近日，中山大学电子与信息工程学院、光电材料与技术全国重点实验室张彦峰、余思远团队在氮化硅光电子芯片片上集成光源研究中取得重要进展，首次在单个氮化硅微环谐振腔中实现了可精准步进式和连续调谐、调谐频率范围超过5 THz、能量转换效率达25%的片上光参量振荡器。该成果以“Broadband and accurate electric tuning of on-chip efficient nonlinear parametric conversion”为题，于2025年3月19日发表于美国光学学会旗舰期刊Optica，博士生李嘉琦为第一作者，张彦峰副教授和余思远教授为共同通讯作者。并在已有50年历史的国际光通信顶级会议OFC2025（Optical Fiber Communication Conference and Exhibition 2025）被评为顶分（Top-Scored）论文（W1I.5,OFC2025）。

输出光频率可以在电信号控制下宽范围精准调谐的片上相干光源是光互连、光通信、量子信息、精密计量和传感等领域光电子芯片的片上核心器件，基于非线性光转换的光参量振荡器是实现这类高质量相干光源的主要手段，特别在没有合适激光发射材料的波段几乎是唯一解决方案。此类片上光源需兼顾高调谐精度、宽调谐范围与高能量转换效率，而传统的片上光参量振荡器或调谐范围受限、或难以精准调控，且普遍能量转换效率低下（<1%）。

为突破上述瓶颈，研究团队创新地提出部分周长光栅氮化硅微环光参量振荡器新结构（图1a），解除了传统结构中光栅反射峰与微环谐振峰的锁定关系，使其可以通过热电极实现对光栅区域和整个微环的分别独立调控。进一步采用互补热电极结构（图1b），通过二者间反向变化的差模调控（图1d）以及同向变化的共模调控（图1e），实现了对微环谐振腔模式中心频率和光栅色散的分别独立控制，因而实现了精准针对微环腔目标模式的相位匹配的新机制（图1c）。

图1. (a) 部分周长光栅微环腔；(b) 互补热电极架构，插图为微环上部分周长光栅的端点；(c) 可调谐光参量振荡器的相位匹配输出模式示意图；(d) 基于差模调控的模式劈裂独立控制；(e) 基于共模调控的中心频率独立调谐。

团队基于上述创新结构和机制，实验演示了高效率电控调谐的氮化硅片上光参量振荡器，可在宽达5 THz范围内输出一系列闲频光和信号光（图2a, b）。通过差模调控实现了以微环谐振腔自由光谱范围（FSR）为步长的宽带步进式调谐；通过共模—差模协同调控实现了连续的输出频率调谐（图2c），演示了该新型器件实现无间隙光谱覆盖的能力，并可实现与原子的跃迁线光频率（~MHz量级）的精准匹配。在片上泵浦功率195 mW时，实测泵浦光到信号光和闲频光的转换效率达25%，较此前报道的电调谐片上光参量振荡器能量转换效率（<0.1%）提高了两个数量级（图2d）。

图2. (a) 基于差模调控的电调谐光参量振荡器输出调谐；(b) 电调谐光参量振荡器输出频率调谐范围；(c) 基于共模-差模协同调控的连续式频率调谐；(d) 高转换效率光参量振荡器的输出光谱。

芯片级非线性光转换是集成光子学的研究前沿，本成果提出一种精确可重构的色散调控新方案，首次在单个集成微腔中实现了宽带可调谐的高效率光参量振荡器。该成果的新结构、新机制可应用至其他三阶或二阶非线性光转换过程，为光学谐波、微腔光频梳等其他片上光源提供新原理，为集成非线性光子学提供高设计自由度与高可重构性平台，为氮化硅光电子芯片在量子信息、精密计量与传感、以及光互连等系统的应用开辟了新路径。

该工作得到国家自然科学基金、合肥实验室科技创新2030计划以及中山大学光电材料与技术全国重点实验室的大力支持。