多采用外部线圈或非片上结构，难以与微纳加工工艺集成；

6、3.微波场分布不均匀，限制了量子操控一致性；

7、4.系统结构复杂，不利于小型化和工程应用。

8、因此，亟需一种兼容半导体工艺、可片上集成、适用于量子磁传感前端的结构方案。

技术实现思路

1、本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种片上量子磁传感前端结构及磁场检测系统与方法，解决现有技术中量子磁传感器难以片上集成、微波操控效率低和系统复杂度高的问题。

2、本发明的技术解决方案是：一种片上量子磁传感前端结构，包括：

3、半导体衬底、外延层、两组固态自旋量子缺陷阵列、光学匹配层、片上微波传输结构，其中：

4、半导体衬底为整个结构的基底；

5、外延层设置在半导体衬底上表面，用于制备固态自旋量子缺陷阵列；

6、固态自旋量子缺陷阵列为多个色心组成的阵列，作为量子传感的敏感单元，其自旋态能够被微波场进行相干操控；

7、光学匹配层设置于外延层的上表面，用于增加荧光出射比例；

8、片上微波传输结构设置在光学匹配层上，位于固态自旋量子缺陷阵列的两侧，用于在工作频率下形成操控固态自旋量子缺陷的横向微波场。

9、优选的，片上微波传输结构包括：信号导体和两个接地导体，其中：

10、信号导体位于两组固态自旋量子缺陷阵列之间，用于传导微波能量；

11、两个接地导体分别两组固态自旋量子缺陷阵列整体的两侧，与信号导体形成共面波导传输线；

12、当信号导体和接地导体连接微波源时，信号导体与接地导体之间的区域内形成微波场。

13、优选的，外延层为氮掺杂浓度低于5×1014cm-3的4h型碳化硅。

14、优选的，每组固态自旋量子缺陷阵列的色心为双空位色心，双空位色心通过辐照工艺或粒子注入工艺实现对外延层表面碳化硅晶体结构中原子的轰击形成缺陷，缺陷形成后通过高温退火工艺对色心激活以及对晶格修复，形成稳定的双空位色心。

15、优选的，每组固态自旋量子缺陷阵列中的色心设置大于等于一行，色心的排布方式包括均匀阵列、非均匀阵列、准周期阵列或梯度阵列。

16、优选的，光学匹配层的折射率介于碳化硅与空气之间，且与半导体工艺兼容，材料选择氧化铝或二氧化硅。

17、优选的，片上微波传输结构的频率范围为1 ghz ~ 2 ghz 。

18、优选的，片上微波传输结构的拓扑构型包括：直线型共面结构、弯折型结构、渐变型结构或具备等效阻抗特性的分布式结构，其电学参数与固态自旋量子缺陷阵列的空间分布相适配。

19、第二方面，提供一种基于片上量子磁传感前端结构的磁场检测系统，包括：前端结构、激光源、光学耦合单元、光电探测器、微波源、信号处理单元，其中：

20、微波源连接前端结构的信号导体、接地导体，并施加特定频率的微波信号，使信号导体与接地导体之间的区域内形成微波场，对前端结构的固态自旋量子缺陷阵列进行相干操控；

21、激光源对前端结构的固态自旋量子缺陷阵列进行激光照射，激发固态自旋量子缺陷阵列的双空位色心发生光学跃迁，发出荧光信号；

22、光学耦合单元接收荧光信号，处理生成光学耦合信号发送至探测器；

23、光电探测器将接收的光学耦合信号经过光电转换生成能够表征荧光信号强度的电信号，发送至信号处理单元；

24、信号处理单元依据电信号分析实测荧光强度随微波频率的变化关系，获得odmr谱线；依据odmr谱线的分裂间距与偏移量，结合预设的自旋哈密顿量模型，反演出待测磁场的幅值与方向信息。

25、第三方面，提供一种基于片上量子磁传感前端结构的磁场检测方法，包括：

26、在待测磁场中布置片上量子磁传感前端结构；

27、将微波源连接前端结构的信号导体、接地导体，并施加特定频率的微波信号，使信号导体与接地导体之间的区域内形成微波场；启动激光源对前端结构的固态自旋量子缺陷阵列进行激光照射，激发固态自旋量子缺陷阵列的双空位色心发生光学跃迁，发出荧光信号；

28、光学耦合单元接收汇聚荧光信号，处理生成光学耦合信号发送至探测器；

29、光电探测器将接收的光学耦合信号经过光电转换生成能够表征荧光信号强度的电信号，发送至信号处理单元；

30、信号处理单元依据电信号分析实测荧光强度随微波频率的变化关系，获得odmr谱线；依据odmr谱线的分裂间距与偏移量，结合预设的自旋哈密顿量模型，反演出待测磁场的幅值与方向信息。

31、本发明与现有技术相比具有如下优点：

32、（1）片上近场几何增强微波结构：利用片上微波传输结构的几何构型，在外延层表面沉积光学匹配层，增加荧光出射比例，在光学匹配层表面形成局域微波近场增强区，无需外部磁体；可在无外加静态磁体条件下进行弱磁及地磁检测，实现微波激励与量子缺陷的高度集成，提高磁场检测灵敏度；

33、（2）色心阵列与微波增强区的空间协同设计：将双空位色心阵列布置于微波结构的近场增强区内，实现高效、稳定的量子自旋操控；

34、（3）作为量子磁传感系统的“前端单元”：首次从系统架构上将量子磁传感器拆分为“前端芯片+后端处理”，有利于模块化和工程化；显著降低系统体积和功耗，适合片上集成与批量制造，兼容碳化硅半导体工艺，利于与mems、光学系统协同集成，为量子导航、片上量子传感和微型磁测系统提供关键硬件基础。

1.一种片上量子磁传感前端结构，其特征在于包括：

2.根据权利要求1所述的一种片上量子磁传感前端结构，其特征在于：

3.根据权利要求1所述的一种片上量子磁传感前端结构，其特征在于：

4.根据权利要求1所述的一种片上量子磁传感前端结构，其特征在于：

5.根据权利要求2所述的一种片上量子磁传感前端结构，其特征在于：

6.根据权利要求1所述的一种片上量子磁传感前端结构，其特征在于：

7.根据权利要求1所述的一种片上量子磁传感前端结构，其特征在于：

8.根据权利要求1所述的一种片上量子磁传感前端结构，其特征在于：片上微波传输结构（5）的拓扑构型包括：直线型共面结构、弯折型结构、渐变型结构或具备等效阻抗特性的分布式结构，其电学参数与固态自旋量子缺陷阵列的空间分布相适配。

9.一种基于片上量子磁传感前端结构的磁场检测系统，其特征在于包括：前端结构、激光源（81）、光学耦合单元（82）、光电探测器（83）、微波源（84）、信号处理单元（85），其中：

10.一种基于片上量子磁传感前端结构的磁场检测方法，其特征在于包括：