想象一下，光子芯片的核心光源——激光器，能像电路一样直接“长”在硅芯片上，而不是从外部接入。这种“单片集成”的激光器不仅让芯片更紧凑、性能更稳定，还大大提升了可扩展性。更关键的是，如果这种技术能在现有的半导体代工厂实现量产，其商业化大门将真正敞开。
然而，实现这一目标并非易事。传统高性能的III-V族半导体激光器（如使用砷化铟材料）与硅材料存在天然的“不匹配”，直接在硅衬底上生长高质量的激光晶体层困难重重。此外，即使激光器做出来了，如何让激光高效地进入芯片上的硅光波导（即解决“耦合损耗”问题）也是另一大挑战。
最近迎来重要转机！美国加州大学罗莎琳·科西卡（Rosalyn Koscica）博士团队在《光波技术期刊》上发表题为“Quantum Dot DBR Lasers Monolithically Integrated on Silicon Photonics by In-Pocket Heteroepitaxy”的研究成果：他们成功将砷化铟量子点 (QD) 激光器单片集成到了硅光子芯片上。这一突破为克服材料兼容性难题带来了新的希望，向实现集成激光器的量产光子芯片迈出了坚实一步。
据科西卡（Koscica）博士介绍“光子集成电路（PIC）应用需要具有小器件尺寸的片上光源，以便实现更密集的元件集成。”
为了实现这种单片集成，研究人员结合了三个关键概念：
1.“口袋激光器”策略：用于实现单片集成；
2.两步材料生长方案：结合金属有机化学气相沉积（MOCVD）和分子束外延（MBE）技术，以减小初始间隙尺寸；
3.聚合物填隙方法：用于最小化间隙中的光束发散。
基于这些方法，他们在硅光子小芯片上开发出了单片集成的量子点激光器。
(a) 集成器件，其集成 4 mm III-V 增益介质与片上硅光子器件耦合，测试成像。(b) 集成激光器及相关硅光子器件脊部横截面示意图。(c) 激光器脊部 SEM 横截面，倾斜 60°。(d) 1310 nm 激光模式的 Lumerical MODE 模拟。(e) 集成激光器脊部端面经 BCB 间隙填充后 SEM 图像，倾斜 30°。BCB 标记为蓝色以便识别。(f) (a) 中方框区域硅光子器件特写，显示光路：SiN 输入波导、Si 环、SiN DBR 和输出波导。
在测试中，带有单片集成激光器的小芯片表现出足够低的耦合损耗。因此，量子点激光器能够在芯片内部高效地工作在单一O波段波长上。O波段波长是理想的选择，因为它允许在光子器件内以低色散传输信号。单频激光是通过使用硅制成的环形谐振器或氮化硅制成的分布式布拉格反射器（DBR）实现的。
科西卡（Koscica）博士表示，他们集成的量子点激光器在高达105°C的温度下仍能激射，并且在35°C的工作温度下寿命可达6.2年。
这项激光集成技术为何被寄予厚望，有望广泛采用？核心原因有两点。一是制造兼容性，光子芯片可在标准半导体代工厂中制造。二是设计通用性，量子点激光器集成技术可适用于多种光子集成芯片设计，无需进行大量或复杂的修改。
这项研究所提出的集成技术可通过修改硅光子元件应用于各种光子集成电路设计，为实际应用中实现可扩展、成本效益高的片上光源单片集成铺平了道路。
