硅基III-V族片上激光器可结合III-V族材料的高发光效率和硅材料的成熟工艺、高集成度和低成本等特性, 有望引领未来硅基光电子集成领域在不同应用场景的飞速发展：

　　数据通信：硅基光电子芯片发展的最大驱动力仍然是数据通信。英特尔(Intel)、博通（Broadcom）、思科（Cisco）和惠普（Hewlett Packard Enterprise）等公司在硅光芯片持续发力，不断提出具有创新性的解决方案，推动着硅光芯片的传输速率从Gbps迈进了Tbps数量级。

　　激光雷达：基于光学相控阵 (OPA) 的调频连续波 (FMCW) 激光雷达具有实现长探测距离、直接速度测量、强大的抗干扰性的激光雷达系统的潜力。硅基光电子平台作为最有希望实现芯片级激光雷达的平台之一，在近年来已实现了众多关键技术突破。

　　生化传感：Covid-19以来，具有生物健康监测功能的可穿戴设备出现了巨大的市场需求。集成硅光传感技术，主要有光谱吸收型和折射率变化型两种方案。硅光传感技术是实现高灵敏度、便携式传感器的最有前景的方案之一，已推动了多个产品的落地。

　　量子信息处理：光量子技术利用光子的量子特性进行信息的处理，在近年来报道的多个前沿工作中，都被证明了在保密通信、分子模拟等方面具有重要的应用前景。传统的量子光路都是由分立的光学镜片构成，光路复杂，并易受干扰。将量子光源和线性网络部分在硅光芯片上集成之后，光量子信息处理回路体积可大大缩小，并兼具抗干扰，编程操控性等性能，有望成为量子信息领域发展的核心技术之一。

　　光计算：相比于微电子芯片，硅光芯片兼具高通量、高能效比和超低延迟的特性，在计算领域内具有显著优势。当前，硅光计算芯片的研究主要集中于全光逻辑、光电融合神经网络实现等方面，这些创新的计算架构，将为当下摩尔定律制约、冯诺依曼瓶颈等问题提供新的解决思路。

　　图3：集成片上激光器的硅基光子集成芯片的应用

片上激光器及其硅基集成光电子芯片面临的挑战和展望

　　图4：1992年以来不同发展阶段的硅基光子集成的进展情况

　　硅基光电子学中两大核心问题是硅基光源和硅基集成技术。硅基片上光源的集成在近年取得令人瞩目发展的同时，仍面临以下严峻挑战：

　　一、硅基量子点激光器有望满足实际应用中对发光效率、出射功率和高温工作环境的要求，其对光反射不敏感及抗辐照等诸多优势是解决硅基光电集成缺少核心光源这一难题的理想方案。但目前，硅基量子点激光器的大部分研究仍局限于单一器件，硅衬底只起到了衬底的作用。如何实现多种材料和新机理在硅基平台上的融合以及协同优化，如何将量子点器件上的光导入硅波导形成具备完整的光产生、传输、调制、处理和探测功能的硅光芯片，仍然是尚未攻克的难题。

　　二、片上激光器的设计优化重点从单个器件转移到系统层级。如何从单一分立器件的设计优化转移到对面向片上光互连、光计算等大规模集成光路进行系统级设计优化，如何实现光器件和电器件的融合以及如何平衡光电子器件集成密度和工艺制备难度都是我们在设计光芯片时需要重点考虑的问题。

　　三、硅基光电子技术仍处于起步阶段，许多先进的硅基光电子技术仍止步于实验室大门，还未进入产业界的研发阶段。并且，产业界中各大厂商的设计思路和工艺路线之间仍存在较大差异，性价比最优的集成片上激光器方案尚未确定，仍需要学术界和产业界的协同努力寻找最佳的解决的方案。