一种基于双芯片的NV色心磁力计：集成微波产生与光学读出

《IEEE Journal of Solid-State Circuits》：A Dual-Chip-Based NV-Center Magnetometer With Integrated Microwave Generation and Optical Readout

　　**摘要：**本文介绍了一种氮空位（NV）中心磁力计，该磁力计集成了两款专用集成电路（ASIC），以实现系统的若干关键功能，标志着NV磁场传感器向小型化和可扩展生产迈出了重要一步。具体而言，该磁力计采用了一款微波ASIC（MW ASIC）来产生所需的微波（MW）磁场，以及一款电流-数字接口ASIC（读出ASIC）来读出光学量子传感器信号。MW ASIC内置了一个片上条纹阵列，用于产生所需的微波磁场。该条纹阵列由片上正交调制器和一种自定义设计的电流驱动器阵列驱动，其中包含串联谐振调谐功能，以最大化产生效率。该条纹阵列在55 mW的功耗下，于300×200 μm的面积上实现了±5%的B?磁场均匀性。读出ASIC对收集NV中心荧光信号的光电二极管的电流进行数字化，在光电二极管大电容存在的条件下，实现了500 kHz的宽频带低噪声读出，功耗为51 mW。该芯片采用了一种新提出的自动平衡方案来抑制激发激光光强的波动。两款芯片均采用130 nm CMOS SOI工艺制造。整合上述两款芯片的磁力计实现了2.1 nT/(Hz)^(1/2)的直流磁场灵敏度，该灵敏度由实测的光学检测磁共振（ODMR）斜率和总输入参考噪声推导得出。