近日，中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院、光電材料與技術(shù)全國重點實驗室張彥峰、余思遠(yuǎn)團隊在氮化硅光電子芯片片上集成光源研究中取得重要進(jìn)展，首次在單個氮化硅微環(huán)諧振腔中實現(xiàn)了可精準(zhǔn)步進(jìn)式和連續(xù)調(diào)諧、調(diào)諧頻率范圍超過5 THz、能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)25%的片上光參量振蕩器。該成果以“Broadband and accurate electric tuning of on-chip efficient nonlinear parametric conversion”為題，于2025年3月19日發(fā)表于美國光學(xué)學(xué)會旗艦期刊Optica，博士生李嘉琦為第一作者，張彥峰副教授和余思遠(yuǎn)教授為共同通訊作者。并在已有50年歷史的國際光通信頂級會議OFC2025（Optical Fiber Communication Conference and Exhibition 2025）被評為頂分（Top-Scored）論文（W1I.5,OFC2025）。

輸出光頻率可以在電信號控制下寬范圍精準(zhǔn)調(diào)諧的片上相干光源是光互連、光通信、量子信息、精密計量和傳感等領(lǐng)域光電子芯片的片上核心器件，基于非線性光轉(zhuǎn)換的光參量振蕩器是實現(xiàn)這類高質(zhì)量相干光源的主要手段，特別在沒有合適激光發(fā)射材料的波段幾乎是唯一解決方案。此類片上光源需兼顧高調(diào)諧精度、寬調(diào)諧范圍與高能量轉(zhuǎn)換效率，而傳統(tǒng)的片上光參量振蕩器或調(diào)諧范圍受限、或難以精準(zhǔn)調(diào)控，且普遍能量轉(zhuǎn)換效率低下（<1%）。

為突破上述瓶頸，研究團隊創(chuàng)新地提出部分周長光柵氮化硅微環(huán)光參量振蕩器新結(jié)構(gòu)（圖1a），解除了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中光柵反射峰與微環(huán)諧振峰的鎖定關(guān)系，使其可以通過熱電極實現(xiàn)對光柵區(qū)域和整個微環(huán)的分別獨立調(diào)控。進(jìn)一步采用互補熱電極結(jié)構(gòu)（圖1b），通過二者間反向變化的差模調(diào)控（圖1d）以及同向變化的共模調(diào)控（圖1e），實現(xiàn)了對微環(huán)諧振腔模式中心頻率和光柵色散的分別獨立控制，因而實現(xiàn)了精準(zhǔn)針對微環(huán)腔目標(biāo)模式的相位匹配的新機制（圖1c）。

圖1. (a) 部分周長光柵微環(huán)腔；(b) 互補熱電極架構(gòu)，插圖為微環(huán)上部分周長光柵的端點；(c) 可調(diào)諧光參量振蕩器的相位匹配輸出模式示意圖；(d) 基于差模調(diào)控的模式劈裂獨立控制；(e) 基于共模調(diào)控的中心頻率獨立調(diào)諧。

團隊基于上述創(chuàng)新結(jié)構(gòu)和機制，實驗演示了高效率電控調(diào)諧的氮化硅片上光參量振蕩器，可在寬達(dá)5 THz范圍內(nèi)輸出一系列閑頻光和信號光（圖2a, b）。通過差模調(diào)控實現(xiàn)了以微環(huán)諧振腔自由光譜范圍（FSR）為步長的寬帶步進(jìn)式調(diào)諧；通過共?！钅f(xié)同調(diào)控實現(xiàn)了連續(xù)的輸出頻率調(diào)諧（圖2c），演示了該新型器件實現(xiàn)無間隙光譜覆蓋的能力，并可實現(xiàn)與原子的躍遷線光頻率（~MHz量級）的精準(zhǔn)匹配。在片上泵浦功率195 mW時，實測泵浦光到信號光和閑頻光的轉(zhuǎn)換效率達(dá)25%，較此前報道的電調(diào)諧片上光參量振蕩器能量轉(zhuǎn)換效率（<0.1%）提高了兩個數(shù)量級（圖2d）。

圖2. (a) 基于差模調(diào)控的電調(diào)諧光參量振蕩器輸出調(diào)諧；(b) 電調(diào)諧光參量振蕩器輸出頻率調(diào)諧范圍；(c) 基于共模-差模協(xié)同調(diào)控的連續(xù)式頻率調(diào)諧；(d) 高轉(zhuǎn)換效率光參量振蕩器的輸出光譜。

芯片級非線性光轉(zhuǎn)換是集成光子學(xué)的研究前沿，本成果提出一種精確可重構(gòu)的色散調(diào)控新方案，首次在單個集成微腔中實現(xiàn)了寬帶可調(diào)諧的高效率光參量振蕩器。該成果的新結(jié)構(gòu)、新機制可應(yīng)用至其他三階或二階非線性光轉(zhuǎn)換過程，為光學(xué)諧波、微腔光頻梳等其他片上光源提供新原理，為集成非線性光子學(xué)提供高設(shè)計自由度與高可重構(gòu)性平臺，為氮化硅光電子芯片在量子信息、精密計量與傳感、以及光互連等系統(tǒng)的應(yīng)用開辟了新路徑。

該工作得到國家自然科學(xué)基金、合肥實驗室科技創(chuàng)新2030計劃以及中山大學(xué)光電材料與技術(shù)全國重點實驗室的大力支持。