CN110301075B

CN110301075B - 基于光栅的光发射机

Info

Publication number: CN110301075B
Application number: CN201780050212.2A
Authority: CN
Inventors: 陈书履; 那允中
Original assignee: FORELUX Inc
Current assignee: FORELUX Inc
Priority date: 2016-07-05
Filing date: 2017-07-05
Publication date: 2021-05-07
Anticipated expiration: 2037-07-05
Also published as: EP3482469A1; WO2018009538A1; EP3482469A4; CN110301075A

Abstract

基于光栅的光发射机包括耦合到干涉区的光源区、干涉区两侧的两个反射区，以及与干涉区中的干涉光波交互导致垂直发射的一个或多个光栅。两个电极被用来注入电载流子，并且可以增加第三电极以调制在光源区中复合的电载流子密度。与具有两个电极的传统边缘发射激光器相比，本发明中的基于光栅的光发射机由于垂直发射而大大降低了封装成本和复杂性，并且由于三端子配置而大大提高了调制带宽。

Description

基于光栅的光发射机

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年7月5日提交的、名为“Grating Based Optical Transmitter”的美国专利申请No.15/201,907的优先权，该申请No.15/201,907是2014年5月30日提交的、名为“Optical Device for Redirecting incident Electromagnetic Wave”的美国专利申请No.14/291,253的部分继续申请，而该申请No.14/291,253要求2014年4月14日提交的美国临时专利申请No.61/979,489、2014年1月9日提交的美国临时专利申请No.61/925,629以及2013年10月25日提交的美国临时专利申请No.61/895,493的优先权，其通过引用结合到本文中。

本说明书还是2015年12月10日提交的、名为“Grating Based Optical Coupler”的美国专利申请No.14/964,865的部分继续申请，该申请No.14/964,865是2014年10月9日提交的美国专利申请No.14/510,799、现在是美国专利No.9,239,507的延续，该专利No.9,239,507要求2014年6月19日提交的美国临时专利申请No.62/014,182、2014年6月16日提交的美国临时专利申请No.62/012,446、2014年4月14日提交的美国临时专利申请No.61/979,489、2014年2月28日提交的美国临时专利申请No.81/946,657、2014年1月9日提交的美国临时专利申请No.61/925,629以及2013年10月25日提交的美国临时专利申请No.61/895,493的优先权，其通过引用结合到本文中。

本说明书还是2015年3月2日提交的、名为“GRATING BASED OPTICALTRANSMITTER”的美国专利申请No.14/635,133的部分继续申请，该申请No.14/635,133要求2014年6月19日提交的美国临时专利申请No.62/014,182、2014年6月16日提交的美国临时专利申请No.62/012,446、2014年4月14日提交的美国临时专利申请No.61/979,489以及2014年2月28日提交的美国临时专利申请No.61/946,657的优先权，其通过引用结合到本文中。

本说明书还要求2015年7月17日提交的美国临时专利申请62/194,170的优先权，其通过引用结合到本文中。

技术领域

本说明书涉及使用光栅耦合光。

背景技术

光在光子集成电路内传播，并且通过在光子集成电路上制造的光栅耦合到外部介质。传统上，光与光子集成电路之间的耦合是通过边缘耦合实现的，其中，需要制备光学面，并且该过程耗时且昂贵。光子集成电路中的激光二极管的发射通过光栅耦合到外部介质。激光二极管的两个端子被用来注入电载流子以产生光子，以及光子在腔中共振并且发出相干光。

发明内容

根据本说明书中所述的主题的一个创新方面，一种光学装置，包括：光源区，所述光源区被配置为产生光；第一反射区和第二反射区，所述第一反射区和第二反射区被配置为反射所产生的光以使得沿第一方向形成干涉光；干涉区，所述干涉区形成在所述第一反射区和所述第二反射区之间并且耦合到所述光源区，并且所述干涉区被配置为限制由在所述第一反射区和所述第二反射之间反射的光沿所述第一方向形成的干涉光的至少一部分；以及光栅区，所述光栅区包含具有基本相同的周期但不同的占空比的第一光栅结构和第二光栅结构，其中，两个光栅结构沿所述第一方向以180°相位偏移布置，其中，所述光栅区形成在限制所述干涉光的至少一部分的区上，并且所述光栅区被配置为沿着不同于所述第一方向的第二方向发射所述光的至少一部分。

该实施方式和其他实施方式可以分别可选地包括下述特征中的一个或多个。所述第一光栅结构的光栅周期性可以基本上与所述干涉区内的干涉光的周期性相匹配。可以通过去除或增加所述光栅结构的至少一个区段，在所述光栅区中形成四分之一波长偏移区。可以沿所述第一方向，在所述四分之一波长偏移区附近形成锥形区，其中，所述锥形区的周期或占空比从更接近所述四分之一波长偏移区的一侧朝远离所述四分之一波长偏移区的一侧增大或减小。

所述第一反射区可以是形成分布式反馈或分布式布拉格反射的表面波纹状光栅结构。所述光栅区的第一光栅结构的占空比可以不同于所述第一反射区的表面波纹光栅结构的占空比，并且所述第一光栅结构的周期是所述表面波纹光栅结构的周期的两倍。所述光栅区的第一光栅结构可以形成在与所述第一反射区的表面波纹光栅结构相同的平面上。

所述光源可以至少部分地嵌入所述干涉区中，并且可以包含形成量子阱或量子线或量子点结构的交替的III-V材料层。所述光栅区的一部分可以形成在所述干涉区或所述第一反射区上。所述第二方向可以基本垂直于所述第一方向。所述第一光栅结构区的光栅周期可以为d2，其中，所述干涉区内的干涉光的强度周期可以为d1，其中，d2基本上等于2×d1。

所述光栅区可以具有沿所述第一方向的光栅长度和沿在平面上垂直于所述第一方向的第三方向的光栅宽度，并且所述光栅宽度可以不同于所述光栅长度，以获得圆形光束剖面(beam profile)。

光学装置可以包括n掺杂区和p掺杂区，所述n掺杂区和p掺杂区被配置为通过在所述n掺杂区和所述p掺杂区上施加电压或电流，在所述干涉区中提供电场，其中，所述干涉区被配置为通过在所述n掺杂区和所述p掺杂区上施加电压或电流来为所述干涉光提供不同的干涉图案。

光学装置可以包括n掺杂区和p掺杂区，所述n掺杂区和p掺杂区被配置为通过在所述n掺杂区和所述p掺杂区上施加电压或电流，在所述第一和/或第二反射区中提供电场，其中，所述第一和/或第二反射区被配置为通过在所述n掺杂区和所述p掺杂区上施加电压或电流来提供不同的反射率。

所述第一反射区或所述第二反射区可以包括下述之一：角镜、DBR镜、DFB镜、异常色散镜、波导环镜、具有金属镜的介电层、金属层。所述光栅区可以形成有晶格矢量，使得所述干涉区内的干涉光的同相波腹的位置基本上与光栅谷或峰的位置匹配。

光学装置可以包括电耦合到所述光源区的第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极被配置为利用施加在所述第一电极和所述第二电极之间的电场，通过电载流子注入来产生光。光学装置可以包括电耦合到所述光源区的第三电极，所述第三电极被配置为通过施加在(i)所述第一电极与所述第三电极之间或(ii)所述第二电极与所述第三电极之间的电场，调制所述光源区中的电载流子浓度。

所述光源区可以包含至少两个不同的材料层，并且所述第一电极和所述第三电极与所述光源区的不同材料层物理接触。可以在所述第三电极和所述光源区之间形成介电层，并且所述第三电极被配置为通过电容效应调制在所述光源区中复合的电载流子的量，而不将电载流子注入所述光源区。可以将至少两个不同的电压电平依次施加到所述第三电极，以调制在所述光源区中复合的电载流子的量来获得不同的输出光功率电平。

所述光栅区和所述第三电极可以位于所述干涉区的相对侧，并且所述光通过所述光栅区这一侧侧发出。所述光栅区和所述第三电极可以位于所述干涉区的相对侧，并且所述光通过所述光栅区这一侧的相对侧发出。所述光栅区和所述第三电极可以位于所述干涉区的同一侧，并且所述光通过所述光栅区这一侧侧发出。所述光栅区和所述第三电极可以位于所述干涉区的同一侧，并且所述光通过所述光栅区这一侧的相对侧发出。所述第三电极的至少一部分对于通过所述光栅区这一侧发出的光可以是透明的根据本说明书中所述的主题的另一创新方面，一种用于形成光发射机的方法包括：形成光源区；形成干涉区、第一反射区和第二反射区，其中，所述光源区被至少部分嵌入的干涉区沿第一方向在两个相对端由所述第一和第二反射区限定；以及

形成包括第一光栅结构、覆盖所述干涉区的至少一部分的光栅区，其中，所述第一光栅结构的周期性与沿第一方向的干涉光的周期基本匹配，其中，由电载流子复合产生的光在所述干涉区内沿所述第一方向共振并且沿不同于所述第一方向的第二方向，从所述干涉区射出。

该实施方式和其他实施方式可以分别可选地包括下述特征中的一个或多个。所述光栅区可以包括第二光栅结构和第三光栅结构，所述第二光栅结构具有与所述第一光栅结构相同的周期性但不同的占空比，所述第三光栅结构是形成DFB型反射区的表面波纹状结构。该方法可以包括通过去除或增加所述光栅结构的至少一个区段，在所述光栅区中形成四分之一波长偏移区。该方法可以包括沿所述第一方向，在所述四分之一波长偏移区附近形成锥形区，其中，所述锥形区的周期或占空比从更接近所述四分之一波长偏移区的一侧朝远离所述四分之一波长偏移区的一侧增大或减小。该方法可以包括形成电耦合到所述光源区的至少三个电极，其中，所述三个电极被设置成提供对所述三个电极之间的相对电场的控制，以调制所述光源区内的电载流子浓度，并且所述电极中的一个是无电载流子注入的绝缘电极。

有利的实施方式可以包括下述特征中的一个或多个。光可以以基本垂直于光子集成电路内的光的传播方向的角度耦合到光子集成电路中或从光子集成电路中发出。这种垂直性可以降低封装成本和复杂性。可以通过干涉区中的一个或多个反射镜最小化返回光子集成电路的反射光，以保持光子集成电路的稳定性。可以整形离开光栅的光的光学模场分布以匹配外部介质的光学模场分布，以最小化模场匹配损失。由于干涉区中的电场非常均匀，因此不需要啁啾光栅来匹配行波引起的指数衰减的场分布。可以通过包括电场、磁场或机械运动的机构来主动调谐干涉区或光栅，以控制光的耦合。当干涉区耦合到产生宽波长范围的光的有源介质时，可以使用干涉区来从宽波长范围选择较窄的波长范围。当干涉区耦合到检测光的吸收介质时，干涉区可以被用来通过干涉区内的多次反射以提高吸收效率。

该方面和其他方面的其他实施方式包括相应的系统、装置和计算机程序，其被配置为执行在计算机存储设备上编码的方法的动作。一个或多个计算机的系统可以通过安装在系统上的软件、固件、硬件或它们的组合来如此配置，使得系统执行动作。一个或多个计算机程序可以通过具有指令来如此配置，所述指令在由数据处理装置执行时使得该装置执行动作。

在附图和以下描述中阐述了一个或多个实施方式的细节。从说明书、附图和权利要求，其他潜在的特征和优点将变得显而易见。

附图说明

图1A是示例性光子集成电路的框图；

图1B,1C和1D是光耦合器的示例；

图2为干涉图案的示例；

图3A-3E示出光栅图案的示例；

图4A-4L示出与光源集成的光耦合器的示例；

图5A-5K示出了基于光栅的激光设备的框图。

图6A-6G示出了具有正面调制的基于光栅的激光设备的示例。

图7A-7C示出了具有背面调制的基于光栅的激光设备的示例。

图8A示出了基于光栅的激光设备的近场和远场分布的模拟结果。

图8B示出了改变波导的W/L比对光束形状/分布的影响的模拟。

图9示出了与p-n结集成的光耦合器的示例。

图10A-10B示出了具有多个输出路径的光耦合器的示例。

图11A-11E示出了反射镜的示例，

图12示出了用于设计基于光栅的光发射机的流程图的示例，

图13示出了用于制造基于光栅的光发射机的流程图的示例。

图14A示出了用于重定向入射光的光学设备的第一实施例的块组件。

图14B示出了用于重定向入射光的光学设备的第二实施例的块组件。

图15A示出了进一步图示图14A中所示的实施例的工作示例。

图15B示出了进一步图示图14B中所示的实施例的工作示例。

图15C示出了进一步图示图14B中所示的实施例的另一工作示例。

图16A至16H示出了用于重定向入射光的光学设备的示例性实施例的块组件。

图17A至17E示出了光栅结构1420的示例性实施例的俯视图。

图17F至17J示出了图17A至17E中的光栅结构的示例性实施例的相应横截面视图。

图18A至18C示出了光学设备的示例性实施例的简化透视图，以进一步图示光重定向路径。

图19A至19B被用来图示在具有两个反射镜的限制条件下的光迹。

各附图中相同的附图标记和名称表示相同的元件。还应理解到，图中所示的各种示例性实施例仅仅是说明性的表示，并不一定按比例绘制。

具体实施方式

图1A是示例性光子集成电路100的框图，该光子集成电路100包括基于光栅的光耦合器，用于使光能够耦合进出光子集成电路100。通常，具有大致垂直发射的光耦合器用于连接表面发射/接收光电设备，并且由于非正常配置可以降低封装成本和复杂性。此外，与边缘发射设备相比，表面发射设备可以以晶片级为特征而无需切割和抛光芯片，因此降低了整体测试和封装成本。

光子集成电路100包括在基板18上制造的一个或多个光学组件。光学组件包括波导区102、第一反射区106、干涉区110、第二反射区114和光栅区120。基板116可以是适合于制造光子集成电路的任何类型的基板。例如，基板118可以是硅晶片、绝缘体上硅(SOI)晶片、诸如砷化镓(GaAs)的III-V半导体、磷化铟(InP)晶片或玻璃晶片。作为另一示例，基板118可以是沉积在集成电子电路上的无源或有源材料层。作为另一示例，基板116可以是沉积在另一集成光子电路上的无源或有源材料层。

通常，波导区102被配置为沿一个或多个维度限制光以沿特定方向引导光。在一些实施方式中，波导区02可以限制沿一维的光。例如，波导区102可以是限制沿z方向的光的平板波导。在一些实施方式中，波导区102可以限制沿两个维度的光。例如，波导区102可以是限制沿y和z方向的光的脊形波导或通道波导，使得光可以沿x方向传播，如箭头122所示。如本文使用的术语“沿x方向”及其派生词可以被用来表示双向(±x方向)或单向(+x，-x)。此外，当光在沿x方向放置的多模波导内部行进时，光的一些部分可以在波导内以Z字形路径传播，同时整个方向仍然可以被认为是沿x方向。

通常，第一反射区106和第二反射器114被配置为反射入射光。例如，当波导区102中的光入射在界面104上时，一部分光可以被反射回波导区102，而剩余部分光可以被传输到第一反射区106。类似地，当第一反射区106中的光入射到界面108上时，一部分光可以被反射，而剩余部分的光可以被传输到干涉区110。类似地，当干涉区110中的光被入射在界面12上时，一部分光可以被反射，而剩余部分光可以被传输到第二反射区114。在一些实施方式中，反射器可以是具有不同折射率的两种介质之间的界面。

由反射器反射的部分光可以在接近零百分比到接近百分之百的范围内，这取决于设计，在一些实施方式中，第一反射区08或第二反射器114可以是高反射率。例如，第二反射器114可以涂覆有金属，诸如铝，以实现高反射率。作为另一示例，光可以被设置成超过临界角入射在第二反射器14上，其中，光通过全内反射被反射。作为另一示例，第二反射器114可以是布拉格反射器，其在波长范围内提供高反射率。作为另一示例，第一反射区106可以包括断开波导区102和干涉区110的一个或多个狭缝。作为另一示例，第一反射区106可包括DBR结构。

在一些实施方式中，第一反射区106或第二反射区114可以是部分透射和部分反射的。例如，第一反射区106可以被配置为(i)通过特定反射率反射一部分入射光，以及(ii)透射另一部分入射光。例如，可以通过在相应的反射区中沉积折射率低于波导区102的材料的介电材料来实现部分反射反射器。可以使用Fresnei方程式计算反射光和透射光的百分比。

通常，干涉区110用作波导区102和第二反射区114之间形成的具有腔长度L_Cavity的腔。在一些实施方式中，第一反射区106可以形成在波导区102和干涉区110之间，其中L_Cavity可以被定义为第一反射区106和第二反射区114之间的长度。在一些实施方式中，波导区102的有效折射率可以基本上等于干涉区110的有效折射率。例如，波导区102和干涉区110都可以用沿y-z维度具有相同的横截面波导尺寸的硅制造。在这种情况下，波导区102的有效折射率等于干涉区110的有效折射率。作为另一示例，波导区102和干涉区110都可以用硅制造，但沿y-z维度的横截面波导尺寸可以改变，这会导致波导区102的有效折射率与干涉区10的有效折射率之间的差。在这种情况下，波导区102的有效折射率被视为基于上等于干涉区10的有效折射率，只要由有效折射率差引起的诸如光学损耗的所得到的性能劣化在目标应用可接受的范围内。

干涉区110被配置为限制由入射光和反射的入射光形成的干涉光。例如，第一反射器106和第二反射器114之间的驻波图案可以形成在干涉区110。为了在干涉区110中形成干涉，选择腔长度L_cavity和光栅区120的参数，使得入射光可以到达第二反射器114并且被第二反射器114反射，而不会在从第一反射器08传播到第二反射器14的第一通路中完全衰减。在一些实施方式中，限制可以是部分限制，其中，一部分干涉光通过第一反射器106传输回波导区102和/或一部分干涉光通过第二反射器114传输。在图2中更详细地描述由入射光和反射入射光形成的光的干涉。

在一些实施方式中，干涉区110的光程长度可以长于导向光的波长。在一些其他实施方式中，干涉区110的光程长度可以短于导向光的波长。例如，对于由具有0.4μm的腔长度和3.45的折射率的硅组成的干涉区110，干涉区110的光程长度为0.4μm×3.45＝1.38μm。如果导向光的波长具有1.55μm的波长，则干涉区110的光程长度短于导向光的波长。在这种情况下，具有1.55μm波长的光可以通过限制(部分限制)在干涉区110中的光的倏逝场(evanescent field)耦合到光栅区120。

通常，具有光栅长度L_Grating的光栅区120被配置为把光子集成电路100中的至少一部分光耦合到外部介质130，或者把来自外部介质130的至少一部分光耦合到光子集成电路100。在一些实施方式中，光栅长度L_Grating可以短于腔长度L_Cavity。在一些其它实施方式中，光栅长度L_Grating可以等于腔长度L_Cavity。在一些其它实施方式中，光栅长度L_Grating可以长于腔长度L_Cavity。例如，可以在干涉区110上制造光栅区120，但是一部分光栅区120可以延伸到第一反射区108和/或第二反射区114和/或波导区102中。如本说明书中所使用的，在一区上形成或制造光栅是指在该区上方形成光栅，或者光栅至少部分地嵌入该区内。例如，可以通过蚀刻到其上设置光栅的区中来形成光栅。

在一些实施方式中，干涉区10和光栅区120可以具有相同的材料成分。例如，可以通过直接在干涉区110的表面上蚀刻光栅图案来制造光栅区120。在一些其他实施方式中，干涉区和光栅区可以具有不同的材料成分。例如，可以通过在硅基干涉区110的表面上沉积二氧化硅来制造光栅区120。然后可以在二氧化硅的表面上蚀刻光栅图案以形成氧化物光栅。作为另一示例，可以通过在干涉区110的表面上沉积金属然后被蚀刻以形成金属光栅来制造光栅区120。作为另一示例，可以通过在具有较低折射率的干涉区110的表面上沉积较高折射率材料来制造光栅区120，以通过朝向光栅侧吸引光学模式来提高光栅效率。较低折射率材料可以例如是InP，而较高折射率材料可以例如是Si。

通常，光栅区120重定向沿第一方向传播到不同于第一方向的第二方向的光。在一些实施方式中，光栅区120可以重定向沿第一方向传播到基本垂直于第一方向的第二方向的光。例如，通过使光栅区120的光栅周期性与干涉区110中的干涉周期性基本匹配，光栅区120可以将沿x方向，在波导区102内传播的光，如由箭头122所示重定向到如由箭头123所示，沿z方向的垂直方向。如本申请中使用的术语“基本上匹配”是指由于不匹配导致的所得到的性能劣化，诸如光学损耗在用于目标应用的可接受的范围内。可接受的范围可以在例如一个数量级内。在一些其他实施方式中，光栅区120可以将沿第一方向传播的光重定向到基本上不垂直于第一方向的第二方向。本申请中使用的术语“基本上垂直”是指具有对目标应用可接受的误差容限的90°。

外部介质130可以是可以传输、引导、检测或产生光的任何介质。例如，外部介质130可以是光纤。作为另一示例，外部介质130可以是光电检测器。作为另一示例，外部介质30可以是光源。在一些实施方式中，覆层124可以形成在光栅区120和外部介质130之间。覆层124可以形成为保护光子集成电路00，或者提供在光栅区120和外部介质130之间的特定距离。在一些实施方式中，从光栅区120发出的光的横截面模式分布可以被设计为基本上匹配被配置为接收从光栅区发出的光的外部介质130的横截面模式分布。例如，在x-y维度中，从光栅区120发出的光的横截面模式分布可以被设计为基本上匹配x-y维度中的单模光纤的横截面模式分布。

图1B示出了可以在光子集成电路100中实现的光耦合器101的示例。光耦合器101还可以在本申请中描述的任何其他光子集成电路的任何一个中实现，或者在本申请中未描述的另一光子集成电路中实现。

光耦合器101包括干涉区110和光栅区120。光栅区120包括光栅谷118和光栅峰126，它们一起形成具有光栅长度L_Grating的光栅。光栅峰128和光栅谷18之间的高度差确定光栅高度。光栅宽度与沿波传播方向的光栅的峰宽和谷宽之和的比率决定了光栅的占空比。光栅峰宽和光栅谷宽之和决定了光栅的周期。通过调整光栅高度、占空比、光栅周期、光栅形状、覆盖光栅的覆层或上述的组合，可以确定由光栅区120发出/接收的光的方向性和远场角。例如，可以修改光栅高度和占空比以优化光的方向性。作为另一示例，可以调整光栅周期和占空比以实现可能最适合于目标应用的期望远场角。

在一些实施方式中，光栅峰的高度可以高于第一反射区106和/或第二反射区114的高度。例如，可以通过抛光平坦化第一反射区108、干涉区110和第二反射区114，然后在平坦化表面上沉积另一层材料，使得可以通过图案化和蚀刻来形成光栅区120。

在一些其它实施方式中，光栅谷的高度可以低于第一反射区106和/或第二反射区114的高度。图1C示出了光耦合器103的示例，其中，光栅谷119的高度低于第一反射区106和第二反射区114的高度。例如，可以通过抛光平坦化第一反射区106、干涉区110和第二反射区14，然后可以通过图案化和蚀刻干涉区110，在抛光表面上形成光栅区120。光耦合器103可以在光子集成电路100中实现。光耦合器103还可以在本申请中描述的任一其他光子集成电路中实现，或者在本申请中未描述的另一光子集成电路中实现。

图1D示出了光耦合器105的示例，其包括波导区102、干涉区110、光栅区120和第二反射区114，但是不包括第一反射区106。波导区102和干涉区110之间的边界130由虚线130表示，因为在一些实施方式中，波导区102和干涉区110由相同的材料组成或者具有基本相等的有效折射率。

在干涉区110中传播一个循环之后，干涉区110中的光衰减到阈值以下的情况下，光耦合器105不包括第一反射区106。例如，可以通过入射在第二反射区114上的前向光和第二反射区114反射的后向光之间的干涉，在干涉区110中产生驻波。驻波可以在波导区102和干涉区之间的边界130附近减小，因为第二反射区14反射的光被衰减到超过边界130的阈值以下。阈值例如可以小于初始入射光功率的10％。通过使光栅区120中的光栅图案与干涉区110中的干涉图案基本匹配，光耦合器105可以被用来将沿第一方向传播的光重定向到不同于第一方向的第二方向，而没有第一反射区106。例如，光耦合器105可以被用来将光引导到基本垂直于第一方向的第二方向。在一些实施方式中，没有第一反射区106，如果在干涉区110中传播单循环之后光被衰减到阈值以下，光耦合器仍然可以高效率地重定向入射光。在一些实施方式中，为了在不引入第一反射区106的情况下保持高效率，光栅区120需要提供足够的单循环衰减。例如，光栅长度L_Grating需要足够长以在到达边界130之前提供足够的单循环衰减。

图2是光栅图案207的示例，其基本匹配干涉区内的驻波图案205。图2的描述可以应用于本申请中所述的任一光耦合器。通常，往返相移是由单循环传播引入的相移和反射器引入的相移的总和。为了简化描述，可以假设由反射器引入的相移为零，使得共振条件“往返相移等于2mπ”可以被视为与“单循环相移等于2mπ”相同，其中m是任意整数。

在一些实施方式中，在波导中传播的光可能受两个维度限制。例如，参考图1A，在波导区102中传播的光在y和z维度中受限制。当光进入干涉区时，波导的限制可能会减弱，并且光像干涉区内的点波一样传播。例如，干涉区110可以被设计为在z维度中紧密地限制光而在y维度中松散地限制光。点波到达反射器211、被反射，并且可以通过前向传播波201和后向传播波203的干涉在干涉区内形成驻波强度图案205。

在一些实施方式中，光栅图案207可以被设计为基本上匹配驻波图案205。通过匹配驻波图案205，该光栅图案207可以充当光学天线且成为光离开干涉区的最有效方式。光栅结构的每个周期可以用于将光发出为点波，并且从各个光栅周期发出的所有点波前沿被组合成平面波前，其在垂直方向上以低损耗传播。例如，理想匹配的一个理论条件可以是d2＝2×d1。在一些实施方式中，可以存在两个光栅，其中，它们的个体周期性(图案)基本上匹配驻波周期性(图案)，即d2～-2×d1，使得两个光栅具有相似的周期性。此外，两个光栅可以在例如光栅峰和/或谷宽度(占空比)方面不同，并且移位对应于π相移的距离，

基于干涉区和光栅结构的材料质量和物理尺寸，可以计算单循环衰减系数α以及干涉区内的共振条件的相应相移。例如，干涉区可以由对导向光具有特定吸收系数的材料构成，这有助于单循环衰减系数。作为另一示例，光在传播期间可以由光栅区发出，这也有助于单循环衰减系数。通常，在干涉区中传播单循环之后(即，从边界213到反射器211前向传播，然后从反射器211到边界213的向后传播)，基于单循环衰减系数来衰减光。本申请中使用的术语“单循环衰减系数α”是指单循环衰减后的剩余光功率与初始光功率之间的比率。

在一些实施方式中，为了基本上减少背向反射损耗，可以将反射区(例如，第一反射区108)放置在边界213处，其中，边界213处的反射区的反射率被配置为基本上匹配单循环衰减系数α。通过使边界213处的反射区的反射率与α基本上匹配，从边界213反射回到(在213的左侧处的)入射光源的光(从213的左手侧)并且透过边界213回到(在213的左手侧)入射光的光(从213的右手侧)在由于相消干涉多次通过后相互抵消，这意味着原始入射光(从213的左侧入射到213和211之间的区域)的几乎所有的功率被转移到213和211之间的区域。在一些实施方式中，单循环衰减系数α可以接近零。在这种情况下，边界213处的相应反射率r可以被设置为零，其对应于图1D中的光耦合器105，其中，第一反射区106不被包括在光耦合器105中。在一些实施方式中，边界213处的反射率r可以设置为与反射器211的反射率一样高(例如，接近1)，以沿x方向形成高受限空腔，其中，光可以通过另一方向(例如在z方向中)进入或离开空腔。

在一些实施方式中，可以存在影响性能的非理想因素。例如，可以从在干涉区上蚀刻光栅区，发生有效折射率的变化。作为另一示例，蚀刻过程可能不会产生从光栅峰到光栅谷的直线。虽然理论匹配条件是d2＝2d1，但在实际实施方式期间可以预期与精确条件的轻微偏差。这种偏差不会改变光耦合器的功能，但会影响效率。然而，与理想情况的任何合理偏差都在本公开的范围内，其中，效率对于目标应用是可接受的。制造光耦合器、测试光耦合器，然后重新设计光耦合器的迭代过程可以改善这个问题。

图3A示出了沿x-y维度的平面上的光栅图案331的视图的示例。图3A的描述可以应用于本申请中描述的任一光耦合器。光栅图案331包括沿x方向的一维光栅结构301a-n和303a-n的阵列，其中n是大于1的任何整数。在一些实施方式中，光栅结构301a-n和303a-n可由不同材料组成。例如，光栅结构301a-n可以由硅构成，而光栅结构303a-n可以由InP构成。作为另一示例，光栅结构303a-n可以包括形成将来自外部介质的光耦合到干涉区的表面等离子体效应的金属层。301a,303a,301b,303b,...,301n和303n的排列在光栅区中形成光栅。

图3B示出了沿x-y维度的平面上的光栅图案332的视图的示例。图3B的描述可以应用于本申请中描述的任一光耦合器。光栅图案332包括沿x方向的一维光栅结构305a-n的阵列，其中n是大于1的任何整数。在一些实施方式中，光栅结构305a-n可以是光栅的光栅峰。在一些其它实施方式中，光栅结构305a-n可以是光栅的光栅谷。305a,305b和305n的排列在光栅区中形成光栅。

图3C示出了沿x-y维度的平面上的光栅图案333的视图的示例。图3C的描述可以应用于本申请中描述的任一光耦合器。光栅图案333包括沿x方向的二维矩形光栅结构307a至307n，以及沿y方向的307a至307k的阵列，在一些实施方式中，矩形光栅结构307a可以是光栅的光栅峰，在一些其他实施方式中，矩形光栅结构307a可以是光栅的光栅谷。在一些实施方式中，矩形光栅结构307a可以由与层308相同的材料构成，诸如硅。在一些实施方式中，矩形光栅结构307a可以由与层308不同的材料构成。例如，矩形光栅结构307a可以由硅构成，而层308可以由InP构成。在一些实施方式中，矩形光栅结构307a可以为正方形或非正方形，或两者结构的组合。矩形光栅结构307a-n和307a-k在x-y平面上的排列在光栅区中形成光栅。在一些实施方式中，光栅沿x方向321的周期和光栅沿y方向322的周期基本上分别与沿x和y方向的层308中的干涉图案的周期相匹配。

图3D示出了沿x-y维度的平面上的光栅图案334的视图的示例。图3D的描述可以应用于本申请中描述的任一光耦合器。光栅图案334包括二维任意形状的光栅结构309a至309n的阵列，其中n是大于1的任何整数。在一些实施方式中，任意形状的光栅结构309a可以是光栅的光栅峰。在一些其它实施方式中，任意形状的光栅结构309a可以是光栅的光栅谷。在一些实施方式中，任意形状的光栅结构309a可以由与层310不同的材料构成。例如，任意形状的光栅结构309a可以由二氧化硅构成，而层308可以由硅构成。在一些实施方式中，任意形状的光栅结构309a可以为三角形或椭圆形或不同形状的组合。任意形状的光栅结构309a-n在x-y平面上的排列在光栅区中形成光栅。

图3E示出了沿x-y维度的平面上的光栅图案335的视图的示例。

图3E的描述可以应用于本申请中描述的任一光耦合器。光栅图案335包括二维任意形状的光栅结构313a至313n的阵列，其中n是大于1的任何整数。在一些实施方式中，可以使用数值分析来确定任意形状的光栅结构313a到313n中的任一者的形状。例如，可以使用时域有限差分(FDTD)分析程序来设计每个任意形状结构313a至313n的形状，以优化耦合效率。在一些实施方式中，可以使用数值分析来确定任意形状的光栅结构313a到313n中的每一者之间的距离。例如，可以使用时域有限差分(FDTD)分析程序来确定任意形状结构313a至313n中的每一个之间的距离以优化耦合效率。任意形状的光栅结构313a-n在x-y平面上的排列在光栅区中形成光栅。

在一些实施方式中，图3A和图3B中所示的一维光栅可以具有一维点阵矢量(其定义单元栅格大小)，该一维点阵矢量被设计成使得干涉波的同相波腹的位置基本上与光栅谷和/或峰的位置匹配。

在一些实施方式中，图3C、图3D和图3E中所示的二维光栅可以具有二维点阵矢量(其定义单元栅格大小和形状)，其被设计成使得干涉区的同相波腹的位置基本上匹配光栅谷和/或峰的位置。

图4A示出了示例性光子集成电路400，其具有在光源上形成的基于光栅的光耦合器。光子集成电路400包括被配置成产生入射光的光源区430。在一些实施方式中，光源区430可以产生非相干光。例如，III-V量子阱或量子线或量子点激光二极管可以包括一层或多层活性材料，当通过电载流子泵送时，所述活性材料层产生非相干光。在一些实施方式中，非相干光可以通过自发发射耦合到干涉区410。在一些实施方式中，光源区430可以被限制在除耦合到干涉区410的表面之外的其他表面处。

光耦合器包括第一反射区406、第二反射区414、干涉区410和光栅区420。第一反射区406、第二反射区414、干涉区410、光栅区420和光栅418的结构可以通过本申请中描述的任何相应结构实现，例如，图1A-3E中的相应结构。例如，光栅可以如图3A所示实现，包含两个光栅301a-n和303a-n，其中，它们的各个周期与干涉周期(图案)相匹配，但具有不同的占空比。作为另一示例，光栅可以实现为如图3C所示，其中，形成二维矩形光栅结构。在一些实施方式中，干涉区410和光栅区420由硅或III-V半导体构成，光源区由III-V半导体构成，并且第一和第二反射区406和414包括金属涂层或布拉格反射器，诸如DBR和/或DFB(分布式反馈)结构，其布拉格周期等于波长的一半。

第一反射区406和第二反射区414被配置为在与入射光的传播方向相反的方向上反射入射光，如箭头434所示。干涉区410形成在第一反射区410和第二反射区414之间并且耦合到光源区430。干涉区410可以被配置为(i)引导由光源区430产生的光沿第一方向(图4A中的x方向)传播，以及(ii)限制由在第一反射区406和第二反射区414之间反射的光形成的干涉光。

在光源区430中产生的一部分光可以通过自发发射或任何其他适当的耦合机制耦合到干涉区410。耦合到干涉区410的光可以沿x方向共振，如箭头434所示。类似于图1A中描述的操作，第一反射区406和第二反射区414提供在干涉区410中形成空腔的反射表面，其中可以形成驻波图案。由于干涉区410具有固定的腔长度L_Cavity，因此驻波只能在某些波长下共振，因此干涉区410可以用作波长滤波器。

光栅区420包括形成在至少限制至少一部分干涉光的区域上的光栅418。光栅418被配置为在基本垂直于x方向的z方向上发出一部分光。在一些实施方式中，可以在光栅区420中设计和制造光栅418以基本匹配干涉区410中的驻波图案。通过匹配驻波图案，光栅418可以充当光学天线并且成为光离开干涉区410的最大有效方式。每个光栅周期可以用于发射光作为点波，并且从各个光栅周期发射的所有点波前沿被组合成平面波前，其在z方向上以低损耗传播。

图4B示出了具有基于光栅的光耦合器的示例性光子集成电路401，其中光源区431通过嵌入干涉区411中而耦合到干涉区411。第一反射区416、第二反射区、干涉区411、光栅区421的结构可以通过本申请中描述的任何对应结构实现，例如，图1A-3E中的对应结构。光源区包括活性材料层，例如砷化镓(GaAs)和砷化铝镓(AlGAAs)的交替层或InGaAs和InP的交替层。形成产生非相干或相干光的量子点、线和阱结构的活性材料层的任何其他组合也在本发明的范围内。

干涉区411形成在第一反射区416和第二反射区424之间。第一反射区416和第二反射区424可以例如通过金属涂层或布拉格反射器，诸如具有布拉格周期等于波长的一半的DBR/或DFB结构形成。

与图4A的描述相比，其中，在干涉区410外部产生光，但在图4B中，光在干涉区411内部产生。所产生的光在干涉区411中，沿x方向，在第一反射区416和第二反射区424之间共振，以产生相干光并且形成驻波图案。光栅区421可以被设计成与驻波图案基本匹配，其中相干光沿z方向通过光栅区421从光子集成电路401发出。例如，光栅可以实现为如图3A所示，包含两个光栅301a-n和303a-n，其中它们各自的周期与干涉图案匹配但具有不同的占空比。作为另一示例，光栅可以实现为图3C所示，其中，形成二维矩形光栅结构。在一些实施方式中，基板440可以被用作支撑层。在一些实施方式中，基板440可以包括吸收层以进一步减少在-z方向中传播的光。

图4C示出了具有基于光栅的激光设备的示例性光子集成电路402，其中光栅区形成在两个反射区上。当DBR或DFB结构应用于两个反射器时，干涉区中的驻波可以透入形成驻波的两个倏逝部分的两个反射区中。在一些实施方式中，驻波图案的两个倏逝部分基本上匹配光栅图案。在一些实施方式中，光源区耦合到干涉区，在一些实施方式中，光源区通过至少部分地嵌入干涉区而耦合到干涉区。在一些实施方式中，在干涉区和光栅区之间或者在光栅区和反射区之间，可以进一步包括锥形波导分布式反馈或分布式布拉格反射器(DFB或DBR)区，其中它们的周期和占空比或两者都可以稍微修改以形成从干涉区到光栅区，或从光栅区到反射区的平滑有效折射率过渡。在一些实施方式中，锥形区具有与DFB或DBR反射区相同的周期，但其占空比沿着从干涉区到反射区的方向逐渐增大或减小。可以将周期/占空比逐渐增大或减小的上述锥形区的描述应用于本申请中描述的任一光耦合器。

图4D示出了具有基于光栅的激光设备的示例性光子集成电路404，其中光栅区形成在反射区之一上。当DBR或DFB结构应用于一个反射器时，干涉区中的驻波可以穿透到形成驻波的倏逝部分的一个反射区中。在一些实施方式中，驻波图案的倏逝部分基本上匹配光栅图案。在一些实施方式中，光源区耦合到干涉区。在一些实施方式中，光源区嵌入干涉区中。

图4E示出了具有与光源集成的基于光栅的光耦合器的示例性光子集成电路403，其中干涉光受p-n结控制。光子集成电路403包括光源区441、p掺杂区442、干涉区443、n掺杂区444、光栅区445、第一反射区446和第二反射区448。光源区441、p掺杂区442、干涉区443、n掺杂区444、光栅区445、第一反射区446和第二反射区448的结构可以通过本申请中描述的任何相应的结构，例如，图1A-3E中的相应结构实现。

类似于图4A的描述，在光源区441中产生非相干光，其中一部分光耦合到干涉区443。耦合光在干涉区446中，在第一反射区446和第二反射区448之间，沿x方向共振以形成驻波图案并且产生相干光。光栅区445中的光栅被设计成基本上匹配驻波图案，并且相干光可以在+z或

方向中，通过光栅443从光子集成电路403发出，这取决于光栅445的设计。

在一些实施方式中，n掺杂区444和p掺杂区442可以被配置为通过在n掺杂区444和p掺杂区442上施加电压或电流，在干涉区443中提供电场。干涉区443可以被配置为由于生成、复合、注入或耗尽自由载流子，通过在n掺杂区444和p掺杂区442上施加电压或电流来提供不同的干涉图案。在由于折射率的变化而改变干涉图案的情况下，干涉区443可以停止激射或者可以支持另一激射波长。因此，在n掺杂区444和p掺杂区442上施加电压或电流可以用作可调波长激射机制或对相干光的调制。

此时，在光源区441中产生非相干光，其中，光的一部分耦合到干涉区443。例如，光源区441可以包括铟镓砷(InGaAs)量子阱或量子线或量子点结构。耦合光在干涉区443中，在第一反射区446和第二反射区448之间共振，以产生相干光并且形成驻波图案。光栅区445中的光栅被设计成基本上匹配驻波图案，并且相干光沿着基本上垂直于干涉光的共振方向的方向，通过光栅区445从干涉区443发出。在一些实施方式中，锥形区可以用在干涉区或反射区中，其中，锥形区的较窄部分用于抑制高次模，而锥形区的较宽部分，例如光栅区445可以被用来匹配具有不同光束形状、面积和数值孔径要求的外部耦合设备。锥形区宽度的描述可以应用于本申请中描述的任一光耦合器。在一些实施方式中，反射区(例如，DBR结构、金属涂层等)可以被用在干涉区443的顶部或下方以将方向性修改为另一方向。

图4F示出了示例性光子集成电路407，其具有通过光栅区466耦合到基于光栅的光耦合器的光源区462。光子集成电路407包括光源区462、第一反射区478、第二反射区476、干涉区472、边界474和光栅区466。光源区462、第一反射区478、第二反射区476、干涉区472和光栅区466的结构可以通过本申请描述的任何相应的结构，例如，图1A-3E中的相应结构实现。例如，光栅可以如图3A所示实现，包含两个光栅301a-n和303a-n，其中，它们各自的周期与干涉图案匹配但具有不同的占空比。作为另一示例，光栅可以如图3C所示实现，其中，形成二维矩形光栅结构。作为另一示例，第一反射区478和第二反射区476可以例如通过金属涂层或诸如布拉格周期等于波长的一半的DBR和/或DFB结构的布拉格反射器形成。

此时，非相干光在光源区462中产生，并且通过自发发射或另一合适的耦合机制耦合到干涉区472。耦合的非相干光被反射区476和478反射，并且沿x方向共振。当相干光达到激射阈值时，可以根据光栅区466的设计，在+z或-z方向中发出。在一些实施方式中，光栅区466可以被设计为将光大部分引导到-z方向，使得发出的光不会耦合回光源区462。

在一些实施方式中，反射器478可以是较之反射器476具有更小反射率的部分反射器。在光源区462中产生的非相干光可以通过自发发射耦合到干涉区472，并且沿着方向470共振。当达到激射阈值时，相干光可以沿-x方向通过边界474传播到部分反射器478中，然后传播到波导中，同时在+z或

方向中传播到外部介质以进一步处理。

图4G示出了示例性光子集成电路405，其展示了基于光栅的激光设备，具有在干涉区中具有相似周期的两个光栅结构。图4G中的两个光栅结构A和B可以对应于图3A中的301a-n和303a-n，其中，可以通过例如两个不同的光栅峰宽来区分光栅A和光栅B。两个光栅结构形成在干涉区上，其可以被解释为由反射器1和2界定。两个光栅结构通过调整两个光栅结构的光栅参数(例如，光栅高度、占空比、层材料的折射率)，将在横向方向上传播和共振的相干光重新定向到向上或向下垂直方向以实现所需的方向性。在一些实施方式中，两个光栅结构上方的区域的有效折射率小于两个光栅结构的有效折射率。在一些实施方式中，干涉区的有效折射率小于两个光栅结构的有效折射率。在一些实施方式中，两个光栅结构A和B分别具有小于50％的占空比。可以产生从上表面或下表面的激光设备的电触点。在一些实施方式中，可以从上表面实现激光设备的电触点，并且发射光可以在向下方向上重定向，使得激光设备可以是接合到基板上的倒装芯片，以实现高速电接触性能，而不会阻挡垂直发射光。

图4H示出了示例性光子集成电路415，其展示基于光栅的激光设备，其具有两个光栅结构，在干涉区中具有相似的周期和四分之一波相移。与支持两种激射模的图4G所示的激光设备相比，在干涉区中引入的四分之一波相移通过从光栅结构中移除一个区段以破坏对称性，使得图4H中所示的激光设备可以仅支持一种激射模。在如图所示的一些实施方式中，可以从上表面实现激光设备的电触点，并且发射光可以在向下的方向中重定向，使得激光设备可以是接合到基板的倒装芯片以实现高速电接触性能而在不阻挡垂直发射光。

在图4I中示出了基于图4C的概念，解释图4H中的激光设备的另一种方式。形成由四分之一波相移分开的两个光栅区411和413，其中，每个光栅区与反射区417和419部分重叠。两个光栅反射器重叠区将在横向方向上传播且共振的相干光重定向到垂直方向，并且仅支持一种激射模。在一些实施方式中，可以从上表面实现激光设备的电触点，并且发射光可以在向下方向上重定向，使得激光设备可以是接合到基板的倒装芯片，以实现高速电接触性能而不会阻挡垂直发射光。

图4J示出了一种实施方式，其中，基于光栅的激光设备423是接合到基板421的倒装芯片并且光从激光设备的背面发出。在一些实施方式中，光发出的基于光栅的激光设备423的背面可以进一步凹进以便于光发射。

图4K示出了示例性光子集成电路431，其展示基于光栅的激光设备，其具有两个光栅结构，在干涉区中具有相似的周期和四分之一波相移。与图4H中所示的激光设备相比，图4K进一步示出了四分之一波长相移干涉区与光栅区之间的周期/占空比锥形区433。在一些实施方式中，锥形区433具有与DFB反射区435的周期相比相似或更小的周期，即d1，但是其占空比沿着从中心到反射区的方向逐渐增加，如图4K所示。在一些实施方式中，可以在光栅区和反射区之间实现该周期/占空比锥形区的相同概念。

图4L示出了示例性光子集成电路451，其展示基于光栅的激光设备，其具有两个光栅结构，在干涉区中具有相似的周期和四分之一波相移。与图4K相比，在图4L中，在干涉区中引入的四分之一波相移通过向光栅结构添加一个区段来破坏对称性。在一些实施方式中，锥形区453与DFB反射区的周期相比具有相似或更大的周期，即d1，但其占空比沿着从中心到反射区的方向逐渐减小，如图4L所示。

对于传统的激光二极管，基本功能原理是通过将电载流子从两个端子(P和N)或电极提供到包括至少一种光子发射材料(PEM)，诸如将作为增益材料的III-V半导体的光源区中。端子通常是向前偏置的，以使电子和空穴在PEM中相遇，复合并且发出光子。如先前在图1A中所示，第一反射器106和第二反射器114定义共振结构(即，干涉区或腔110)，其沿着横向方向延伸，同时重定向光沿垂直方向123发出。当干涉区110包含PEM层，并且提供两个端子使得可以在干涉区110中产生光子时，这些光子可以沿着横向方向，在两个反射器106和114之间共振。在本公开中，包括用作栅极端子的第三类型的端子(传统的两个端子可以被视为“导电端子”)以朝向栅极区吸引/抑制/注入/恢复某些类型的载流子，由此调制待复合的载流子的量。该端子的电触点可以是多种形式，诸如直接金属触点(例如：MESFET类型)、结型(例如：JFET类型)，或通过用于场控制的电介质(MOSFET类型)。虽然对于该控制端子存在许多可能的实施方式，但核心概念是提供第二组电场以改变除了被用来注入载流子以产生光子的第一组电场之外复合的载流子的量。与传统的激光二极管直接调制相比，这种“栅控制”方案可以具有更大的调制带宽。还可以利用向栅极多级施加电压来编码多于一比特的数据(开/关)以获得不同的输出光功率级，实现高级调制方案。这种类型的调制类似于向栅极施加不同的电压电平的调幅。在以下段落中更详细地描述了用于实现该栅极可控横向共振光学发射器结构的各种示例性实施例。

图5A示出了用于发光的示例性光学装置561的横截面图。用于发光的光学装置561包括光源区570，其包括光子发射材料(PEM)层572。此外，光源区570可以是由两个反射器限定的干涉区。光学装置561进一步包括耦合到光源区570的第一电极591、耦合到光源区570的第二电极592，以及耦合到光源区570的第三电极593。如该图所示，第一电极591包括导电层591a和掺杂区591b。导电层591a例如是金属层，以及掺杂区591b例如是n型掺杂区。类似地，第二电极592包括导电层592a和掺杂区592b。导电层592a例如是金属层，以及掺杂区592b例如是p型掺杂区。即，第一电极591和第二电极592具有不同的极性，使得载流子(电子和空穴)可以注入到光源区570中。例如，电子通过n型掺杂区591b被注入到PEM层572，而空穴通过p型掺杂区592b被注入PEM层572，使得电子和空穴在PEM 572中结合以产生光子。第三电极593包括导电层593a和绝缘层593b，其中绝缘层593b位于导电层593a和光源区570之间。在一些实施方式中，导电层593a包括掺杂的多晶硅或金属，而绝缘层593b包括氧化物或氮化物或半绝缘的III-V半导体。如该图所示，电压V1被施加到第一电极591，电压V2被施加到第二电极592，而第三电压V3被施加到第三电极593，其中V2>V1。在一些实施方式中，具有最低电压的电极可以被用作地。在一些实施方式中，如果V3>V2，则第三电极593吸引电子(由虚线示出)并且减少电子量以与来自第二电极592的空穴复合。在一些实施方式中，如果V2>V3>V1，则第三电极593同时吸引来自第二电极592的空穴和来自第一电极591的电子。在一些实施方式中，如果V3<V1，则第三电极593吸引来自第二电极592的空穴。在一些实施方式中，如果旨在V3大于V2，则第三电极593可以是P型，而如果旨在V3小于V1，则第三电极593可以是N型。

注意，除了传统的两个导电电极之外的第三电极的其他类似结构也是可能的并且应当包括在本公开中，只要遵循关键概念即可。以图5B-5G中包括的框图示出了一些更多示例。通常，根据一种实施方式的用于发光的光学设备包括：第三电极，用于调制用于复合的电载流子的量；以及用于光共振的横向光学腔结构，由前面的示例示出。

图5B-5E示出了用于具有横向腔的发光的光学装置的框图。在这些示例中，V1和V2被用作施加到激光器的“导电”电极(即，第一电极591和第二电极592)的电压，以及V3作为施加到“调制”电极的电压(即第三电极)以控制复合的载流子的量来发射光子。为了更通用，描述中省略了P或N型。具有两个箭头的实线指示发生复合的区域，并且通常在III-V半导体、基于III-V半导体的量子阱结构\基于III-V半导体的量子线结构、基于III-V半导体的量子点结构，或具有直接带隙的其他材料的内部。如图5B所示，第一和第二电极591和592位于干涉区570的两个相对侧。在说明书中在此省略了光子发射材料(PEM)，并且可以看作部分地嵌入在干涉区570内部。第三电极593位于第一和第二电极591和592之间，以调制第一电极591和第二电极592之间的载流子。图5C示出了另一种实施方式，第三电极593位于第一和第二电极591和592的连接路径之外。在这种情况下，第三电极593仍然可以通过从载流子复合区引出载流子来执行调制功能。在图5B和5C所示的示例中，电极位于相似的电平上。在图5D和5E所示的示例中，至少一个电极位于与其他电极不同的层上。类似于图5A所示的示例，第一电极591包括导电层和掺杂区。即，第一电极591和第二电极592具有不同的极性，使得载流子(电子和空穴)可以被注入光源区。第三电极593包括导电层和绝缘层，其中绝缘层位于导电层和干涉区570之间。此外，在图5B至5E所示的示例中，光反射器(未示出)设置在干涉区570的两个相对面上，并且对应于图5D中的实线区的箭头方向。在第一和第二电极591和592之间施加电流或电压之后，可以产生光子并且沿着实线区共振，并且由图5D中的光反射器限定。可以将电压或电流施加到第三电极593以吸引或排斥载流子(由虚线示出)并且因此改变电子或空穴的量以在干涉区中复合，从而实现调制功能。与图5D相比，图5E示出了通过切换一个导电电极和一个调制电极的位置的另一种实施方式。相应地改变注入路径(实线)和调制路径(虚线)。

图5F-5K示出了用于发光的光学装置的框图，其具有与图5A-5E中使用的编号和符号类似的若干其他实施方式的电极取向。图5F示出了具有垂直取向的导电电极591和592以及侧壁调制电极593的实施方式。图5G示出了侧壁导电电极591和592以及上调制电极593。图5H示出了类似于图5F的实施方式，但具有一个以上的调制电极593。

图5I示出了两个导电路径(实线)和底部的垂直调制电极593。图5J示出了两个导电路径(实线)和底部的垂直调制电极593。图5J示出了两个导电路径(实线)和侧壁的调制电极593。

由于组合示例中示出的所有主要元件以形成其他设计或实施方式，诸如PEM的量子阱或量子线或量子点结构到腔的相对取向(例如，平行或垂直于共振区)、光栅形式、使用两个传统的导电电极或包括另外的调制电极，在此示出的这些图仅是本公开的许多可能实施方式中的几个示例。因此，遵循本公开的概念的任何设计/结构仍然应当被视为在本公开的范围内。此外，不同的电极和触点可以在横向或垂直方向上位于不同的层。注意，为简化观看目的，作为设计示例示出的附图未按比例绘制。此外，干涉区(腔)可以包括PEM，诸如GaAs、InGaAs、InGaAsP、InGaAsN、InAs、硅纳米纤维、锗纳米晶体或其他材料，只要通过接合或材料生长，PEM层可以添加干涉区上或者至少部分地嵌入干涉区中。此外，为了更宽的工作带宽，可以沿共振方向级联一个以上腔。因此，遵循权利要求所阐述的概念的任何实施方式应当被视为在本公开的范围内。

图6A示出了具有正面调制的示例性基于光栅的激光设备(下文称为激光设备)661的横截面图，其中，正面调制是指调制栅极位于发光的一侧。激光设备661包括诸如砷化镓(GaAs)和砷化铝镓(AIGaAs)的交替层或作为光子发射材料(PEM)672的InGaAs和InP的交替层的活性材料层，其光学地耦合到干涉区670。形成产生非相干或相干光的量子点、线和阱结构的活性材料层的任何其他组合也在本公开的范围内。激光设备661包括由第一反射器666和第二反射器674限定的干涉区(腔)670。在所示的示例中，激光设备661进一步包括形成在干涉区670的上部中的光栅区680。激光设备661进一步包括第一触点691、第二触点692和第三触点693，其中第一触点691和第二触点692位于干涉区670的两端，而第三触点693位于干涉区670的上方并且在第一触点691和第二触点692之间。第一电极691包括导电层691a和掺杂区691b。导电层691a例如是金属层，掺杂区691b例如是n型掺杂区。类似地，第二电极692包括导电层692a和掺杂区692b。导电层692a例如是金属层，掺杂区692b例如是p型掺杂区。即，第一电极691和第二电极692可以具有不同的极性，使得载流子(电子和空穴)可以被注入干涉区670中并且在PEM 672中复合。例如，电子通过n型掺杂区691b注入而空穴通过p型掺杂区692b注入，使得电子和空穴复合以产生光子。第三电极693包括导电层693a和绝缘层693b，其中绝缘层693b形成在导电层693a和光源区670之间。此外，导电层693a包括掺杂的多晶硅或金属，以及绝缘层693b包括氧化物或氮化物或其他半绝缘的III-V半导体，在一些实施方式中，干涉区包括导电材料，使得从触点注入的载流子可以被转移到PEM区中以复合来产生光子。

将N型用作第一触点(电极)691的示例以及将P型用作第二触点692的示例，当电压V1和V2(V2>V1)分别施加到第一触点691和第二触点692时，电子将在N型触点691处被注入，而空穴将在P型触点692处被注入。因此，当电子与空穴复合时，在活性材料层672处产生光子。如果施加到第三触点693的电压V3大于V2，则第三触点693将吸引电子(如虚线所示)并且减少与来自P型触点692的空穴复合的电子量。如果V2>V3>V1，则第三触点693将分别从N型触点691和P型触点692吸引电子和空穴。如果V3<V1，则第三触点693将从P型触点692吸引空穴。以这种方式，第三触点693被用于激光设备661的载波调制。第三触点693可以通过介质694与干涉区670分开以调节透入干涉区的电场。如果应用诸如PN(结型)或MS(直接金属接触型)调制的直接载波调制机制，则可以省略介质694。在图6A所示的激光设备661中，当适当的电压被分别施加到第一触点691和第二触点692时，载流子(电子或空穴)被注入光学和电气地耦合到干涉区670的PEM区672。

第一反射器666、第二反射器674、干涉区670和光栅区680的结构可以通过本申请中描述的任何相应的结构，例如，图1A-3E中的相应结构来实现。例如，光栅可以如图3A所示实现，包含两个光栅301a-n和303a-n，其中它们各自的周期与干涉周期匹配但具有不同的占空比。作为另一示例，光栅可以如图3C所示实现，其中，形成二维矩形光栅结构。作为另一示例，第一反射区666和第二反射区674可以形成，例如，金属涂层或布拉格反射器，诸如布拉格周期等于波长的一半的DBR和/或DFB结构。在一些实施方式中，干涉区670由III-V半导体构成，并且第一反射器666和第二反射器674中的至少一个包括角镜、DBR镜、波导环镜或金属层。所产生的光在干涉区670中，沿第一反射器666和第二反射器674之间的方向共振，以产生相干光并且形成驻波图案。光栅区680可以被设计成基本上匹配驻波图案，其中，相干光沿着与共振方向不同的方向，通过光栅区680从激光设备661发出。在一些实施方式中，光栅形成有晶格矢量，使得干涉区670内部的光的同相波腹的位置基本上与光栅谷或峰的位置匹配。在一些实施方式中，第三触点893是透明材料(诸如ITO)以通过重定向的相干光。

图6B示出了具有正面调制的示例性基于光栅的激光设备(下文称为激光设备)662的横截面图。激光设备662类似于图6A中所示的激光设备，除了光栅区680位于干涉区670的底部之外。在图6B中，为简化起见，与图6A类似的元件使用相同的数字，并且这些元件也具有与图6A中所示相同或相似的材料/组分/功能。此外，在图6B所示的激光设备662中，第一触点691和第二触点692与不同的外延生长层接触，使得第一触点691和第二触点692位于不同的垂直层。在一些实施方式中，第一电极691与N型III-V半导体接触，第二电极692与P型III-V半导体接触，其中，N型和P型材料均利用原位掺杂，通过MOCVD或MBE生长。

图6C和6D示出了具有正面调制的示例性基于光栅的激光设备(下文称为激光设备)663和664的透视图。激光设备663和664类似于图6A中所示的激光设备，除了PEM 672内部的量子阱结构的布置可以与载流子注入方向或者共振方向平行(图6D)或垂直(图6C)外。由于在图6C和6D中，光通过电极之一(V3)，因此用于该电极的材料应当对光透明。例如，如果第三电极693与发光路径重叠，则当输出光波长长于850nm时，可以使用诸如氧化物的绝缘材料和诸如多晶硅的导电材料。

图6E和6F示出了具有正面调制的示例性基于光栅的激光设备(下文称为激光设备)665和667的透视图。图6E中所示的激光设备665具有与图6C所示类似的量子阱取向，以及图6F中示出的激光设备667具有与图6D所示类似的量子阱取向，除了端子之一(例如，第三电极693)有意地偏离发光方向以避免阻挡光之外。与图6C和6D中所示的那些相比，对该端子的材料选择可以更加多样化。

图6G示出了具有正面调制的示例性基于光栅的激光设备(下文称为激光设备)668的透视图。所示激光设备668类似于图6A的激光设备，除了两个导电电极691和692与不同层接触并且载流子注入方向(在691和692之间)与由第一反射器666和第二反射器674限定的光共振方向(在两个电极693之间)不同之外。在该示例中，载流子主要从691和692注入，并且被复合以产生光子。光子可以在两个反射器666和674之间共振，并且以类似于之前描述的机制，通过光栅区680发射。调制电极693远离光栅发射区，以避免阻挡光。在一些实施方式中，光栅区680还可以部分地用作调制电极的一部分。

在一些实施方式中，可以基于改变从上看的光栅区的宽度/长度比来进一步修改发射光束剖面。长度可以被定义为沿干涉或共振方向的方向。

图7A示出了具有背面调制的示例性基于光栅的激光器(下文称为激光设备)761的横截面图。激光设备761类似于图6A的激光设备，除了第三触点693形成在干涉区760的底部(背面)上并且相干光以类似于前文所述的机制类似的机制，通过光栅区780，从干涉区760的上方(正面)发出。尽管在该图中未示出，但是第一触点791和第二触点792也可以以类似于图6B的方式与不同的外延生长层接触。此外，光栅区780也可以以类似于图6B的方式位于干涉区760的底部，只要相应地设计方向性即可。对于具有如此处所示的正面发射结构的背面调制，调制电极的材料成分可以更灵活，因为它不与发光路径重叠。

图7B和7C示出了具有背面调制的示例性基于光栅的激光器(下文称为激光设备)762和763的透视图。此处所示的激光设备类似于图6E和6F的激光设备之处在于，PEM 772内部的量子阱取向可以改变，并且第三调制电极793与干涉区770的底部接触。

图8A示出了具有两个交替光栅结构的基于光栅的激光设备的横截面的示例性模拟结果。设计并且仿真了嵌入InP矩阵的InGaAs量子阱，其中InGaAsP层作为上层光栅。近场分布显示一个光栅结构的光栅峰与0°同相波腹相匹配，而另一个光栅结构的光栅峰与180°同相波腹相匹配。在光栅上方，可以观察到向上方向上的光的明显垂直发射，并且相应的远场分布显示0°远场角，即完全垂直发射。示例性模拟示出了使用如图3A所示的两个光栅结构的基于光栅的激光设备的示例性实施方式。

图8B示出了根据光栅区的不同宽度/长度的光束剖面的示例性模拟结果(俯视图)。宽度/长度可以被定义为垂直/沿干涉方向的方向。由于它们的限制差异，波形在这两个方向上可以是不同的。在使用SOI基板的示例中，沿宽度方向的波形类似于正弦函数(较弱约束)，而沿长度方向的波形类似于矩形函数(更强约束)。结果，在该示例中，可以使宽度大于长度以实现圆形发射光束剖面。

图9示出了与p-n结集成的光耦合器900的示例。光耦合器900包括第一反射区906、干涉区920和第二反射区914。干涉区920包括光栅区930。第一反射区906、干涉区920、第二反射区914以及光栅区930可以使用本申请中描述的任一相应的区域来实现。

光耦合器900还包括p-n结对，包括p掺杂区921,923和925，以及n掺杂区931,933和935。通常，通过控制一个或多个p-n结对，诸如输出功率和输出波长的参数可以通过施加电压或载流子注入来主动控制。在一些实施方式中，p-n结对921/931,923/933和/或925/935可以分别延伸到第一反射区906、干涉区920和/或第二反射区914中，以获得更好的可控性。在一些实施方式中，p掺杂区和n掺杂区可交替以形成交叉指型图案或其他图案。掺杂区的描述可以应用于本申请中描述的任一光耦合器。

在一些实施方式中，n掺杂区931和p掺杂区921可以被配置为通过在n掺杂区931和p掺杂区921上施加电压或电流，在第一反射区906中提供电场，其中，第一反射区906可以被配置为通过在n掺杂区931和p掺杂区921上施加电压或电流来提供不同的反射率。

在一些实施方式中，n掺杂区935和p掺杂区925可以被配置为通过在n掺杂区935和p掺杂区925上施加电压或电流，在第二反射区914中提供电场，其中，第二反射区914可以被配置为通过在n掺杂区935和p掺杂区925上施加电压或电流来提供不同的反射率。作为另一示例，n掺杂区935和p掺杂区925可以被配置为通过在n掺杂区935和p掺杂区925上施加电压或电流，在第二反射区914中提供电场，其中，可以提取第二反射区914中的电载流子。

在一些实施方式中，n掺杂区933和p掺杂区923可以被配置为通过在n掺杂区933和p掺杂区923上施加电压或电流，在干涉区920中提供电场，其中，干涉区920可以被配置为通过在n掺杂区933和p掺杂区923上施加电压或电流来为干涉光提供不同的干涉图案。

例如，通过施加反向偏压，电场可以提取区域中的自由载流子，因此可以改变该区域的折射率。作为另一示例，通过施加正向偏压，可以将自由载流子注入区域，因此可以改变该区域的折射率。

图10A示出具有多个输出的示例性光子集成电路1000。光子集成电路1000包括第一波导区1002，第一波导区1002被配置为在箭头1022所指示的方向引导线。光子集成电路1000包括形成在干涉区1010一侧上的第一光栅区1020。光子集成电路1000包括形成在干涉区1010的不同侧，例如，如图10A所示的相对侧上的第二光栅区1021。光子集成电路1000包括反射区1014，并且可以可选地包括另一反射区1006。光子集成电路1000包括可以耦合到其他无源和/或有源光学组件的第二波导区1028。

在一些实施方式中，来自第一波导区1002的光进入干涉区1010，并且可以被引导到第一外部介质1030、第二外部介质1032或第二波导区1028。例如，类似于图9的描述，n掺杂区和p掺杂区可以被配置为通过在n掺杂区和p掺杂区上施加电压或电流，在干涉区1010中提供电场，其中，可以通过在n掺杂区和p掺杂区上施加电压或电流来控制在+z方向上发出的光部分和在-z方向上发出的光部分。作为另一示例，类似于图9的描述，n掺杂区和p掺杂区可以被配置为通过在n掺杂区和p掺杂区上施加电压或电流来在第二反射区1014中提供电场。可以调整第二反射区1014的反射率，并且可以将光传输到第二波导区1028。

在一些实施方式中，光进入干涉区1010，并且可以被分成对第一外部介质1030、第二外部介质1032和/或第二波导区1028出射的光的不同部分。例如，可以设计第一光栅区1020中的光栅，使得光栅周期性基本上匹配TE偏振光的驻波。类似地，第二光栅区1021中的光栅可以设计成使得光栅周期性基本上与TM偏振光的驻波相匹配。通过控制光子集成电路1000中的TE和TM偏振光的比例，可以控制对第一外部介质1030和第二外部介质1032，从光子集成电路1000出射的部分。上述示例可以用作有效的偏振分束器。

在一些实施方式中，可在第一光栅区1020与第一外部介质1030之间形成第一层1024。可以形成第一层1024以保护光子集成电路1000，或提供用于耦合第一光栅区1020与第一外部介质1030的特定距离。在一些实施方式中，第二层1016可以形成在第二光栅区1021和第二外部介质1032之间。第二层1018可以形成为保护光子集成电路1000，或者提供用于耦合第二光栅区1021和第二外部介质1032的特定距离。例如，第一层1024可以是覆层，第二层1016可以是光子集成电路1000的基板。作为另一示例，与光栅区1020相比，第一层1024可以具有更低的折射率。

图10B示出了具有多个输入和输出的示例性光子集成电路1001。光子集成电路1001可以包括第一波导区1051、第二波导区1052、第三波导区1053、第四波导区1054、p-n结1055-1060以及1095-1098、第一反射区1061、第二反射区1062、第三反射区1091、第四反射区1092、干涉区1070和二维光栅1080。可以通过本申请中描述的任何相应的结构，例如，图1-7和图9中的相应结构来实现第一波导区1051、第二波导区1052、第三波导区1053、第四波导区1054、p-n结1055-1060以及1095-1098、第一反射区1061、第二反射区1062、第三反射区1091、第四反射区1092、干涉区1070和二维光栅1080的结构。

在一些实施方式中，来自第一和第三波导区1051和1053的光进入干涉区1070，并且可以被引导到第二波导区1052、第四波导区1054，或者沿z方向离开光栅，如由向外的箭头1064所示。在一些实施方式中，为了最小化来自第一和第三波导区的输入光的背反射，可以在初始设计期间，或通过动态施加电场，调整第一和第三反射区1061和1091的反射率，以匹配分别沿x和y方向传播的波的单循环衰减系数。

在一些实施方式中，来自第一波导区1051的光进入干涉区1070，并且可以被分成到第二波导区1052、第三波导区1053、第四波导区1054和/或沿z方向离开光栅，如由向外的箭头1064所示的不同部分。例如，光栅区可以包括二维光栅080，该二维光栅080被配置为根据波长，将光分成沿两个方向x和y传播的两个光部分。作为另一示例，光栅区可以包括二维光栅1080，其被配置为根据偏振，将光分成沿两个方向x和y传播的两个光部分。作为另一示例，二维光栅1080可以被配置为将沿着两个方向x和y传播的两个光部分反向组合成一个光部分。

在一些实施方式中，二维光栅1080可以被配置为通过组合来自两个方向x和y的两个光，通过使沿x和y方向的光栅1080的周期分别基本上匹配沿x和y方向的干涉图案的周期，在z方向上向上发光。在一些实施方式中，二维光栅1080可以被配置为通过组合来自两个方向x和y的两个光来在z方向上向上发光，通过在p掺杂区和n掺杂区之间施加电场，修改沿x和y方向的干涉图案来分别匹配沿x和y方向的光栅1080图案。作为另一示例，二维光栅1080可以被配置为将沿一个方向(例如-z)传播的一个光反向分成沿着两个方向x和y传播的两个光部分。

类似于图10A的描述，在一些实施方式中，n掺杂区和p掺杂区可以被配置为通过在n掺杂区和p掺杂区上施加电压或电流，在干涉区中提供电场，其中，通过在n掺杂区和p掺杂区上施加电压或电流来控制沿两个方向传播的两个光部分中的每一个的各自的比例。例如，可以在n掺杂区1059和p掺杂区1056上施加电压以控制输入光的路由或分离。在一些实施方式中，如果不需要调制相应区域的折射率，则可以消除一个或多个掺杂区。例如，如果不需要动态地调制干涉区1070，则可以去除掺杂区1056和1059。

图11A示出了光学装置1101的示例，其包括在宽光谱范围内提供高反射率的角镜1102。图11A的描述可以应用于本申请中公开的任何一个反射区。通常，光通过光栅区1120传播，并且入射在角镜1102的小平面1131a和1131b上。因为光入射在小平面1131a和1131b上超过全反射角，所以由于全反射而反射大量光，从而实现高反射率。

图11B示出了光学装置1103的示例，其包括提供部分反射率或高反射率的圆形或椭圆形小平面(facet)1104。图11B的描述可以应用于本申请中公开的任何一个反射区。通常，光通过弯曲光栅区1112传播，并且入射在小平面1104上。在一些实施方式中，小平面1104可以涂覆有金属层以提供高反射率。弯曲小平面1104通过高反射率弯曲小平面1104，将光重新朝向波导区的方向重新聚焦。

图11C示出了光学装置1105的示例，包括提供高反射率的布拉格反射器1106。例如，布拉格反射器1106可以通过完全蚀刻，由DBR和/或DFB结构形成，其布拉格周期等于波长的一半，如图11C所示。图11C的描述可以应用于本申请中公开的任何一个反射区。通常，光通过光栅区1122传播，并且入射在DBR镜1106上。在一些实施方式中，DBR镜1106可以被设计为在波长范围内提供高反射率。

图11D示出了光学装置1107的示例，包括提供部分反射率或高反射率的小平面908。图11D的描述可以应用于本申请中公开的任何一个反射区，通常，光通过光栅区1123传播，并且入射在小平面1108上。没有任何额外的涂层，可以使用菲涅耳方程来确定反射率。在一些实施方式中，小平面1108可以涂覆有一层或多层材料以增加反射率。例如，小平面908可以涂覆有金属层以增加反射率。作为另一示例，小平面1108可以涂有多个介电层，以在波长范围内增加反射率。作为另一示例，小平面1108可以涂有四分之一波长的介电层，然后是金属层，以在波长范围内增加反射率。

图11E示出了光学装置1109的示例，其包括提供高反射率的表面波纹状布拉格反射器1136。例如，表面波纹状布拉格反射器1138可以通过部分蚀刻，由DBR和/或DFB结构形成，其布拉格周期等于波长的一半，如图11E所示。图11E的描述可以应用于本申请中公开的任何一个反射区，通常，光通过光栅区132传播，并且入射到反射镜1136上并且被反射，形成干涉图案。

可以集成在光子集成电路中的任何其他类型的反射器也可以用作

图11A-11E中描述的反射器的替代物。作为示例，反射区可以替代地包括波导环镜。作为另一示例，反射区可以替代地包括异常色散镜，其中，该色散镜的有效折射率随着更长的波长而增加。

图12示出了用于设计基于光栅的光发射机的流程图的示例。过程1200可以由设计者或数据处理装置，诸如一个或多个计算机执行。

首先确定空腔材料组分和规模(1202)。在一些实施方式中，基于目标光偏振/模式/波长/光斑大小，以及外部介质(例如，连接到第二侧114的光栅或波导上方的光纤等)，可以确定用于腔或基板的规模和材料成分。例如，对于中心波长约为1310nm的单模光信号，InP层可以用作基板，并且基于InAs、InGaAs、InGaAsP和InGaAsN的量子阱结构可以在InP基板上方用作光源区。可以在光源区的上方使用另一InP层作为覆层。如果外部光纤的光斑大小为约10μm，则与光纤方向对准的腔的规模需要为约或大于10μm，以允许外部光纤耦合到光栅结构上。

然后确定反射器设计(1204)。可以使用适当的反射器设计(例如，锥形DFB/DBR或角镜或氧化物-金属涂层等)来形成干涉波图案。在一些实施方式中，诸如FDTD仿真系统的数值分析工具可以优化设计参数来产生具有接近100％的反射的反射器的设计。例如，该设计可以是锥形波导分布式布拉格(DBR)或分布式反馈(DFB)反射器，每个反射器的周期等于腔内光的有效波长的约一半。包含至少部分干涉光的干涉区形成在腔内。

然后，如果使用DFB/DBR反射器设计，则可以实现四分之一波相移不连续以破坏对称性(1206)。这允许仅在腔内形成单光学模式。

然后，可以在四分之一波相移不连续的两侧上实现锥形结构，以逐渐补偿由不连续性引起的局部有效折射率失配(1208)。

然后，可以基于干涉区内部的干涉光波图案确定在干涉区上方发光的光栅结构(1210)。光栅图案的周期需要与干涉光的周期基本匹配；其他参数，诸如占空比、光栅高度和光栅结构的形状可以是根据诸如入射光斑尺寸、光的模式、光的波长、腔和光源区的材料和预期出射角等参数优化的。在使用DFB/DBR反射器设计的一些实施方式中，光栅可以包括沿光传播方向布置的两个光栅结构，具有180°相移，如图3A所示。在一些实施方式中，通过使一个DFB反射器的一些部分处的占空比减小预定值来形成一个光栅结构，而通过使另一个DFB反射器的一些部分处的占空比增加类似的预定值来形成另一光栅结构。通过在DFB反射器的不同区域处，以相似的量交替地减少和增加占空比，总有效反射率可以保持基本不变，因此干涉区内部的干涉波图案的中心波长在这些占空比调整之后也可以保持基本不变。两个光栅结构，每个光栅结构的周期基本上与干涉光的周期匹配，可以一起用作反射器和光学天线，以在基本垂直的方向上发光。在一些实施方式中，添加光栅结构仍然可以改变有效折射率，因此干涉光的特性会改变。因此，可能需要一些迭代过程来进行优化。

已经描述了示例性设计流程。然而，将理解到，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以做出各种改进。例如，可以使用上面示出的各种形式的流程，具有重新排序、添加或移除的步骤。例如，在图12中，步骤1206和1208是可选的，并且如果合并也可以在步骤1210之前完成。作为另一示例，步骤1206也可以在步骤1208之后并且通过相同的步骤1208完成。作为另一示例，步骤1204,1206和1208可以也可以用同一步骤完成。作为另一示例，步骤1210也可以在步骤1204之前完成。

图13示出了用于制造基于光栅的光发射机的流程图的示例。过程1300可以由包括数据处理装置的系统，诸如控制执行制造步骤的一个或多个装置的一个或多个计算机执行。

该系统被用来在基板上制造包含量子阱或量子线或量子点结构的光源区(1302)。光源区的制造可以通过包括分子束外延(MBE)或金属有机化学气相沉积(OCVD)人制造技术完成。在一些实施方式中，可以通过诸如化学气相沉积、气隙增强化学气相沉积、溅射或可以用来在光源区的上方沉积一层或多层的任何其他合适的薄膜沉积技术的膜沉积技术来进一步沉积包覆层。

该系统被用来制造光栅(1304)。光栅的制造可以通过包括光刻、蚀刻和沉积的制造技术的组合来完成。例如，诸如具有步进光刻工具的投影光刻、电子束光刻、接触光刻或任何其他合适的光刻技术的光刻技术可以被用于图案化光栅。作为另一示例，可以使用诸如干蚀刻、湿蚀刻或任何其他合适的蚀刻技术的蚀刻技术来蚀刻图案化的光栅。可以通过使用同一掩模，共享光刻和蚀刻步骤来制造图3A中提及的单个光栅结构或两个光栅结构。此外，如果使用表面波纹状DFB型反射器，则表面波纹状结构也可以在制造光栅时的同一步骤中完成。在一些实施方式中，光栅进一步包括如前提及的四分之一波长相移和锥形结构。在一些实施方式中，可以使用薄膜沉积技术(诸如化学气相沉积、气隙增强化学气相沉积、溅射或任何其它合适的薄膜沉积技术)来将一层或多层材料沉积在光栅上作为包覆层。

该系统被用来制造腔(1306)。腔的制造可以通过光刻和蚀刻来完成，以将腔限定为目标尺寸。在一些实施方式中，可以任选地使用薄膜沉积技术来沉积一层或多层以钝化图案化的腔。

该系统被用来制造反射器(1308)。反射区的制造可以通过类似于如前所述的组合光刻、蚀刻和沉积来完成。在一些实施方式中，通过共享相同的光刻、蚀刻步骤甚至掩模，DBR型或角反射器可以在形成腔时的同一步骤期间形成(1306)。在一些实施方式中，可以通过沿干涉光方向，在腔的侧面上沉积金属层来形成金属反射器。在一些其他实施方式中，可在腔与金属层之间形成四分之一波长介电层以实现高反射率。

该系统被用来制造电极以将电载流子提供到光源区中或调制光源区中的电场(1310)。通过沉积、光刻和蚀刻的组合形成电耦合到光源区的至少两个电极。在一些实施方式中，形成第三电极使得三个电极被设置以提供对三个电极之间的相对电场的控制来调制电载流子浓度。由电载流子复合产生的光沿第一方向在干涉区内共振，并且沿与第一方向不同的第二方向从干涉区出射。

已经描述了许多实施方式。然而，将理解到，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以进行各种改进。例如，可以使用上文示出的各种形式的流程，其中重新排序、添加或移除步骤。例如，步骤1306也可以在步骤1304之前完成。作为另一示例，步骤1308也可以用同一步骤1304完成。作为另一示例，步骤1308也可以用同一步骤1306完成。作为另一示例，也可以在步骤1302之后完成步骤1310。

用于重定向入射电磁波的光学设备

一侧具有一个反射镜的结构：

图14A示出了用于重定向入射光的光学设备的第一实施例的块组件。光学设备1400主要包括具有第一侧1412的腔1410、设置在腔1410的顶面1418上或嵌入腔1410中的光栅结构1420，以及设置在第一侧1412上的反射镜1416。上述组件可以设置在具有低于腔的折射率的支撑层1432上以产生全内反射，例如，邻接腔1410的二氧化硅层1432其上包括硅或氮化硅或氮氧化硅，或者邻接腔1410的二氧化硅层1432由其上掺杂的二氧化硅组成。上述组件还可以包括硅或锗或氮化物或氧化物或聚合物或玻璃或它们的组合，并且可以设置在高反射层1432上，例如，氧化物-金属涂层或分布式布拉格反射器(DBR)堆。

假设光1440入射在腔1410的左半部分(即，与第一侧1412相对的部分)上，如由箭头所示，如果在从初始进入点到第一侧1412然后回到初始进入点的单循环期间，入射光被视为被约束在腔1410内部，基本上衰减入射光。

可以进一步解释这种情况，其中，初始入射点对于来自其左侧的光具有反射率r，以及(在初始进入点和第一侧1412之间限定的)腔具有单循环衰减系数α。在这种情况下，在光约束条件“α＝r”下，由于r现在为0(初始入口点没有光反射)，α也需要为0，这意味着所有光能在单循环后衰减。此时，光约束条件是指通过基本上为零的背反射，在空腔区中空间定位光；单循环是指光从初始进入点行进到腔1410中，到达第一侧1412，由反射镜1416反射，并且最终回到初始进入点。

在实际情况下，当发生与理想“α＝r”情形的轻微偏离时，该实施例仍然起作用但具有不同的耦合效率。由于在实际实施方式中，诸如工艺变化和材料非均匀性的许多非理想因素通常起作用，因此在实际实施方式中，预期与精确条件的偏差。然而，只要这些偏差在设计公差范围内，它们就不会改变该实施例的功能。因此，在不完善的条件下进行设计选择是“优化”过程的一部分。例如，如果在光栅蚀刻过程期间发生过蚀刻，可以增加初始设计的占空比(其中占空比被定义为沿着波传播方向，光栅的峰宽与峰宽和谷宽之和的比率)以补偿过蚀刻。如果做出这样的选择仍然遵循该实施例的概念，则所有这些设计选择和变化也在该实施例的范围内。该声明还适用于下面的章节中讨论的、两侧上均具有反射镜的结构。在另一个角度来看，该个反射镜结构可以被看作是下述两个反射镜结构的特殊情况之一，其中，一个反射镜的反射率等于零。

对于光栅结构1420的设计，通过使光栅结构1420的图案与腔1410中的驻波图案基本上匹配，入射光的大部分可以通过光栅结构1420，以相对于入射方向的预定角度，向上或向下离开腔1410。通过调整光栅高度或占空比或覆盖光栅结构或层1432的覆层或它们的组合，可以修改方向性以使几乎所有的功率向上发射，同时几乎没有向下发射的功率，或反之亦然。为了简化描述而不限制范围，在整个说明书中，将向上发射描述为主要情况。如图2所示，符号d1表示腔1410中的驻波的两个相邻最大功率点之间的距离(强度周期性)，以及符号d2表示光栅结构1420的周期(在该图中示出矩形光栅)。理论匹配条件是d2＝2d1。通过匹配波形图案，该光栅结构1420充当“天线”并且对于光以相对于初始入射方向的预定角度向上离开腔1410变得最有效。从每个周期性区段(p1和p2)发出的所有点源波前被组合成联合平面波前，其基于光栅结构1420的地形设计，诸如其形状、周期、占空比、深度/高度或它们的组合特性，以预定角度向上传。在光学耦合领域中，预定角度可以被设计成基本垂直于腔的顶面，以便于将光耦合到外部光学组件/从外部光学部件耦合光。

由于存在一些非理想因素，诸如腔蚀刻改变了有效反射率和蚀刻过程本身不必要地产生直线形貌，实际匹配条件可能偏离理论条件d2＝2d1。因此，虽然理论匹配条件是d2＝2d1，但是在实际实现期间，预期与精确条件略有偏差。例如，腔1410中的驻波的两个相邻最大功率点之间的距离d1和光栅结构1420的周期d2的一半不完全匹配，但仍然具有几乎相同的数量级。换句话说，腔1410中的驻波的两个相邻最大功率点之间的距离d1和光栅结构1420的周期d2的一半基本上在相同的数量级内。对于“相同数量级”的定义，如果较大数字与较小数字之间的比率小于10，则两个数字具有相同的数量级。其他参数，诸如光栅结构的光栅占空比、深度/高度，以及形状是设计参数，这些选择取决于包括入射光偏振/模式/波长/光斑尺寸、腔材料和输出光的预期方向性的因素。上述参数的所有选择可能会影响性能，但如果选择适当，则不会改变基本功能。因此，这些选择是基于上述概念的“优化”过程的一部分。

图15A示出了用于说明图14A中所示实施例的可行性的工作示例之一。光学设备1400包括具有第一侧1412的腔1410、设置在腔1410的顶面1418上或嵌入腔1410中的光栅结构1420。反射镜1416设置在第一侧1412处。反射镜1416例如是提供接近100％(通常，预期高反射率，诸如高于50％以最小化泄漏在第一侧1412外部的功率来实现光约束条件)。腔1410例如可以设置在支撑层1432上，并且支撑层1432被设置在基板1430上。支撑层1432的折射率低于腔的折射率，以产生全内反射，例如，邻接腔1410的二氧化硅层1432其上包括硅或氮化硅或氮氧化硅，或者邻接腔1410的二氧化硅层1432包括其掺杂的二氧化硅。光从箭头1440所示的方向入射并且通过初始进入点进入腔1410。光栅长度L1可以是例如大约10μm，以更好地匹配传统的单模光纤(SMF)模式分布。可以基于该光栅结构旨在与之耦合的外部光学组件的尺寸来选择其他尺寸。示例性光栅结构1420可以是例如矩形的肋，具有420nm周期、0.56占空比和175nm高度，其中，占空比是沿波传播方向，峰宽与整个周期的比率(整个周期是峰宽和谷宽的总和)，并且高度是沿垂直于顶面1418的方向。

模拟结果显示，在如上所示选择的参数的1305nm波长下，可以获得通过光栅向上约85％～88％的方向性以及近似的低背反射。为了计算总耦合效率，将标准SMF(光纤面涂有抗反射涂层)放置在光栅顶部。然后，横向电(TE)光信号从由1440所示的初始进入点注入腔1410，并且被重定向到SMF中。在1305nm波长处，相应的最小总耦合损耗计算为约为1.25dB，并且具有约为20nm～25nm的3dB全宽。

注意，上述数值示例被描述为证明本公开的可行性，并且不应以任何方式视为限制。其他变化和优化被认为在本说明书的范围内，只要它们在本公开中阐述的权利要求中涵盖即可。

在两个相对侧具有两个反射镜的结构：

图14B示出了用于重定向入射光的光学设备的第二实施例的块组件。光学设备1400主要包括与图14A中所示相似的组件；因此，为了简化描述，类似的组件使用相同的标号。在图14B所示的实施例中，光学设备1400进一步包括在腔1410的第二侧1414处的光反射器1417(为了便于说明，也可以称为第二反射镜M2)。

假设光也从由1440所示的第二侧1414的左半部分入射，则如果满足某些设计条件，则可以认为入射光被约束在腔1410内。选择腔1410的材料/尺寸、处于第一侧1412处的反射镜1416(为了便于说明，也可称为第一反射镜M1)的反射率，以及位于第二侧1414处的光反射器1417的反射率，使得初始光进入处的反射光以及来自第二侧1414的右侧、透过光反射器1417并且进入第二侧1414的左侧的所有光由于腔内部的共振条件下的π相位差，在第二侧1414的左侧处相互相消干涉，以实现理论上的光约束条件。由于基于所公开的设计概念，在该条件下通过相消干涉，控制(从其所有周围环境，诸如在该2D示例中，其底部、左侧和右侧)泄漏出腔1410的功率，因此光离开腔1410的最有效的方式是通过光栅结构1420。通过使光栅结构1420的图案与腔1410中的驻波的图案基本匹配，大部分入射光通过基于光栅结构1420的形貌设计，诸如其形状、周期、占空比和深度/高度的角度，通过光栅结构1420向上离开腔1410。在光学耦合的领域中，为易于耦合的目的，角度可以被设计为基本垂直于腔的顶面。

图14B中所示的第一侧1412和第二侧1414用点划线图示。因此，支撑层1432上方的光学结构可以由一体成形或者彼此以一体的形式的多个光波导区构成。例如，具有特定波长的光撞击光学设备的第一波导区并且传播到耦合到第一波导的第二波导区。第二波导区耦合到干涉区，其中具有特定波长的光在第二波导区和干涉区之间，以第一反射率反射。干涉区耦合到第三波导区，其中具有特定波长的光在干涉区和第三波导区之间，以第二反射率反射。光栅结构1420可以被设置在干涉区上或嵌入干涉区中。在一些实施方式中，第一反射率和第二反射率可以随波长而改变。在一些实施方式中，第一反射率和第二反射率在波长范围内恒定。

在下文中，通过使用假设的数字示例进一步解释光约束机制的物理原理。假设光通过第二侧1414处的光反射器1417(M2)进入腔。在此之前，光功率设定为1。如果设计10％M2(r＝10％)，则在通过M2之后，透射光功率变为90％。在约束条件“α＝r”下，α即光强度单循环衰减系数，被设计为10％。此时，单循环是指光从第二侧1414通过腔1410行进到第一侧1412，由反射镜1416(M1)，并且最终回到第二侧1414，但尚未被M2反射。M1被设计为具有100％反射率的完美反射器。然后在光穿过腔1410、从M1反射并且通过腔1410进行另一行程，在再次通过M2前，光功率变为90％*10％＝9％。在M2和腔1410之间的界面处，由于M2通常是互易结构，9％*10％＝0.9％的光功率将反射回腔，而8.1％的光功率将通过M2并离开腔1410。参考图19A，在进入腔之前光强度为I₀，并且在第一单循环之后，光强度在向后透过M2前变为I_a＝I₀(1-M2R)(M1R)α_c，其中，M2R是M2的反射率，M1R是M1的反射率，并且单循环衰减系数是α＝M1Rα_c，其中α_c是由腔引入的净衰减系数，不包括M1的影响。然后通过M2的反向透射光强度变为I_b＝I_a(M2R)。

尽管在该示例中，在零通过和第一次通过之后，从光反射器1417回到入射源的光的部分分别为10％和8.1％，但是它们在腔内的共振条件下是异相的，因此，从第二侧1414泄漏出空腔1410的实际功率小于10％和8.1％之和。在光约束条件下并且在多次通过之后，从光反射器1417回到入射源的所有光由于相消干涉而彼此抵消，这意味着原始入射光的几乎所有功率都被转移到腔1410中然后以预定角度被向上重定向。如图19B所示，在约束条件下，在多次通过之后，腔外的后向反射光功率I_E基本上达到零。

由于单循环衰减系数α是M1R的函数，为了满足光约束条件“M2R＝α”，只要腔是有损耗的，M2R的反射率必须小于M1R的反射率。还要注意，为了简化描述，假设M2引入的相移(θm2)为零，因此实际共振条件“往返相移等于2mπ”(m：整数)与“单循环相移等于2mπ”相同。如果θm2不为零，则共振条件变为“θm2+θoc＝2mπ”，其中θoc是单循环的相移。

图15B示出了进一步说明图14B中所示的实施例的可行性的工作示例之一。光学设备1400包括具有第一侧1412和第二侧1414的腔1410、设置在腔1410的顶面1418上的光栅结构1420。反射镜1416设置在第一侧1412处，并且光反射器1417设置在第二侧1414处。反射镜1416例如是锥形DBR镜。光反射器1417例如是单一蚀刻的狭缝。光从光反射器1417的左侧入射并且通过第二侧1414进入腔1410。光栅结构1420例如是矩形，具有420nm周期、0.54～0.56占空比和180nm～185nm高度。在该示例中，光反射器1417是宽度低于70nm的狭缝，以提供低于5％的反射镜损耗。

假定狭缝光栅距离和狭缝宽度约为180nm～188nm以及38nm～40nm，可以模拟在1305nm至1310nm波长处，通过低背反射获得通过光栅向上约为85％～87％的方向性。最小总耦合损耗在1305nm至1310nm波长下计算为约1.1-1.4dB，并且具有约20nm的3dB全宽的特征。此外，根据设计选择，也可以改变狭缝宽度，并且狭缝宽度优选小于三个有效光学波长，这是从入射波长和它行进的材料折射率推导出来的。其他实施方式，例如，锥形DBR反射器(诸如图16F中所示的锥形DBR反射器1417)也可以用作光反射器1417。因此，上述单个狭缝示例不应当被视为用于实现光反射器1417的限制情况。

注意，根据另一实施例，可以在光栅结构420的左边界和第二侧1414之间，或者在光栅结构1420和第一侧1412之间插入分离的区，其中，波导锥形用作模式滤波器。

即使在上述实施例中示出的光栅结构1420(例如，图14B中所示的光栅结构1420)的肋具有垂直于腔1410的顶面的侧壁1420a，但是光栅结构1420的肋可以具有以非垂直方式倾斜到腔1410的顶面的侧壁1420a。例如，侧壁的倾斜角度、高度/深度或光栅结构的间隔可以被设计成将光的发射角度修改成相对于顶面1418的预定角度。光栅结构1420还可以具有斜肋和垂直肋。

此外，如图15C所示，代替从腔1410的顶面1418突出的肋，可以通过穿入腔1410的顶面1418的凹槽来实现光栅结构1420。这些凹槽可以以垂直角度穿入腔1410，如图15C所示，或者以倾斜角度穿入腔1410，取决于实际工艺条件。尽管凹槽被图示为与狭缝1417相比具有更浅的深度，但应当注意到，与狭缝1417相比，凹槽可以具有更深或相同的深度。凹槽可以以均匀或不均匀的间隔分布。

此外，即使图15B和15C中所示的矩形肋具有均匀的周期和占空比，但取决于应用场景，它们也可以是不均匀的。例如，腔的两侧区域中的光栅结构的周期和占空比不同于腔体的中间区中的光栅结构的周期和占空比，以更好地匹配SMF的高斯空间强度分布。

注意，以上示例(包括所使用的数字参数)被描述为证明本公开的可行性，而不应当以任何方式被视为实现本公开的唯一方式。其他变形和优化应当被认为是在本公开的范围内，只要它们被涵盖在本公开中阐述的权利要求中。

设计过程

在一些实施方式中，设计方法可以描述如下：

基于目标光偏振/模式/波长/光斑尺寸，以及耦合设备(例如：连接到第二侧1414的光栅或波导的上方的光纤等)，可以确定腔的尺寸和材料以及基板。例如，对于中心波长约为1310nm的单模光信号，可以使用氧化物层上约250nm的Si层腔。如果外部光纤的光斑尺寸为约10μm，则腔的尺寸需要为约或大于10μm，以允许光纤耦合到光栅结构上，该光栅结构稍后将形成在腔上或嵌入腔中。

然后，将具有相对高反射率的适当反射镜设计(例如锥形DBR或角镜或氧化物金属涂层等)选择为反射镜1416并且确定腔内的干涉波图案。

然后，基于初始干涉波图案设计腔1410的上方的光栅结构1420。请注意，添加光栅会改变腔属性并且可能会略微改变内部的干涉波形，因此可能需要一些迭代过程来进行优化。

然后，基于腔1410和光栅结构1420的材料质量和物理尺寸，可以计算单循环衰减系数(α)以及共振条件的相应相移。

在获得单循环衰减系数α之后，选择适当的反射器设计，其反射率r＝α(或非常接近α)，并且将其放置在第二侧1414处作为光反射器1417。注意，在单循环衰减系数α小或接近0的情况下，可以将相应的反射率r设置为零，意指不存在光反射器1417。

为了更好地描述r＝0的这种特殊情况，可以进一步描述具有一个反射镜(即反射镜1416)的设计方法如下：

基于目标光偏振/模式/波长/光斑尺寸，以及耦合设备(例如：连接到第二侧1414的光栅或波导的上方的光纤等)，可以确定腔和基板的尺寸和材料。

然后，将具有相对高反射率的适当反射镜设计(例如锥形DBR或角镜或氧化物金属涂层等)选择为反射镜16并且确定腔内的干涉波图案。

然后，基于初始干涉波图案，设计腔1410的上方的光栅结构1420。注意，添加光栅会改变腔属性并且可能会略微改变内部的干涉波形，因此可能需要一些迭代过程来进行优化。

基于上述设计方法，下文示出了用于在SOI基板上实现具有基本垂直发射的高性能耦合器的示例性数字设计过程。光学仿真工具可以被用来测试以下设计过程：

设计具有接近100％反射的特征的波导后视镜(即反射镜1416)。这可以是硅锥形波导DBR、硅波导环镜、硅角镜或硅氧化物金属涂层。

利用波导后视镜将光信号发送到波导中。观察干涉波图案并且识别有效波长。

在波导上添加光栅结构，使得光栅周期几乎与干涉波图案的周期相同。注意，可以选择例如光栅长度以与外部耦合光学设备，例如SMF的尺寸相当。

微调光栅参数，例如形状、周期、占空比和深度/高度，直到同时实现期望的方向性(即“覆盖功率”除以“覆盖功率加基板功率”)和期望的远场角(例如：基本上垂直发射)。

测量单循环衰减系数及其相移，然后设计具有与该单循环衰减系数(r＝α)匹配的反射率的波导前光反射器(即光反射器1417)。然后可以通过整个结构的总背反射来检查是否满足光约束条件。

在以上示例中，反射镜1416可以由锥形波导DBR实现。DBR由完全蚀刻的狭缝构成，该狭缝具有等于50nm、100nm、175nm、250nm、234nm×4的空间宽度以及等于167nm、150nm、133nm、116nm、107nm×3的线宽。可以通过该设置获得覆盖>200nm波长跨度的宽带反射～100％。接下来，利用波导后视镜，将TE光信号发送到波导中以识别有效波长。基于干涉波图案选择420nm的光栅周期，并且选择光栅长度～10μm以稍后耦合到标准SMF。为了避免在光栅-波导边界处发生散射，应用鳍状光栅，其位于SOI波导上。

所公开的光学设备的近场和远场图案表明可以实现具有基本为零的远场角的均匀平面波。光栅区中的强场强度表明腔效应。事实上，所公开的光学设备可以被认为类似于“光学天线”阵列，其中，所有发射器被锁相，因此定向发射发生在零远场角。

此外，可以单独地或共同地调整光栅结构参数，包括其形状、周期、占空比和深度/高度，以优化方向性和远场角。例如，可以在M1和M2附近的一侧修改占空比以实现不同的方向性。另一示例是修改周期和蚀刻深度以实现不同的远场角。注意，描述上述示例以证明本公开的可行性，并且不应当将其解释为限制。其他变形和优化应当被认为是在本公开的范围内，只要它们涵盖在本公开中阐述的权利要求中。

除了上述实施例之外，光学设备进一步具有衍生物。图16A示出了根据又一实施例的用于重定向入射光的光学设备的块组件。图16A所示的光学设备具有与图15B所示相似的组件；因此，为简洁起见，类似的组件使用相同(或相似)的标号。图16A所示的光学设备在腔1410的侧表面上使用金属涂层或介电涂层1416A来代替图15B中所示的锥形DBR镜1416。

图16B示出了根据又一实施例的用于重定向入射光的光学设备的块组件。图16B所示的光学设备具有与图15B所示相似的组件；因此，为简洁起见，类似的组件使用相同(或相似)的标号。图16B中所示的光学设备使用通过气隙1416B，与腔1410的侧面分离的金属涂层或介电涂层1416A，以代替图15B中所示的锥形DBR镜1416。

图16C示出了根据又一实施例的用于重定向入射光的光学设备的块组件。图16C所示的光学设备具有与图15B所示相似的组件；因此，为简洁起见，类似的组件使用相同(或相似)的标号。图16C所示的光学设备使用通过介电层1416C，与腔1410的侧面分离的金属涂层1416A，以代替图15B中所示的锥形DBR镜1416。

图16D示出了根据又一实施例的用于重定向入射光的光学设备的块组件。图16D所示的光学设备具有与图15B所示相似的组件；因此，为简洁起见，类似的组件使用相同(或相似)的标号。此外，为了更好地说明用在该示例中的反射镜，为了简化，此处省略了基板1430和支撑层1432。图16D所示的光学设备使用角镜1416D，其在腔1410的第一侧1412处，由于全内反射而具有光反射侧1416E，以代替图15B中所示的锥形DBR镜1416。注意，角镜1416D可以与腔1410成一体形式或者与腔1410一体成形。在一些实施方式中，第二反射镜1417可以由传播区代替，其中光传播而不反射或损失。

图16E示出了根据又一实施例的用于重定向入射光的光学设备的块组件。图16E所示的光学设备具有与图16D所示相似的组件。在图16D所示的实施例中，光栅结构1420中的肋沿基本平行的线放置，并且平行线基本垂直于光的传播方向。在图16E所示的实施例中，光栅结构1420中的凹槽沿着基本上弯曲的线(例如，具有共同焦点的圆形线或椭圆线)放置。此外，即使在扇形光栅结构1420的圆周处图示了反射镜1419，但相关技术领域的技术人员也可以容易地用其他类型的反射装置(诸如锥形DBR反射镜)来代替反射镜1419。

图16F示出了根据又一实施例的用于重定向入射光的光学设备的块组件。除了第一反射镜16和第二反射镜1417均采用锥形DBR反射镜之外，图16F所示的光学设备具有与图15B所示相似的组件。

图16G示出了根据又一实施例的用于重定向入射光的光学设备的块组件。除了图16G中的第二反射镜1417是锥形DBR反射镜之外，图16G所示的光学设备具有与图16D所示相似的组件。

图16H示出了根据又一实施例的用于重定向入射光的光学设备的块组件。图16H所示的光学设备具有与图16D所示的相似的组件，不同之处在于图16D中的第一反射镜由光滑表面表示，该光滑表面随后可以涂覆有其他反射层以增加反射率。

可以使用各种设计来实现光栅结构1420，例如，以单列、阵列或分段形式实现的矩形或三角形横截面，如从上看，图17A(对称三角形肋)、17B(矩形肋)、17C(阵列点状肋)、17D(每行有序或随机数的三角形肋)和17E(分段肋)所示。图17F至17J是图17A至17E的相应横截面视图。注意，通过改变光栅结构的设计，可以调谐发射远场角和方向性。也可以使用其他形状，只要腔1410中的驻波的两个相邻最大功率点之间的距离d1和光栅结构1420的周期d2的一半具有相同的数量级。

此外，图17A至17J所示的实施例中的突出肋可以由相应形状的穿透凹槽(对称三角形、矩形、点阵形、非对称三角形和分段)代替，并且这些修改也在本公开的范围内。

图18A至18C示出了光学设备的若干简化透视图，以进一步示出用于各种应用场景的光程。图18A所示的光学设备具有与图14B所示类似的块组件；因此，图18A中所示的光学设备可以被视为可能的3D透视图之一。更具体地，腔1410具有带反射镜的第一侧1412、带有光反射器的第二侧1414，以及分别连接在第一侧1412和第二侧1414之间的两个侧面1413a和1413b。光栅结构可以嵌入顶面18a或底面1418b上。此外，由于图18A至18C的目的是说明光程，因此为了简单的观察目的，此时未示出反射镜、反射器和光栅的结构。图中的实线箭头表示主要的光传播路径，而虚线箭头是图示当方向性未调谐到100％时的次光程。图18A示出了示例性光程，其中，光从第二侧入射，并且大部分光通过相对于入射方向基本90°的角度重定向到上方。图18B类似于图18A，但在1418a或1418b上具有不同的光栅设计，以提供其他发射远场角。在该图中，θ1等于θ2，这是腔效应的结果。例如，当θ1为45°时，θ1也基本上为45°。此外，图8C示出了当光栅结构以例如具有非对称形状的方式设计时的情形，以强调一个方向，如实线箭头(θ1)所示，而不是如虚线箭头所示的另一个方向(θ2)。为了简单的查看目的，此处未示出指示次要光程的虚线箭头(当方向性未调整到100％时)。结合该结构的互易性质，许多其他可能的光重定向情况是可能的，因此在此示出的示例是为了说明目的，而不应当被视为限制本公开的范围。其他变形应当被认为是在本公开的范围内，只要它们涵盖在本公开中阐述的权利要求中。

为了便于描述和说明的目的，可以使用二维横截面讨论各种实施方式。然而，只要在三维结构中存在相应的二维横截面，三维变形和推导也应当被包括在本公开的范围内。

本说明书中描述的实施例和所有功能操作可以以数字电子电路实现，或者以计算机软件、固件或硬件实现，包括本说明书中公开的结构及其结构等同物，或者它们中的一个或多个的组合。实施例可以被实现为一个或多个计算机程序产品，即，在计算机可读介质上编码的一个或多个计算机程序指令模块，用于由数据处理装置执行或控制数据处理装置的操作。计算机可读介质可以是机器可读存储设备、机器可读存储基板、存储器设备、影响机器可读传播信号的物质组合，或它们中的一个或多个的组合。计算机可读介质可以是非暂时性计算机可读介质。术语“数据处理装置”包括用于处理数据的所有装置、设备和机器，包括例如可编程处理器、计算机或多个处理器或计算机。除了硬件之外，装置还可以包括为所述的计算机程序创建执行环境的代码，例如，构成处理器固件的代码、协议栈、数据库管理系统、操作系统，或者它们的一个或多个的组合。传播信号是人工生成的信号，例如，机器生成的电、光或电磁信号，其被生成以编码信息，用于传输到合适的接收器装置。

计算机程序(也称为程序、软件、软件应用、脚本或代码)可以用任何形式的编程语言编写，包括编译或解释的语言，并且它可以以任何形式部署，包括作为独立程序或适合用在计算环境中的模块、组件、子例程或其他单元。计算机程序不一定对应于文件系统中的文件。程序可以存储在文件的一部分中，该文件保存其他程序或数据(例如，存储在标记语言文档中的一个或多个脚本)、存储在专用于所述程序的单个文件中，或者存储在多个协作文件中(例如，存储一个或多个模块、子程序或代码部分的文件)。可以部署计算机程序以在一个计算机上执行或在位于一个站点上或分布在多个站点上并通过通信网络互连的多个计算机上执行。

本说明书中描述的过程和逻辑流程可以由执行一个或多个计算机程序的一个或多个可编程处理器执行，以通过对输入数据进行操作并且生成输出来执行功能。过程和逻辑流程也可以由专用逻辑电路,例如FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路)执行，并且装置也可以实现为专用逻辑电路，例如FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路)。

适合于执行计算机程序的处理器包括，例如通用和专用微处理器，以及任何类型的数字计算机的任一或多个处理器。通常，处理器将从只读存储器或随机存取存储器或两者接收指令和数据。计算机的必需元件是用于执行指令的处理器和用于存储指令和数据的一个或多个存储器设备。通常，计算机还将包括用于存储数据的一个或多个大容量存储设备，例如磁盘、磁光盘、或光盘，或者可操作地耦合以从其接收数据或向其传输数据、或者两者的一个或多个大容量存储设备。然而，计算机不需要具有这样的设备。此外，计算机可以被嵌入另一设备，例如平板电脑、移动电话、个人数字助理(PDA)、移动音频播放器、全球定位系统(GPS)接收器中，仅举数例。适合于存储计算机程序指令和数据的计算机可读介质包括所有形式的非易失性存储器、介质和存储器设备，包括例如半导体存储器设备，例如EPROM、EEPROM、和闪速存储器设备；磁盘，例如内部硬盘或可移动盘；磁光盘；以及CD ROM和DVD-ROM盘。处理器和存储器可以由专用逻辑电路补充或者并入专用逻辑电路中。

为了提供与用户的交互，实施例可以被实现在具有用于向用户显示信息的显示设备，例如CRT(阴极射线管)或LCD(液晶显示器)监视器以及用户通过其可以向计算机提供输入的键盘和指示设备，例如鼠标或轨迹球的计算机上。其他类型的设备也可以被用于提供与用户的交互；例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的感官反馈，例如视觉反馈、听觉反馈、或触觉反馈；并且可以以任何形式接收来自用户的输入，包括声音、语音、或触觉输入。

实施例可以被实现在计算系统中，该计算系统包括例如作为数据服务器的后端组件，或者包括例如应用服务器的中间件组件，或者包括例如具有图形用户界面或Web浏览器的客户端计算机的前端组件-用户通过该Web浏览器可以与所公开的技术的实施方式交互，或者包括一个或多个这样的后端组件、中间件组件、或前端组件的任意组合。系统的组件可以通过任何形式或介质的数字数据通信，例如通信网络来互连。通信网络的示例包括局域网(“LAN”)和广域网(“WAN”)，例如互联网。

计算系统可以包括客户端和服务器。客户端和服务器通常彼此远离并且通常通过通信网络交互。客户端和服务器的关系依靠在各自的计算机上运行并且具有彼此的客户端-服务器关系的计算机程序而产生。

虽然本说明书包含许多细节，但是这些不应被解释为限制，而是应当被解释为对特定实施例特有的特征的描述。本说明书中在单独实施例的场境中描述的某些特征也可以在单个实施例中以组合实现。相反，在单个实施例场境下所描述的各个特征也可以在多个实施例中单独地或以任何合适的子组合来实现。此外，虽然上文可能将特征描述为以某些组合来起作用并且甚至最初如此要求保护，但是在一些情况下来自所要求保护的组合的一个或多个特征可以从组合中被删去，并且所要求保护的组合可以针对子组合或子组合的变型。

类似地，虽然在附图中以特定顺序描绘了操作，但是这不应当被理解为需要以所示的特定顺序或以连续顺序来执行这样的操作、或者需要执行所有所示的操作才能达到期望的结果。在某些情况下，多任务和并行处理可以是有利的。此外，上述实施例中的各种系统组件的分离不应当被理解为在所有实施例中都需要这样的分离，而是应当理解为所述的程序组件和系统通常可以一起集成在单个软件产品中或封装到多个软件产品内。

因此，已经描述了特定实施例。其他实施例落入所附权利要求书的范围内。例如，权利要求书中所记载的动作可以以不同的顺序执行并且仍然达到期望的结果。

注意，上述实施例中的任何一个和所有实施例可以彼此组合，但在上文中另外说明或者在任何这样的实施例可能在功能和/或结构上相互排斥除外。

尽管已经参考特定的示例性实施例描述了本发明，但是应该认识到，本发明不限于所述的实施例，而是可以在所附权利要求的精神和范围内通过改进和变更来实施。因此，说明书和附图应当被视为说明性意义而非限制意义。

Claims

1.一种光学装置，包括：

光源区，所述光源区被配置为产生光；

第一反射区和第二反射区，所述第一反射区和第二反射区被配置为反射所产生的光以使得沿第一方向形成干涉光；

干涉区，所述干涉区形成在所述第一反射区和所述第二反射区之间并且耦合到所述光源区，并且所述干涉区被配置为限制由所述第一反射区和所述第二反射之间反射的光沿所述第一方向形成的干涉光的至少一部分；以及

光栅区，所述光栅区包含第一光栅结构和第二光栅结构，这两个光栅结构具有基本相同的周期但不同的占空比，其中，这两个光栅结构沿所述第一方向以180°相位偏移布置，

其中，所述光栅区形成在限制所述干涉光的至少一部分的区上，并且所述光栅区被配置为沿着不同于所述第一方向的第二方向发射所述光的至少一部分，

其中，通过去除或增加所述光栅结构的至少一个区段，在所述光栅区中形成四分之一波长偏移区。

2.如权利要求1所述的光学装置，其中，所述第一光栅结构的光栅周期性基本上与所述干涉区内的干涉光的周期性相匹配。

3.如权利要求1所述的光学装置，其中，沿所述第一方向在所述四分之一波长偏移区附近形成锥形区，其中，所述锥形区的周期或占空比从更接近所述四分之一波长偏移区的一侧朝远离所述四分之一波长偏移区的一侧增大或减小。

4.如权利要求1所述的光学装置，其中，所述第一反射区是形成分布式反馈或分布式布拉格反射的表面波纹状光栅结构。

5.如权利要求4所述的光学装置，其中，所述光栅区的第一光栅结构的占空比不同于所述第一反射区的表面波纹光栅结构的占空比，并且所述第一光栅结构的周期两倍于所述表面波纹光栅结构的周期。

6.如权利要求4所述的光学装置，其中，所述光栅区的第一光栅结构形成在与所述第一反射区的表面波纹光栅结构相同的平面上。

7.如权利要求1所述的光学装置，其中，所述光源至少部分地嵌入所述干涉区中，并且包含形成量子阱或量子线或量子点结构的交替的III-V材料层。

8.如权利要求1所述的光学装置，其中，所述光栅区的一部分形成在所述干涉区或所述第一反射区上。

9.如权利要求1所述的光学装置，其中，所述第二方向基本垂直于所述第一方向。

10.如权利要求1所述的光学装置，其中，所述第一光栅结构区的光栅周期为d2，其中，所述干涉区内的干涉光的强度周期为d1，其中，d2基本上等于2×d1。

11.如权利要求1所述的光学装置，其中，所述光栅区具有沿所述第一方向的光栅长度以及沿在平面上垂直于所述第一方向的第三方向的光栅宽度，并且所述光栅宽度不同于所述光栅长度，以获得圆形光束剖面。

12.如权利要求1所述的光学装置，进一步包括：

n掺杂区和p掺杂区，所述n掺杂区和p掺杂区被配置为通过在所述n掺杂区和所述p掺杂区上施加电压或电流，在所述干涉区中提供电场，

其中，所述干涉区被配置为通过在所述n掺杂区和所述p掺杂区上施加电压或电流来为所述干涉光提供不同的干涉图案。

13.如权利要求1所述的光学装置，进一步包括：

n掺杂区和p掺杂区，所述n掺杂区和p掺杂区被配置为通过在所述n掺杂区和所述p掺杂区上施加电压或电流，在所述第一和/或第二反射区中提供电场，

其中，所述第一和/或第二反射区被配置为通过在所述n掺杂区和所述p掺杂区上施加电压或电流来提供不同的反射率。

14.如权利要求1所述的光学装置，其中，所述第一反射区或所述第二反射区包括下述之一：角镜，DBR镜，DFB镜，异常色散镜，波导环镜，具有金属镜的介电层，金属层。

15.如权利要求1所述的光学装置，其中，所述光栅区形成有晶格矢量，使得所述干涉区内的干涉光的同相波腹的位置基本上与光栅谷或峰的位置匹配。

16.如权利要求1所述的光学装置，进一步包括：

电耦合到所述光源区的第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极被配置为利用施加在所述第一电极和所述第二电极之间的电场通过电载流子注入来产生光。

17.如权利要求16所述的光学装置，进一步包括：

电耦合到所述光源区的第三电极，所述第三电极被配置为通过施加在(i)所述第一电极与所述第三电极之间或(ii)所述第二电极与所述第三电极之间的电场，调制所述光源区中的电载流子浓度。

18.如权利要求17所述的光学装置，其中，所述光源区包含至少两个不同的材料层，并且所述第一电极和所述第三电极与所述光源区的不同材料层物理接触。

19.如权利要求17所述的光学装置，其中，在所述第三电极和所述光源区之间形成介电层，并且所述第三电极被配置为通过电容效应调制在所述光源区中复合的电载流子的量，而不将电载流子注入所述光源区。

20.如权利要求17所述的光学装置，其中，至少两个不同的电压电平被依次施加到所述第三电极，以调制在所述光源区中复合的电载流子的量来获得不同的输出光功率电平。

21.如权利要求17所述的光学装置，其中所述光栅区和所述第三电极位于所述干涉区的相对侧，且所述光通过所述光栅区这一侧发出。

22.如权利要求17所述的光学装置，其中所述光栅区和所述第三电极位于所述干涉区的相对侧，且所述光通过所述光栅区这一侧的相对侧发出。

23.如权利要求17所述的光学装置，其中所述光栅区和所述第三电极位于所述干涉区的同一侧，且所述光通过所述光栅区这一侧发出。

24.如权利要求17所述的光学装置，其中所述光栅区和所述第三电极位于所述干涉区的同一侧，且所述光通过所述光栅区这一侧的相对侧发出。

25.如权利要求17所述的光学装置，其中，所述第三电极的至少一部分对于通过所述光栅区这一侧侧发出的光是透明的。

26.一种用于形成光发射机的方法，所述方法包括：

形成光源区；

形成干涉区、第一反射区和第二反射区，其中，所述光源区被至少部分嵌入的所述干涉区沿第一方向在两个相对端由所述第一反射区和第二反射区限定；

形成包括第一光栅结构、覆盖所述干涉区的至少一部分的光栅区，其中，所述第一光栅结构的周期性与沿第一方向的干涉光的周期基本匹配；以及

通过去除或增加所述光栅结构的至少一个区段，在所述光栅区中形成四分之一波长偏移区，

其中，由电载流子复合产生的光在所述干涉区内沿所述第一方向共振并且沿不同于所述第一方向的第二方向从所述干涉区射出。

27.如权利要求26所述的方法，其中，所述光栅区进一步包括第二光栅结构和第三光栅结构，所述第二光栅结构具有与所述第一光栅结构相同的周期性但不同的占空比，所述第三光栅结构是形成DFB型反射区的表面波纹状结构。

28.如权利要求26所述的方法，进一步包括：沿所述第一方向，在所述四分之一波长偏移区附近形成锥形区，其中，所述锥形区的周期和占空比从更接近所述四分之一波长偏移区的一侧朝远离所述四分之一波长偏移区的一侧增大或减小。

29.如权利要求26所述的方法，进一步包括：形成电耦合到所述光源区的至少三个电极，其中，所述三个电极被设置成提供对所述三个电极之间的相对电场的控制，以调制所述光源区内的电载流子浓度，并且所述电极之一是没有电载流子注入的绝缘电极。