硅基光电子技术以光电子与微电子的深度融合为特征, 是后摩尔时代的核心技术。硅基光电子芯片可以利用成熟的微电子平台实现量产, 具有功耗低、集成密度大、传输速率快、可靠性高等优点, 广泛应用于数据中心、通信系统等领域。除硅基激光器外, 硅基光探测器、硅基光调制器等硅基光电子器件技术已经基本成熟, 但作为最有希望实现低成本、大尺寸单片集成的硅基外延激光器仍然面临着诸多挑战。在此背景下, 本文从直接外延无偏角III-V/Si(001)衬底、无偏角硅基激光器材料、外延技术, 以及单片集成等方面探讨了近些年国内外硅基光源的研究进展, 重点介绍了本研究组在硅基外延III-V族量子阱和量子点激光器方面的研究进展, 包括无反相畴GaAs/Si(001)衬底的制备、硅基InGaAs/AlGaAs量子阱激光器材料外延、硅基InAs/GaAs量子点激光器材料外延和新型并联方式共面电极硅基激光器芯片制作等。

基于二能级系统建立量子点激光器的载流子-光子速率方程模型，分析量子点激光器的瞬态响应和调制特性，获得其动态特性。同时分析了注入电流对量子点激光器输出光子密度的影响，随着注入电流的增大，激光器光电延迟时间缩短，弛豫过程缩短，弛豫振荡频率增大，且输出光子峰值和稳态功率增加，适当增加注入电流可拓宽量子点激光器调制带宽。通过小信号调制分析，发现量子点激光器上限调制频率比普通激光器高一个数量级，证明了其具有良好的高频调制特性。

在对光栅外腔量子点激光器进行理论研究的基础上, 分析了外腔反馈对Littrow型光栅外腔量子点激光器输出功率、调谐范围等输出特性的影响, 发现器件参数的选择对外腔激光器的性能影响很大。对外腔激光器的输出功率和调谐范围进行了理论计算, 并与实验结果进行了对比。计算得到的外腔激光器的输出功率与实验结果符合得很好, 忽略了非线性增益相关的增益抑制的单模调谐范围理论计算值稍小于实验结果。