美国斯坦福大学：22THz超宽调谐！薄膜铌酸锂片上的中红外光源新突破

中红外波段覆盖大量分子的“指纹”吸收线，是气体分析、环境监测、生物医学检测和自由空间通信的重要光谱窗口。若能把宽带、相干、可调谐的中红外光源做进芯片，许多原本依赖大型台式设备的光谱系统，就有机会变得更紧凑、更稳定，也更容易规模化部署。但难点在于传统宽调谐中红外光源常常需要机械调节、温度扫描或多台泵浦激光器；已有片上光学参量振荡器虽然体积小，却往往只能覆盖有限波段。

近期美国斯坦福大学团队在薄膜铌酸锂平台上研制出一款片上中红外光学参量振荡器，该器件由固定波长的1.045 μm近红外激光泵浦、仅通过片上电热调谐，就能产生1.5-1.7 μm信号光和2.7-3.4 μm闲频光，覆盖约22 THz调谐范围；更关键的是，把大范围跳模调谐与同一模式内的连续细调结合起来。成果以“Ultra-wideband electrically tuned mid-infrared on-chip parametric oscillator”为题发表于Nature Photonics。（文章链接：https://doi.org/10.1038/s41566-026-01999-9）

两个微环做光谱“筛子”

实现宽调谐的第一步不是让增益越宽越好，而是要从宽增益中稳定选出一个振荡模式。研究团队先用周期极化薄膜铌酸锂波导产生宽带参量增益，再把两个自由光谱范围略有差异的跑道形微环串联构成游标滤波器。只有当两个微环的谐振峰重合时，信号光才能在腔内获得足够反馈并起振；闲频光则不参与谐振直接输出到中红外。两个调谐微环与一段独立相移区分别由电热器控制，使器件在固定泵浦波长和固定整体温度下也能选择不同的振荡波长。这套结构相当于把传统光学参量振荡器中的机械调腔和滤波功能，压缩进一枚12 mm长的芯片。

图1 片上游标光学参量振荡器的原理与结构：宽带周期极化铌酸锂波导提供参量增益，两个调谐微环构成游标滤波器，独立相移区用于精细控制腔相位，器件总长约12 mm

通过改变两个微环加热器的差分功率，研究人员可以让游标滤波器的透射窗口跨越整个增益带移动。主器件在同一枚芯片、同一泵浦波长下，将信号光从1.515 μm调到1.702 μm，同时把中红外闲频光从2.707 μm推到3.368 μm，形成约22 THz的有效调谐范围。不同游标窗口之间的间隔约为125 GHz；进入某个窗口后，器件还可以继续做更细的连续扫描。实验测得信号光边模抑制比超过70 dB，高分辨率光谱显示线宽低于100 kHz（受测量仪器分辨率限制）。

“宽”并不只体现在波段跨度上，还体现在调谐结果具有良好的可重复性。该器件在数十纳米范围内往返切换时，能够稳定落入相同的游标模式窗口。

图2 宽带电调谐与控制结果：差分加热驱动信号光和闲频光跨越多个游标模式，高分辨率测量显示单模输出，窄范围扫描与重复切换验证了模式选择的稳定性

大范围调谐负责“走得远”，精细调谐则决定能否准确对准分子吸收线。研究团队采用两条互补路径同步改变两个微环的加热功率，可以拖动整个游标窗口，实现亚纳米尺度的连续移动；在信号光保持同一纵模时，再对泵浦激光做125 pm（约34 GHz）的微小扫描，闲频光会随能量守恒关系连续移动超过1 nm，而信号光仍被锁定在原模式附近。这种电热粗选模式+泵浦精扫频率的组合，让同一器件既能跨越数百纳米寻找目标波段，又能在目标附近进行无跳模扫描。

图3 精细波长控制：同步扫描两个调谐微环可实现亚纳米连续调谐，在固定游标模式内微调泵浦波长，可使闲频光连续扫描，同时保持信号光处于同一纵模

调谐范围之外，输出功率决定了光源能否真正服务于光谱测量。实验中，器件在约380 mW片上泵浦功率时开始振荡。泵浦提高到约700 mW后，泵浦耗尽率接近75%，片外中红外闲频光功率超过22 mW。研究团队给出的最大泵浦到闲频功率转换效率约为3%，对应的光子转换效率达到30%±10%。这些数字说明，芯片不只是产生可见的中红外谱线，而是已经进入可被探测和系统使用的多毫瓦输出水平。不过，当前效率仍受到输出耦合与片上损耗限制，作者也明确指出，优化耦合器和谐振腔损耗后还有较大提升空间。

图4 功率表征：随着片上泵浦功率提高，泵浦耗尽率和信号光、闲频光输出功率同步增加，主器件的片外中红外闲频光峰值功率超过22mW

从同类集成相干光源的对比可以看出，这项工作的突出之处并非单个参数破纪录，而是把固定波长泵浦、宽带中红外生成、游标选模和精细调谐放在同一薄膜铌酸锂芯片上。过去许多中红外光源需要外部机械腔、可调泵浦或多温区协同，系统复杂度会随调谐范围迅速增加。这里的主要控制量变成片上加热器电压，为后续封装和自动化控制留下了更清晰的接口。作者进一步指出，通过调整波导色散与材料平台，闲频端有望向约4.2 μm甚至5 μm延伸；但这属于设计可扩展性判断，尚不是本文已经实测的波段；本文展示的不是一台已经完美的中红外芯片光源，而是一种兼顾宽带、单模和电控的可扩展架构。

图5 电调谐集成相干光源的波长覆盖对比。本文薄膜铌酸锂游标光学参量振荡器在中红外区域展现出显著的调谐跨度

总体来看，这项研究的核心贡献是在固定近红外泵浦条件下，用片上游标结构把中红外参量振荡器的调谐范围扩展到约22 THz，并同时证明了窄线宽、细调能力和多毫瓦输出。对于芯片级气体光谱、环境监测和生物传感而言，这种一个泵浦源+一枚可电控芯片的组合，有望显著简化未来系统。不过要从实验室原型走向实际应用，这项技术仍需解决一些工程问题：当前电热调谐需要较高功率，稳定到新设定点约需0.5 s，器件还在120-180 ℃下工作。因此，这项成果更适合被看作中红外片上宽调谐光源的一次架构突破。下一步若能降低腔损耗和热功耗、缩短响应时间并完成封装集成，它才会真正从实验室里的宽带光源，走向可部署的光谱与传感平台。

延伸阅读：

[1] Xing E, Yao X, Chang C, et al. A three-wavelength narrow-linewidth mid-infrared optical parametric oscillator based on secondary-pumping tandem MgO:PPLN double crystals[J]. Chinese Optics Letters, 2026, 24(1): 011402.

[2] Yang L, Yao C, Wang X, et al. Precisely tapered fluorotellurite fiber-enabled Raman soliton relay fission for generating a 4–5 μm mid-infrared high-power laser[J]. Photonics Research, 2025, 13(8): 2281-2290. 

[3] Labbé F, Ekici Ç, Zhdanov I, et al. Thin-film lithium niobate quantum photonics: review and perspectives[J]. Advanced Photonics, 2025, 7(4): 044002. 

科学编辑 | 张栋宇

编辑 | 徐睿