硅基光電芯片在人工智能、超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心、高性能計(jì)算、激光雷達(dá)（LiDAR）和微波光子學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。

單片集成的硅基激光器具有低功耗、集成度高等優(yōu)點(diǎn)，是未來光互連和高速光通信芯片的發(fā)展趨勢(shì)。近年來，在硅襯底上直接外延生長III-V族量子點(diǎn)（QD）激光器取得了顯著的進(jìn)展，為硅基光電集成奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，但尚未實(shí)現(xiàn)硅基激光器與光電子器件的單片集成。

中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心張建軍、王霆、王子昊近年來一直聚焦于面向大規(guī)模硅基光電子集成的硅基片上光源，在硅基可集成激光器方向取得了重要進(jìn)展，在國際上相關(guān)研究領(lǐng)域中處于前列。近年來的代表性工作包括實(shí)現(xiàn)了最寬的平頂量子點(diǎn)頻梳激光器，四個(gè)激光器陣列可達(dá)到4.8 Tbit/s的傳輸速率（Photon. Res. 2022; 10, 1308）；通過相位調(diào)控的自注入鎖定方法實(shí)現(xiàn)了硅基外延III-V族窄線寬量子點(diǎn)激光器（Photon. Res. 2022; 10, 1840）；率先實(shí)現(xiàn)了SOI基單片集成的InAs量子點(diǎn)單橫模激光器（ACS Photon. 2023; 10, 1813）。

團(tuán)隊(duì)近期與上海交通大學(xué)蘇翼凱、郭旭涵及松山湖材料實(shí)驗(yàn)室韋文奇等人合作，在團(tuán)隊(duì)前期高質(zhì)量硅基III-V族材料基礎(chǔ)上，提出硅基嵌入式外延方法，將InAs/GaAs量子點(diǎn)激光器與硅波導(dǎo)集成在同一SOI襯底上（圖1），成功將硅基激光器的光通過端面耦合到硅波導(dǎo)，首次實(shí)現(xiàn)了激光器與波導(dǎo)的單片集成，被審稿人評(píng)價(jià)為“具有巨大科學(xué)和技術(shù)影響力的出色研究工作，這是集成光子領(lǐng)域的重大進(jìn)展”。

圖1. 激光器與波導(dǎo)單片集成器件

研究人員研究了嵌入式激光器的不同溫度L-I曲線及耦合后的輸出功率。在連續(xù)波（CW）電流操作模式下激光器激射溫度可至95℃以上，室溫閾值電流約為50 mA。注入電流為250 mA時(shí)，最大輸出功率為37 mW。在注入電流為210 mA時(shí)，嵌入式激光器通過硅波導(dǎo)耦合輸出的光學(xué)功率達(dá)到6.8 mW（圖2）。此外，研究還發(fā)現(xiàn)與常見的具有單個(gè)尖端的反向錐形耦合器相比，具有多個(gè)錐形尖端的邊緣耦合器由于其光斑尺寸與激光器的模式輪廓更相似，因此具有更高的耦合效率和更好的對(duì)準(zhǔn)容差。

圖2. SOI基集成III-V族量子點(diǎn)激光器的工作特性 相關(guān)研究結(jié)果以“Monolithic integration of embedded III-V lasers on SOI”為題發(fā)表在Light: Science & Application 雜志上(Light. Sci. Appl.12, 84 (2023) )，該文章的第一作者為中科院物理所博士后韋文奇（現(xiàn)松山湖材料實(shí)驗(yàn)室副研究員），博士生楊礴，副研究員王子昊與上海交通大學(xué)博士生何安。通訊作者為張建軍研究員、王霆副研究員、蘇翼凱教授和郭旭涵副教授。 上述研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，國家自然科學(xué)杰出青年基金、面上基金，中科院青促會(huì)的支持。

審核編輯：劉清