表面耦合系统的制作方法

本文讨论的实施方式涉及表面耦合系统。

背景技术：

除非本文另有说明，否则本文描述的材料不是本申请的权利要求的现有技术，并且不因包括在本部分中而被认为是现有技术。

将来自单模边缘发射激光器的光耦合到硅(Si)光子器件是高成本的，因为其通常需要两个透镜和大的隔离器块。在包括这样的激光器和硅(Si)光子器件的系统中，对准公差可以小于0.5微米(μm)。这样的低对准公差通常需要满足主动对准。

本文要求保护的主题不限于解决任何缺点或仅在诸如上述那些的环境下操作的实现方案。相反，该背景仅被提供以说明可以实践本文描述的一些实现方案的一个示例技术领域。

技术实现要素：

提供本概要来以简化形式介绍一些概念，所述概念将在下面的详细描述中被进一步描述。本概要不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。

本文描述的一些示例实施方式通常涉及表面耦合系统。

一种系统可以包括：表面耦合边缘发射激光器，包括芯波导、在表面耦合边缘发射激光器的与芯波导相同的层中光耦合到芯波导的扇形射出区域以及形成在扇形射出区域中的第一表面光栅；以及光子集成电路(PIC)，包括光波导和形成在PIC的上层中的第二表面光栅，其中，第二表面光栅与第一表面光栅光学对准。

另一系统可以包括：表面耦合边缘发射激光器，包括第一波导和光耦合到第一波导的第一衍射光栅；以及PIC，包括第二波导和光耦合到第二波导的第二衍射光栅，其中，表面耦合边缘发射激光器的第一波导包括具有芯折射率的芯、具有顶部包层折射率的顶部包层以及作为具有底部包层折射率的底部包层的基板；其中，第一衍射光栅包括形成在第一波导的芯上的光栅齿，光栅齿均具有总高度、在第一波导的芯以上的高度、周期和占空比；以及其中，芯折射率大于第一阈值，使得第一衍射光栅的有效折射率比底部包层折射率高得足以避免衍射光模式泄漏到基板中。

又一系统可以包括：表面耦合边缘发射激光器，包括第一波导和光耦合到第一波导的第一衍射光栅；以及PIC，包括第二波导和光耦合到第二波导的第二衍射光栅，其中，表面耦合边缘发射激光器的第一波导包括具有芯折射率的芯，具有顶部包层折射率的顶部包层以及作为具有底部包层折射率的底部包层的基板；其中，第一衍射光栅包括交替的光栅齿和形成在第一波导的芯上方的顶部包层齿；以及其中，第一衍射光栅的有效折射率至少取决于芯折射率和顶部包层折射率，并且比底部包层折射率高至少6％。

本发明的另外的特征和优点将在随后的描述中阐述，并且部分地根据该描述是明显的，或者可以通过本发明的实践来学习。借助于所附权利要求中特别指出的仪器和组合，可以实现和获得本发明的特征和优点。根据以下描述和所附权利要求，本发明的这些和其它特征将变得更充分地明显，或者可以通过如下所阐述的本发明的实践来学习。

附图说明

为了进一步阐明本发明的上述和其他优点和特征，将通过参考在附图中示出的本发明的特定实施方式来呈现本发明的更具体的描述。要理解的是，这些附图仅描绘了本发明的典型实施方式，因此不应视为限制其范围。将通过使用附图来更加具体和详细地描述和解释本发明，在附图中：

图1示出了示例表面耦合系统；

图2A和2B示出了可以在表面耦合系统中实现的示例表面耦合边缘发射激光器；

图2C示出了可以在表面耦合系统中实现的另一示例表面耦合边缘发射激光器；

图3A和3B示出了另一示例表面耦合系统；

图4示出了三种不同的示例光学隔离器配置；

图5示出了针对多个光斑尺寸的根据间隙距离z的耦合效率的模拟的图形表示；

图6示出了示例表面耦合边缘发射激光器的无源部；

图7示出了另一示例表面耦合边缘发射激光器的无源部；

图8A和8B均包括通过无源部的光传播的模拟的图形表示；

图9A示出了根据无源部的衍射角的示例远场分布的图形表示；

图9B示出了衍射光的模拟的各种图形表示；

图10示出了根据具有顶部镜的无源部中的第一表面光栅的光栅周期的数量N的衍射效率损失的模拟的图形表示；

图11示出了激光器的另一无源部；

图12示出了另一示例表面耦合边缘发射激光器的侧截面图、浅脊端取向的截面图、深脊端取向的截面图以及俯视图；

图13示出了根据沿第一表面光栅长度的位置的光栅输出的电场以及根据第一表面光栅的衍射角的远场分布的各种图形表示；

图14A示出了表面耦合边缘发射激光器的侧截面图；

图14B示出了另一示例表面耦合系统；

图15示出了芯波导、扇形射出区域和第一表面光栅的俯视图；

图16示出了图15中的芯波导、扇形射出区域和第一表面光栅内的模拟光强度的图形表示；

图17示出了另一示例表面耦合系统；

图18A示出了表面耦合边缘发射激光器的另一示例；

图18B和18C示出了在各种处理步骤处的图18A的激光器；

图19A和19B包括示例Si光子通信模块的俯视图和侧视图；

图20A示出了另一示例Si光子通信模块；

图20B示出了另一示例Si光子通信模块；

图21示出了另一示例表面耦合系统；

图22示出了可以在图21的表面耦合系统中实现的示例表面耦合边缘发射激光器的各种视图；

图23示出了可以在图21的表面耦合系统中实现的另一示例表面耦合边缘发射激光器的各种视图；

图24示出了另一示例表面耦合系统；

图25A示出了示例Si PIC；

图25B示出了另一示例Si PIC；

图26示出了具有镜的PIC中的SiN LASG的侧截面图；

图27示出了另一示例表面耦合系统；

图28示出了可以在本文描述的第一表面光栅和第二表面光栅中的一者或两者或其他LASG中实现的示例聚焦表面光栅；

图29描绘了可以在本文描述的第一表面光栅和第二表面光栅中的一者或两者中实现的增加表面光栅的方向性的示例概念；

图30A示出了另一示例表面耦合系统；

图30B示出了图30A的表面耦合系统的示例实现方案；

图31示出了另一示例表面耦合系统；以及

图32示出了另一示例表面耦合系统。

具体实施方式

本文描述的一些实施方式消除了对诸如以上描述为通常需要两个透镜和大的隔离器块的那些系统中的对透镜的需求，这可以减少这样的系统中的部件数量和成本，并且显著简化这样的系统中的封装处理。隔离器可以用于这样的系统中。在这样的系统中不存在透镜可以显著减小隔离器的尺寸和成本，并且可以显著增加对准公差。例如，对准公差可以相对于必须需要在对准期间打开激光器的主动反馈对准来完成的约0.1μm增加10倍甚或50倍或更多倍而达到在无源对准拾放机中实现即无需打开激光器而实现的约1-2μm甚或5-8μm或更多。替选地或另外地，本文描述的实施方式可以实现激光器的晶片级测试。

根据一些实施方式，提供包括第一表面光栅(或第一衍射光栅或发射光栅)和第二表面光栅(或第二衍射光栅或接收光栅)的表面耦合系统，以将来自边缘发射激光器的光耦合到PIC诸如Si PIC。在一些实施方式中，第一表面光栅和第二表面光栅均可以包括小折射率对比度长表面光栅。通常，小折射率对比度长表面光栅可以包括具有小于约1-1.5的折射率对比度和大于10μm的长度的表面光栅。在其他实施方式中，第一表面光栅和第二表面光栅均可以包括具有大于约10μm的长度且具有或不具有小折射率对比度的LASG。

边缘发射激光器可以包括磷化铟(InP)激光器或其他合适的边缘发射激光器。InP激光器可以包括在扇形射出区域中延伸到第一表面光栅的输入无源波导。第一表面光栅可以被配置成针对由第一表面光栅衍射的光束而产生约8-40μm的相对大的光模式光斑尺寸。

第二表面光栅可以形成在Si PIC中。第二表面光栅可以被配置成接收由第一表面光栅衍射的光束并且将光束重定向到Si PIC的波导中。

本文描述的实施方式还包括第一衍射光栅的方面。在示例实施方式中，表面耦合系统可以包括表面耦合边缘发射激光器和PIC。表面耦合边缘发射激光器可以包括第一波导和光耦合到第一波导的第一衍射光栅。PIC可以包括第二波导和光耦合到第二波导的第二衍射光栅。表面耦合边缘发射激光器的第一波导可以包括具有芯折射率的芯、具有顶部包层折射率的顶部包层以及作为具有底部包层折射率的底部包层的基板。第一衍射光栅可以包括形成在第一波导的芯上的光栅齿，光栅齿每个均可以具有总高度、在第一波导的芯以上的高度、周期和占空比。芯折射率可以大于第一阈值，使得第一衍射光栅的有效折射率比底部包层折射率高得足以避免衍射光模式泄漏到基底中。

在一些实施方式中可以与光栅齿的光栅齿折射率相同的芯折射率可以大于或等于3.4，诸如在3.4至3.44的范围内，或者等于3.42。下面描述根据一个或更多个示例实施方式的第一衍射光栅的各种其他参数。

在另一示例实施方式中，表面耦合系统可以包括表面耦合边缘发射激光器和PIC。表面耦合边缘发射激光器可以包括第一波导和光耦合到第一波导的第一衍射光栅。PIC可以包括第二波导和光耦合到第二波导的第二衍射光栅。表面耦合边缘发射激光器的第一波导可以包括具有芯折射率的芯、具有顶部包层折射率的顶部包层以及作为具有底部包层折射率的底部包层的基板。第一衍射光栅可以包括交替的光栅齿和形成在第一波导的芯上方的顶部包层齿。第一衍射光栅的有效折射率可以至少取决于芯折射率和顶部包层折射率，并且可以比底部包层折射率高至少6％。

现在将参照附图来描述本发明的示例实施方式的各个方面。应当理解，附图是这样的示例实施方式的图解性和示意性表示，并且不是对本发明的限制，它们也不一定按比例绘制。

图1示出了根据本文描述的至少一个实施方式布置的示例表面耦合系统100。表面耦合系统100可以包括表面耦合边缘发射激光器(下文中称为“激光器”)102和Si PIC 104。在至少一个实施方式中，激光器102可以包括InP激光器。

另外，激光器102可以包括第一表面光栅106，并且Si PIC 104可以包括第二表面光栅108。第一表面光栅106可以通过芯波导而光耦合到激光器102的有源部112。芯波导可以光耦合以接收由激光器102的有源部112的增益介质(未示出)发射的光。在一些实施方式中，扇形射出区域可以设置在芯波导与第一表面光栅106之间和/或可以包括芯波导。扇形射出区域可以由与芯波导相同的介质和层形成，使得扇形射出区域通常可以是芯波导的延伸。另外，扇形射出区域可以包括光栅线，使得扇形射出区域通常可以是第一表面光栅106的延伸。

从激光器102的有源部112发射的光可以穿过芯波导行进到扇形射出区域，其中光的模式可以横向延伸(例如，通常为图1中的进出页面方向)。第一表面光栅106可以以通常向下的横向延伸模式来衍射光以作为衍射光110。衍射光110可以朝向Si PIC 104的第二表面光栅108进行衍射。衍射光110的模式可以通过第一表面光栅106在扇形射出区域内延伸到8-40μm的光斑尺寸(横向测量)，同时沿有源部112的方向延伸。这种延伸衍射光的方法的一个潜在益处可以是光斑尺寸可以远大于可以利用标准光斑尺寸转换器实现的2至4μm光斑尺寸。

衍射光110可以由第二表面光栅108接收。衍射光110可以被第二表面光栅108重定向到Si PIC 104的波导(未示出)中。波导的一个示例可以是Si波导。尽管未示出，但是可以在第一表面光栅106与第二表面光栅108之间提供光学隔离器以减少背反射。光学隔离器可以附接到Si PIC 104和/或激光器102。

在其他激光器-PIC系统中，一个潜在的问题可能是：由于这样的系统中的光斑尺寸相对小，可以使用两个透镜和大的光学隔离器块将来自激光器的光耦合到PIC的Si波导。这些其他激光器-PIC系统和其他类似系统可以具有激光器相对于PIC的0.1μm的对准公差。这些其他激光器-PIC系统和其他类似系统的另一个潜在问题是通常有源地执行对准(例如，在打开激光器的情况下执行)。

相比之下，根据本文讨论的系统和设计，激光器102与Si PIC 104之间的对准公差可以是1-2μm或更大。这样的对准公差可以允许无源地执行对准(例如，在对准期间激光器关断)。

诸如本文讨论的第一表面光栅106和第二表面光栅108的表面光栅可以包括周期性结构。周期性结构可以具有通过提供交替材料的重复周期性区域而周期性地交替的折射率。周期性区域可以称为波纹或齿。可以部分地蚀刻第一表面光栅106和第二表面光栅108的波纹或齿以改善衍射光110的方向性。

交替材料的周期性区域可以具有利用具有第一折射率的第一材料的区域和利用具有第二折射率的第二材料的另一区域。第一折射率与第二折射率之间的差异可以被称为表面光栅的折射率对比度。在光传播方向上的周期性结构的长度可以被称为表面光栅的长度。表面光栅或包括在周期性结构中的波纹的深度可以称为Kappa或K，其中，在与光传播方向正交并且与横向延伸方向正交的方向上测量深度。

形成在InP中的光栅通常用作分布式反馈反射器(DBR)以在激光器腔中形成镜。在这些应用中，光栅将从InP中的波导入射的光相对于输入平面以及与输入相同的平面而直接背向反射180度，例如背反射。光栅的折射率对比度在铟镓磷化物(InGaAsP)与InP之间，其具有取决于InGaAsP的精确成分而略微不同的折射率。作为DBR的示例，InP光栅可以具有约0.01的折射率对比度，其中，Kappa为100-200cm^-1且长度约为100μm。具有这些配置的示例InP光栅可以实现约92％的耦合效率。如果InP表面光栅以激光器的额定中心波长为中心，则InP表面光栅的带宽可以约为4纳米(nm)。然而，根据本文描述的至少一个实施方式，InP光栅可以被设计成将入射光衍射出入射平面，因此衍射光栅可以被称为表面光栅。

在至少一个实施方式中，使用具有二氧化硅(SiO2)或其他电介质顶部包层的深蚀刻InGaAsP或InP表面光栅，InP表面光栅可以具有约为2的折射率对比度，并且InP表面光栅也可以具有约50μm的长度以实现-0.5dB的低耦合损耗。耦合损耗可以是从光栅平面出来被定向成远场中的窄角的功率相对于波导输入处的总功率之比。

示例InP表面光栅的长度可以比示例Si/SiO2表面光栅的长度长，因为定义为光模式与光栅折射率分布的重叠积分的示例InP表面光栅的有效折射率对比度可以相对小于示例Si表面光栅的有效折射率对比度。在一些实施方式中，可以使用高达80nm的带宽来设计具有高耦合效率的示例InP表面光栅。

第二表面光栅108的示例可以包括Si表面光栅。示例Si表面光栅可以具有约为2的折射率对比度和10-20μm的长度。具有这些配置的示例Si表面光栅可以被设计用于通过约30nm带宽的进入约10μm的光纤模式的远场发射。可以设计示例Si表面光栅以匹配由示例InP表面光栅产生的模式分布。替选地，如本文所讨论的，Si PIC 104可以包括实现为第二表面光栅108的氮化硅(SiN)表面光栅。SiN表面光栅可以具有比Si表面光栅小的折射率对比度。因此，SiN表面光栅的模式分布可以更好地匹配示例InP表面光栅的模式分布。

具有约为2的折射率对比度和10-20μm之间的长度的示例Si表面光栅的耦合效率可以在0.8到2分贝(dB)之间。具有较小折射率对比度和/或较长长度的示例Si表面光栅可具有比0.8至2dB更好的耦合效率。在一些实施方式中，示例Si表面光栅的长度可以延伸以匹配或基本匹配示例InP表面光栅的长度。

对于诸如上文和此处所讨论的第一表面光栅106和第二表面光栅108的表面光栅，最大耦合或谐振可以在等式1中定义的谐振波长处发生：

在等式1中，λ0可以指示谐振波长，ns可以指示表面光栅的包层的折射率，θ可以是耦合角，Λ可以是表面光栅的光栅周期，并且nw可以是表面光栅的有效折射率。表面光栅的有效折射率nw可以取决于例如蚀刻的深度、芯的折射率和电介质的折射率，其中，芯和电介质构成表面光栅的周期性结构的周期性区域。对于固定的光栅周期和耦合角，耦合效率可能随波长远离谐振波长而降低，因为不再满足等式1的谐振条件。

公式2引入了根据波长的波矢量失配量：

在等式2中，Δβ是根据波长λ以及ns、nw的波矢量失配，并且Λ如关于等式2所描述。在谐振时，Δβ(λ)可以等于0。

图2A和2B示出了可以在诸如关于图1讨论的表面耦合系统100的表面耦合系统中实现的示例表面耦合边缘发射激光器(下文中称为“激光器”)202A。图2A包括激光器202A的仰视图，图2B包括激光器202A的底部立体图。图2C示出了可以在诸如关于图1讨论的表面耦合系统100的表面耦合系统中实现的另一示例表面耦合边缘发射激光器(下文中称为“激光器”)202B。激光器202A和202B中的每一个可以包括或对应于图1的激光器102。

首先参照图2A和2B，激光器202A可以包括增益介质216、第一分布式布拉格反射器(DBR)214A和第二DBR 214B。第一DBR和第二DBR 214A-B与增益介质216一起可以形成激光器腔212，使得图2A和2B的示例中的激光器202A可以包括DBR激光器。替选地或另外地，并且如图2C所示，激光器202B可以包括分布式反馈(DFB)激光器，其中，光栅220和增益介质222在激光器腔中重叠。在其他实施方式中，DFB型增益区域和一个或更多个无源DBR区域可以都存在以在可以被称为分布式反射器(DR)激光器并且可以用于高速激光器应用的配置中提供反馈。激光器202A、202B中的每一个可以包括光耦合到相应激光器腔(例如，图2A和2B中的212)的第一表面光栅206。第一表面光栅可以与关于图1讨论的第一表面光栅106相似或相同。第一表面光栅206的扇形射出区域可以包括光栅线，使得第一表面光栅206和扇形射出区域部分或完全重叠。

在图2A和2B中，第二DBR 214B的反射率可以是大约98％，第一DBR 214A的反射率可以是大约30％。在其他实施方式中，第一DBR和第二DBR 214A-B可以具有其他反射率值。

激光器202A通常可以通过第一DBR214A朝向第一表面光栅206发射光218。发射的光218可以与第一表面光栅206相互作用，以被第一表面光栅206衍射为衍射光210。

在图2C中，被实现为DFB激光器的激光器202B通常可以通过DFB激光器的朝向第一表面光栅206的前部发射光224。光224可以与第一表面光栅206相互作用以被第一表面光栅206衍射而成为衍射光226。

激光器202A和/或202B可以被由沉积在激光器202A或202B上的SiN或氧化硅(SiOx)形成的钝化层气密地密封。更详细地，可以在激光器202A或202B上沉积一层或更多层SiN和/或SiOx，以气密地密封激光器202A或202B。

图3A和3B示出了根据本文中描述的至少一个实施方式布置的另一示例表面耦合系统300。表面耦合系统300可以包括表面耦合边缘发射激光器(在下文中称为“激光器”)302和Si PIC 304。激光器302可以与上面关于图1和图2A至图2C讨论的激光器102、202A和/或202B相同或相似。Si PIC 304可以与上面关于图1讨论的Si PIC 104相同或相似。

激光器302可以包括第一表面光栅306。第一表面光栅306可以与上面关于图1和图2A至图2C讨论的第一表面光栅106和206相同或相似。Si PIC 304可以包括第二表面光栅308。第二表面光栅308可以与上面关于图1讨论的第二表面光栅108相同或相似。第一表面光栅306和第二表面光栅308可以替选地或者另外地均包括LASG。替选地或者另外地，第一表面光栅306可以被称为发射器光栅或大面积表面激光耦合器，而第二表面光栅308可以被称为接收器光栅或大面积表面Si耦合器。表面耦合系统300还可以包括设置在激光器302与Si PIC 304之间的光学隔离器320。

激光器302可以被配置成扩展从激光器302的激光器腔312发射的光的光学模式。从激光器腔312发射的光的光学模式可以被扩展至8μm至40μm的光斑尺寸，或者至20μm至40μm的光斑尺寸，或者其他相对大的光斑尺寸。因此，激光器302相对于Si PIC 304的对准公差可以是大约+/-5μm，这可以类似于其他激光器，例如多模(MM)垂直腔表面发射激光器(VCSEL)的对准公差。对于这种相对大的光斑尺寸，光学隔离器320的衍射可以忽略不计。因此，在一些实施方式中，光学隔离器320可以是大约600μm厚，包括在光学隔离器的上表面上具有输入偏振器的石榴石。更一般地，光学隔离器320可以具有从300μm至800μm范围内的物理厚度。光学隔离器320的上表面可以是耦合到激光器302的表面。

光学隔离器320可以包括在光学隔离器320的下表面上的输出偏振器。光学隔离器320的下表面可以是耦合到Si PIC 304的表面。输入偏振器和输出偏振器中的每个可以包括由CORNING以商品名POLARCOR销售的偏振器或者其他合适的偏振器。光学隔离器320的上表面区域或下表面区域可以是100μm至200μm或更小，相比之下，在其中光学隔离器位于两个透镜之间的其他激光-PIC系统中，光学隔离器的表面积至少为400μm至500μm。与其他激光-PIC系统相比，在一些实施方式中，光学隔离器320的较小表面积可以降低光学隔离器320的成本。

通过考虑来自激光器的光束的发散，可以看出本文中描述的LASG的益处，如图3B所示。参照图3B，可以根据等式3确定衍射出激光器302的光斑尺寸：

其中

在等式3中，w0是由第一表面光栅306衍射出激光器302的光斑尺寸322或束腰，w(z)是作为例如在第二表面光栅308处的距离z的函数的光斑尺寸324，n是光束通过其传播的介质的折射率，并且在等式3的右侧定义了zR。

假设激光器302的第一表面光栅306具有与Si PIC 304中的第二表面光栅308相同的尺寸，并且由激光器302输出的光束通过光学隔离器320发散，则光束的光斑尺寸将从w0322变大成为w(z)324。假设耦合角是最佳的，则w(z)324与第二表面光栅308之间的重叠可以用于确定耦合损耗。

光束通过第一表面光栅306与第二表面光栅308之间的每个部件(即光学隔离器3)的有效距离等于物理距离除以光束通过其传播的部件或其他介质的折射率。例如，厚度为40μm并且n等于1.5的光学隔离器320的偏振器可以具有40μm/1.5或者大约27μm的有效距离。

“工作距离”可以是空气中的距离，其中从激光器302(或更具体地，从激光器302的第一表面光栅306)发出的光斑发散到第二表面光栅308上的尺寸之间的耦合损耗，其导致0.5dB的损耗。在一些实施方式中，归一化至其～3.2的折射率的激光器302的InP基板的厚度可以被包括在“工作距离”计算中，因为来自第一表面光栅306的光在撞击到隔离器层叠之前通过激光器302的InP基板离开。给定光学隔离器320和激光器302的InP基板在第一表面光栅306与第二表面光栅308之间的有效距离，则可以将光斑尺寸w0 322、第一表面光栅306和第二表面光栅308设计成确保耦合损耗<0.5dB。根据本文中描述的至少一个实施方式，表面耦合边缘发射激光器的第一表面光栅与PIC的第二表面光栅之间的工作距离可以是至少100μm。

图4示出了根据本文中描述的至少一个实施方式布置的三种不同的光学隔离器配置420A至420C。光学隔离器配置420A至420C包括双级隔离器420A、单级隔离器420B和具有集成的第二偏振器420C的隔离器。

双级隔离器420A可以包括2ד体”光学偏振器424A的第一堆叠。如本文中使用的，“体”表示未与Si PIC集成的微光学部件。双级隔离器420A还可以包括法拉第旋转器(Faraday rotator)426A和2×体光学偏振器424B的第二堆叠。2×体光学偏振器424B的第二堆叠可以被设计用于大约40dB至50dB的隔离。另外，双级隔离器420A可以包括用于改变或更改光束的偏振状态的半波片428。

双级隔离器420A可以具有大约600μm(例如，600μm至800μm)的有效厚度。双级隔离器420A可以是本文中讨论的三个光学隔离器420A至420C中最厚的版本。

单级隔离器420B可以包括第一体偏振器430A、法拉第旋转器426B和第二体偏振器430B。第二体偏振器430B可以被设计用于20dB的隔离。单级隔离器420B可以被设计成省略半波片。例如，如果第二表面光栅被被设计成接收单级隔离器420B的第二体偏振器430B的偏振状态，则可以省略半波片。单级隔离器420B的有效厚度可以是大约300μm。

具有集成的第二偏振器420C的隔离器可以被设计成省略第二体偏振器，留下作为具有集成的第二偏振器420C的隔离器的分立部件的第一体偏振器430C和法拉第旋转器426C。在具有集成的第二偏振器420C的隔离器中，Si PIC上的第二表面光栅可以被设计成用于一个偏振。当省略第二体偏振器时，第二表面光栅可以用作偏振器。包括Si PIC偏振分光器(未示出)的第二集成偏振器可以用作具有10dB至20dB消光比的第二偏振器。第二集成偏振器可以位于Si PIC的光纤耦合端与连接到第二表面光栅的波导之间，该第二表面光栅耦合到激光器的第一表面光栅。

用于偏振到激光器或者从激光器偏振来的偏振器424A、430A和430C通常可以具有40dB至50dB的偏振消光比(PER)，PER被定义为期望偏振中的功率除以通过偏振器的光被拒绝的偏振中的功率的比率。这样的40dB至50dB PER的偏振器通常为200μm厚，因为该偏振器可以包括具有20dB至25dB PER的两个偏振器，这两个偏振器堆叠在一起，其间有基板。可能理想的是减小这种偏振器的厚度以减小有效工作距离。在这些和其他实施方式中，其第一表面光栅可以包括InP表面光栅的表面耦合系统的第一表面光栅可以被设计成以期望的角度有效地衍射横电波(TE)偏振的光。在这种情况下，正交偏振光、横磁波TM不能有效地耦合，并且第一表面光栅可以用作消光比为10dB至20dB的偏振器。在这样的实施方式中，偏振器424A、430A和430C可以选择为更薄(例如，薄于200μm)并且具有20dB至25dB的更小的偏振消光比，其与第一表面光栅的PER一起可以提供类似的总体40dB至50dB PER，以缩短工作距离并降低成本。在一些应用中，当20dB PER足够时，可以消除偏振器424A、430A和430C，并且第一表面光栅可以在隔离器堆叠中用作20dB PER，为激光器提供20dB的隔离。

在2015年11月11日提交的美国申请第14/938815号(在下文中称为“815申请”)中描述了示例Si PIC偏振分光器，该申请通过引用合并到本文中。用集成在第二表面光栅中的偏振器代替第二体偏振器的优点可以是第一表面光栅与第二表面光栅之间的有效厚度的相对减小，这可以允许使用从激光器的第一表面光栅朝向Si PIC的第二表面光栅发出的相对较小的光斑尺寸。

图5示出了根据本文中描述的至少一个实施方式布置的作为多个光斑尺寸的间隙距离z(以μm为单位)的函数的耦合效率(以dB为单位)的模拟的图形表示571。曲线573、575和577分别表示10μm、14μm和18μm的光斑尺寸的耦合效率。图5的模拟仅考虑了当光斑耦合到Si PIC中的第二表面光栅例如接收器光栅时由于光斑的衍射引起的耦合效率。由于从Si PIC中的接收器光栅到Si PIC中的Si或者SiN波导的耦合效率有限，可能存在额外的耦合损耗。

对于与10μm的光斑尺寸对应的曲线573，可以在大约160μm的间隙距离(或者有效厚度)下实现大约-0.5dB的耦合效率。该间隙距离可以对应于具有集成的第二偏振器的隔离器——例如关于图4讨论的具有集成的第二偏振器420C的隔离器——的有效厚度。对于与14μm的光斑尺寸对应的曲线575，可以在大约300μm的间隙距离(或者有效厚度)下实现大约-0.4dB耦合效率。该间隙距离可以对应于单级隔离器——例如关于图4讨论的单级隔离器420B——的有效厚度。对于与18μm的光斑尺寸对应的曲线577，可以在大约600μm的间隙距离(或者有效厚度)下实现大约-0.6dB的耦合效率。该间隙距离可以对应与双级隔离器——例如关于图4讨论的双级隔离器420A——的有效厚度。

图22示出了根据本文中描述的至少一个实施方式布置的示例表面耦合边缘发射激光器(在下文中称为“激光器”)的无源部632。包括图6的无源部632的激光器可以在本文中讨论的一个或更多个表面耦合系统中实现。无源部632可以包括光耦合到第一表面光栅606的芯波导642，第一表面光栅606可以对应于或者包括本文中其他地方讨论的第一表面光栅。无源部632还可以包括：在芯波导642和第一表面光栅606下方的基板634；在芯波导642和第一表面光栅606上方的电介质636；以及在电介质636上方的顶部镜638。基板634可以用作芯波导642的包层。在至少一个实施方式中，芯波导642可以包括InGaAsP波导。激光器的一些实施方式可以包括顶部镜例如顶部镜638，而其他实施方式可以省略顶部镜。

第一表面光栅606可以包括形成在芯波导642与电介质636之间的界面处的周期性结构640。周期性结构640可以包括波纹区域，该波纹区域包括与电介质区域636的区域交替的芯波导642的区域。芯波导642的区域可以具有与电介质636的区域的折射率不同的折射率。周期性区域可以被称为波纹或者齿。周期性结构640可以在光传播方向上(例如，从左到右)横向地(例如，进出页面)扩展，例如以扇形射出区域的形式。

电介质636可以包括SiO2或SiNx或者其他合适的电介质钝化材料。顶部镜638可以包括金、电介质堆叠(例如，HR涂层)或者其他合适的材料和/或镜。基板634可以包括InP或者其他合适的包层材料。

虽然图6中未示出，但是包括无源部632的激光器可以另外包括有源部，该有源部包括增益介质以及共同形成光耦合到芯波导的激光器腔一个或更多个DBR镜或DFB反射器。

无源部632可以被配置成使由第一表面光栅606衍射向下通过基板634的一部分光最大化。另外，无源部632可以被配置成使由第一表面光栅606衍射通过激光器的基板并且射出到位于激光器下方的Si PIC的第二表面光栅的一部分光最大化。通过第一表面光栅606的光束的一部分可以从基板634朝向无源部632的外延生长的上表面衍射掉，从而降低朝向基板634并且进入Si PIC的方向上的耦合效率。这样，顶部镜638可以被沉积在电介质636上，以将向上衍射的光束重定向为向下通过包层634并且进入Si PIC。为了确保使重定向的光与从第一表面光栅606朝向包层634衍射的光的相位相加，电介质636的厚度可以满足等式4：

d＝m(λcos(θ))/2n电介质 等式4

在等式4中，m是整数，n是电介质636的折射率，θ是法线与向上衍射的光的传播方向之间的角度，λ是光束的波长。

图8A是根据本文中描述的至少一个实施方式布置的通过无源部的光传播的模拟的图形表示879。图8A的无源部可以类似于关于图6讨论的无源部632，但是没有顶部镜(例如，顶部镜638)。无源部也可以具有短的长度(例如，小于30μm的长度)。无源部可以包括光栅周期为462.2nm的第一表面光栅。另外，第一表面光栅可以具有60个周期，并且长度为27.7μm(60个周期×0.462μm＝27.7μm)。如在图8A的图形表示879中可以看到，由于没有顶部镜，因此很大一部分光(例如，图8A的示例中的8.3％)可能从无源部丢失。

图8B是根据本文中描述的至少一个实施方式布置的通过无源部的光传播的模拟的图形表示881。图8B的无源部可以类似于关于图6讨论的无源部632，并且可以包括顶部镜例如上面关于图6讨论的顶部镜638。无源部也可以具有短的长度(例如，小于30μm的长度)。无源部可以包括光栅周期为462.2nm的第一表面光栅。另外，第一表面光栅可以具有60个周期，并且长度为27.7μm(60个周期×0.462μm＝27.7μm)。如在图8B的图形表示881中可以看到，可以使用与图8A相比相对较大部分的光，其中光从镜向下反射回来。

从图8A和图8B的模拟的比较可以看出，将顶部镜包括在无源部中可以显著改进向下方向上的耦合效率。

图7示出了根据本文中描述的至少一个实施方式布置的另一示例表面耦合边缘发射激光器(在下文中称为“激光器”)的无源部732。包括无源部732的激光器可以在本文中讨论的一个或更多个表面耦合系统中实现。无源部732可以包括光耦合到第一衍射光栅706的波导芯742。第一衍射光栅706可以对应于本文中讨论的其他第一衍射光栅和/或第一表面光栅。无源部732还可以包括：作为在波导芯742和第一表面光栅706下方的底部包层的基板734；以及在波导芯742和第一表面光栅706上方的顶部包层736。顶部包层736、波导芯742和底部包层734可以一起形成波导744。在本示例中，光束可以沿右到左的方向传播通过波导744。光束可以在波导744中行进，直到光束被第一衍射光栅706在底部包层734的方向上衍射为止。衍射光束中的一些或全部可以传播通过底部包层734并且从底部包层734射出。

在一些实施方式中，底部包层734可以包括底部包层折射率为大约3.2的InP。替选地或者另外地，顶部包层736可以包括顶部包层折射率为大约1.46的诸如SiO 2的电介质，或者更通常地，包括顶部包层折射率在1至2的范围内的电介质。替选地或者另外地，波导芯742可以包括芯折射率高于底部包层折射率以引导光学模式的InGaAsP(有时被称为InxGa1-xAsyP1-y以表示In、Ga、As和P的比率)。改变成分InxGa1-xAsyP1-y中的变量x和y会改变材料的带隙，从而改变折射率和损耗。

波导芯742的宽范围的折射率可以导致波导744中的引导模式。然而，为了实现传播到远场中并且可以到达Si PIC中的接收器光栅的光的高衍射效率，波导芯742的合适折射率可能更受限制。更详细地，由于第一衍射光栅706可以包括可以具有第一折射率的InGaAsP的重复周期性区域和具有第二折射率的SiO2的周期性区域——其中第一折射率高于第二折射率，因此第一衍射光栅706的最终有效折射率可以相对于波导芯742减小。结果，如果第一衍射光栅706的有效折射率变得类似于或者小于底部包层734的折射率(例如，InP基板的折射率)，则从第一衍射光栅706衍射的光束可能会泄漏到基板模式中并且可能不会在期望的方向上衍射到远场中并且从底部包层734(例如，InP基板)中射出以到达有一些工作距离的Si PIC中的接收器光栅。

图9A示出了根据本文中描述的至少一个实施方式布置的作为例如以上关于图7讨论的无源部732的无源部的衍射角的函数的远场分布的示例的图形表示983，该无源部可以具有3.38的芯折射率。如图9A所示，大部分光可以被引导到泄漏模式985中进入基板并且不能衍射到远场中。无源部可以具有减小的耦合效率，以用于将来自激光器的光耦合到Si PIC，并且对于许多工业用途而言可能是不实际的。

根据本文中描述的至少一个实施方式，芯折射率可以比底部包层折射率高至少6％以提供良好的效率，使得所得到的第一衍射光栅的有效折射率比底部包层折射率(例如，InP基板)高得足以避免泄漏到基板中。

替选地或者另外地，具有3.40或者更高折射率的用于波导芯的InGaAsP的成分通常可以避免(或者至少与图9A的模拟983相比减小)泄漏到基板中。然而，随着折射率增大，可能导致材料吸收引起的损耗，因此可以进行折衷，例如平衡基板泄漏和损耗。

图9B示出了根据本文中描述的至少一个实施方式布置的衍射光的模拟的各种图形表示。曲线图987表示作为第一衍射光栅例如图7的第一衍射光栅706的波导芯折射率的函数的衍射能力(diffracted power)的模拟。曲线989表示作为第一衍射光栅的波导芯折射率的函数的总向下衍射能力。曲线989说明有用的衍射光(例如，从基板实际辐射到远场中的光)以及泄漏到基板中但没有离开基板的光。曲线991表示作为第一衍射光栅的波导芯折射率的函数的远场向下衍射能力。曲线991可以仅包括从基板实际辐射到远场中的有用衍射光。

曲线图993和曲线图995包括作为两个不同波导芯折射率的衍射角的函数的远场分布。在曲线图993中表示的模拟中，波导芯可以具有3.38的折射率，并且如在997处所示的较高衍射角(例如，大约70度以上的角度)处，大部分光可能由于泄漏而丢失。如999处所示，曲线图993中的模拟包括其中光可能在大约-40度衍射角下丢失的二阶辐射模式。如901处所示，曲线图993中的模拟包括在大约10度的衍射角处的一阶辐射模式。在曲线图993中表示的模拟中，总能力的仅大约20％可以是可用的并且被包括在一阶辐射模式中。相比之下，在曲线图995中表示的模拟中，波导芯折射率可以是3.42，并且在大约-17度的衍射角处存在903处所示的单个辐射模式。

可以通过改变构成波导芯的InxGa1-xAsyP1-y材料成分(或者其他材料成分)中的x和/或y的值来调节InGaAsP芯材料的波导芯折射率。改变x和/或y的值会改变InxGa1-xAsyP1-y的带隙，这进而改变其折射率。随着折射率随带隙的变化而增大，衍射效率由于材料吸收而降低。因此，即使3.5的折射率也可能具有比3.42的折射率更高的远场向下衍射能力，3.5的折射率与3.42的折射率相比可能具有与其相关联的太多的材料吸收损耗，导致整体较低衍射效率。在一个实施方式中，波导芯432的在3.4与3.44之间的范围折射率可以在一些实施方式中在远场向下衍射能力与衍射效率之间取得适当的平衡。在其他实施方式中，取决于具体实现方式，波导芯的折射率可以小于3.4或大于3.44。

图10示出了根据本文中描述的至少一个实施方式布置的作为具有顶部镜的无源部例如图6的无源部632中的第一表面光栅的光栅周期的数目N的函数的衍射效率损失的模拟的图形表示1005。在图10的模拟中，0dB的衍射效率损失可以等于完全(即百分之百)向下衍射。如在图10的图形表示1005中可以看到的，随着光栅周期的数目N的增大，衍射效率增大。

图11示出了根据本文中描述的至少一个实施方式布置的激光器的另一无源部1132。包括图11的无源部1132的激光器可以在本文中讨论的一个或更多个表面耦合系统中被实现。无源部1132可以包括由SiO2、SiNx或者其他合适的包层材料制成的顶部包层1136、波导芯1142和第一表面光栅1106。第一表面光栅1106可以包括光栅齿(即，具有不同折射率的交替材料)。第一表面光栅1106和波导芯1142可以由InGaAsP制成。另外，无源部1132可以包括由InP基板制成的底部包层1134。在至少一个实施方式中，波导芯1142可以具有高于底部包层1134大约350nm的高度，例如300nm至380nm、325nm至375nm或者350nm。替选地或者另外地，第一表面光栅1106的光栅齿可以具有从波导芯1142的底部到第一表面光栅1106的光栅齿的顶部测量的大约650nm的总高度，例如550nm至700nm、600nm至680nm、650nm至680nm或者673.9nm。替选地或者另外地，第一表面光栅1106的光栅齿可以具有从波导芯1142的顶部到第一表面光栅1106的光栅齿的顶部测量的高于波导芯1142的大约300nm的高度，例如250nm至350nm、310nm至330nm或者323.9nm。

如图11中所示，第一表面光栅1106的光栅齿与顶部包层1136的包层齿交替，因此可以具有光栅周期和/或占空比。光栅周期可以是525.6nm，这意味着在每个光栅齿的前部与后续光栅齿的前部之间可以存在525.6nm的距离。更一般地，光栅周期可以在500nm至600nm的范围内。在示例实施方式中，第一表面光栅1106可以包括120个光栅周期。第一表面光栅1106的占空比可以是0.397，这意味着每个光栅齿可以跨越每个光栅周期的39.7％，其中相应的顶部包层齿占据每个光栅周期的剩余部分。更一般地，占空比可以在0.3至0.5的范围内。在示例实施方式中，本文中描述的第一表面光栅1106或者其他第一表面光栅可以包括以下参数中的一个或更多个：120个光栅周期、光栅周期为525.6nm、占空比为0.397、总光栅齿高度为673.9nm、向下辐射效率(DRE)为-0.454dB、辐射衍射角θrad为-14.24度、通过第一表面光栅的透射率大约为3.42％以及反射能力为大约-53.6dB。这里，DRE是向外辐射到远场的光的有用部分，并且被定义为以关于辐射衍射角θrad的小角度窗口从衍射光栅朝向基板向外辐射的能力部分。

图13示出了根据本文中描述的至少一个实施方式布置的作为沿第一表面光栅的长度的位置的函数的光栅输出的电场的幅度以及作为第一表面光栅的衍射角的函数的远场曲线的各种图形表示。图13包括用于第一表面光栅的模拟，例如图7的第一表面光栅706或者图11的第一表面光栅1106。更详细地，曲线图1307示出了作为沿着第一表面光栅的长度的位置的函数的光栅输出的电场的幅度。曲线图1309示出了作为第一表面光栅的衍射角的函数的远场曲线。

鉴于至少图7、图9A、图9B、图11和相关描述，本申请认识到本文中讨论的各种参数并且将这些参数与可以被包括在本文中描述的一个或更多个表面耦合系统的激光器中的第一表面光栅的特定设计相关联。本文中描述的实施方式可以包括这些参数中的一个或更多个，这将结合上面的图11被讨论。尽管上面讨论的一些参数特定于基于InP的第一表面光栅，但是以下参数中的一个或更多个可以应用于其他材料成分的第一表面光栅。

首先，光栅齿的总高度可以大于波导芯的高度。通过向下蚀刻到波导芯中以形成光栅齿来形成一些衍射光栅，使得在不包括光栅齿的区域中波导芯的高度等于或大于光栅齿的总高度。相比之下，根据本文中公开的一些实施方式，在不包括光栅齿的区域中的波导芯的高度小于光栅齿的总高度。

其次，光栅齿的折射率(例如，从波导芯向上延伸的光栅齿的折射率)可以大于或等于芯折射率(例如，波导芯的折射率)。用与波导芯相同的材料成分来制造光栅齿可能更容易，在这种情况下，光栅齿折射率可以与芯折射率相同。在其他实施方式中，如果光栅齿折射率大于或等于芯折射率，则光栅齿可以用与波导芯不同的材料成分来制造。

第三，第一衍射光栅的有效折射率可以充分高于底部包层折射率(例如，底部包层/基板的折射率)，以避免将衍射光学模式泄漏到基板中。例如，第一衍射光栅的有效折射率——其至少取决于芯折射率和顶部包层折射率(例如，顶部包层的折射率)——可以比底部包层折射率至少高6％。

图12示出了根据本文中描述的至少一个实施方式布置的另一示例表面耦合边缘发射激光器(在下文中称为“激光器”)1202的侧截面图1202A、浅脊端取向的截面图1202B、深脊端取向的截面图1202C以及俯视图1202D。激光器1202可以在本文中描述的一个或更多个表面耦合系统中被实现。

激光器1202可以包括具有有源部脊结构1268A的有源部1244和具有无源部脊结构1268B的无源部1246。在侧面剖视图1202A中，从底部到顶部，有源部1244可以包括：被实现为n掺杂基板的基板1248、InP包层1250、被实现为多量子阱(MQW)和芯引导的可以形成DFB激光器的增益层1252、p-InP层1254、InGaAs或其他接触层1256以及金接触1258。有源部1244内的增益层1252可以包括夹在上波导层与下波导层之间的MQW，其中衍射光栅1260被形成在上波导层上。

在侧面剖视图中，从底部到顶部，无源部1246可以包括：基板1248、InP包层1250、芯波导材料层1264、第一表面光栅1206以及顶部镜1266或其他HR涂层。芯波导材料层1264包括与增益层1252首尾相连的芯波导1268、与芯波导1268首尾相连的扇形射出区域1276(见俯视图1202D)以及在芯波导材料层1264与顶部镜1266之间的界面处形成的第一表面光栅1206。在一些实施方式中，第一表面光栅1206可以与扇形射出区域1276首尾相连。在一些实施方式中，第一表面光栅1206可以与扇形射出区域1276部分重叠。在一些实施方式中，第一表面光栅1206可以与扇形射出区域1276完全重叠。顶部镜1266可以包括交替折射率的多个介电层、金顶部镜或者其他合适的顶部镜或HR涂层。

激光器1202的有源部脊结构1268A可以延伸通过有源部1244。无源部脊结构1268B可以延伸通过无源部1246。在一些实施方式中，有源部脊结构1268A和无源部脊结构1268B可以均具有2μm的宽度。如在端部取向的两个剖视图1202B至1202C中所示，有源部脊结构1268A和无源部脊结构1268B可以具有不同的脊高度。在一些实施方式中，有源部脊结构1268A可以是具有比可以是深脊的无源部脊结构1268B更短的脊高度的浅脊。有源部脊结构1268A可以向下延伸到高于激光器1202的增益层1252或另一个层的深度的深度。无源部脊结构1268B可以向下延伸到低于激光器1202的增益层1252或另一个层的深度的深度。

无源部脊结构1268B的相对较大的脊高度可以增大模式限制。增大的模式限制可以增大第一表面光栅1206对输出光的衍射，并且在横向方向上提供大面积模式。如上所述，扇形射出区域1276和/或第一表面光栅1206可以旨在将模式扩展到8μm至40μm或者20μm至40μm。通过将第一表面光栅1206形成为z方向上的弱(例如，小折射率对比)的长光栅，可以实现将模式扩展到8μm至40μm或者20μm至40μm，其中z方向是光的传播方向。借助于无源部脊结构1268B在x和y上的强大约束可以增大衍射并在x方向上扩展模式。x方向指的是横向方向(例如，与z正交并且在图1202B至1202C中从左到右)，y方向指的是竖直方向(例如，与x和z正交)。

因此，如关于图12所述，表面耦合边缘发射激光器可以被实现为脊形波导激光器。在其他实施方式中，如本文中描述的表面耦合边缘发射激光器可以被实现为掩埋异质结构(BH)激光器。无论是被实现为脊形波导激光器还是BH激光器，本文中描述的表面耦合边缘发射激光器的一些实施方式可以包括第一表面光栅，该第一表面光栅被“栓”到表面耦合边缘发射激光器上以耦合由表面耦合边缘发射激光器产生的通过表面耦合边缘发射激光器的上表面或下表面的光。

图14A示出了根据本文中描述的至少一个实施方式布置的表面耦合边缘发射激光器(在下文中称为“激光器”)1402的侧截面图。激光器1402可以包括或者对应于本文中描述的其他激光器。

更详细地，可以在晶片中形成多个激光器例如图14A的激光器1402，并且在所有激光器中形成高反射率分段镜可以是在晶片被切割并单片化以暴露形成激光器腔的侧面之后的晶片制造中的最后材料添加步骤之一。在将顶部镜添加到晶片中的激光器1402和其他激光器之前，和/或在完全省略顶部镜的实施方式中，检测器1470可以被定位在激光器1402的第一表面光栅1406的上方。由于第一表面光栅1406既可以将光向下衍射通过基板又可以向上衍射，因此检测器1470可以被定位在第一表面光栅1406的上方，以测量由激光器1402发射的光束的一个或更多个参数，其中一部分光束由第一表面光栅1406向上衍射到检测器1470。

诸如检测器1470的单个检测器或者多个这样的检测器可以用于测量由晶片中的多个激光器发射的光束的参数。可以同时测量晶片中的所有激光器，一次测量一个，以两个或更多个的组的方式测量，或者以其他方式测量。在从晶片中切割了激光芯片并单片化之后，可以在激光器上形成高反射率分段镜，以暴露形成激光器腔的小平面。

图14B示出了根据本文中描述的至少一个实施方式布置的另一示例表面耦合系统1400。表面耦合系统1400包括图14A的激光器1402和顶部镜。表面耦合系统1400还可以包括Si PIC 1404和光学隔离器1420。Si PIC 1404和光学隔离器1420中的每一个可以分别包括或者对应于本文中描述的其他PIC或光学隔离器。

在图14B的示例中，激光器1402可以是直接调制激光器(DML)，并且可以被称为“DML激光器1402”。具体地，可以调制供应给激光器1402的电压或电流，以调制由激光器1402发射的光束的强度。由此可以将数据编码到光束中。在图8B的示例中，DML激光器1402可以是p侧向下，结合到具有适当的散热器的诸如陶瓷或硅的高速基板1488。在至少一个实施方式中，高速驱动器1472和/或时钟和数据恢复(CDR)1474芯片可以被安装在高速基板1448上。本文中讨论的实施方式的一个潜在益处可以是表面耦合系统1400的一些或全部部件可以被安装到高速基板1448而不需要高准确度，因为对准公差可以为低。在不需要高准确度的情况下，根据本文中讨论的实施方式的部件的安装可以允许以低成本进行大批量组装。例如，DML激光器1402和/或类似的DML激光器可以在被组装到Si PIC或其他封装上之前被烧制到子底座上。

图15示出了根据本文中描述的至少一个实施方式布置的芯波导1512、扇形射出区域1576和第一表面光栅1506的俯视图。芯波导1512、扇形射出区域1576和第一表面光栅1506可以被包括在本文中描述的一个或更多个表面耦合边缘发射激光器中。因此，芯波导1512、扇形射出区域1576和第一表面光栅1506中的每一个可以分别包括或者对应于本文中描述的其他芯波导、扇形射出区域或第一表面光栅。扇形射出区域1576可以光耦合到芯波导1532和第一表面光栅1506。尽管未示出，但是扇形射出区域1576和第一表面光栅1506中的一者或两者可以包括与本文中讨论的光栅齿对应的光栅线。在示例中，扇形射出区域1576可以具有大约30μm的长度R以及在其最宽点14.48μm处的宽度Y.

图16示出了根据本文中描述的至少一个实施方式布置的图15的芯波导1532、扇形射出区域1576和第一表面光栅1506内的模拟光强度的图形表示1611。

根据一些实施方式，诸如本文中描述的第一表面光栅中的任何一个的第一表面光栅可以产生8μm至40μm的光斑尺寸或者甚至20μm至40μm的光斑尺寸。可以通过衍射确定来自第一表面光栅的光斑在x方向上的尺寸。可以根据等式5近似地确定在距离R处在x方向上模式的衍射角和大小：

在等式5中，n可以是包括第一表面光栅的激光器的扇形射出区域的有效折射率。在等式5中，w0可以是1/e²高斯模场半径，并且λ可以是光的波长。

对于浅脊，1/e²高斯模场半径可以大约为1μm。激光的扇形射出区域的有效折射率可以是3.5，并且光的波长可以是1310nm。在该实施方式中，衍射角θ可以是大约6.8度。例如，为了获得40μm的光斑尺寸，扇形射出半径可以是大约335μm。

对于诸如图12的无源部脊结构1268B的深脊，1/e²高斯模场半径可以是大约0.5μm。激光的扇形射出区域的有效折射率可以是3.5，并且光的波长可以是1310nm。在该实施方式中，衍射角可以是大约13.6度。为了获得40μm的光斑尺寸，扇形射出半径可以是大约167μm。

图17示出了根据本文中描述的至少一个实施方式布置的另一示例表面耦合系统1700。表面耦合系统1700可以包括可以包含或对应于本文中描述的其他激光器的表面耦合边缘发射激光器(下文中的“激光器”)1702。在示例实施方式中，激光器1702可以与图14A和图14B的激光器1402类似或相同。表面耦合系统1700可以包括可以包含或对应于本文中描述的其他PIC的Si PIC 1704。表面耦合系统1700可以包括可以包含或对应于本文中描述的其他光学隔离器的光学隔离器1720。

在表面耦合系统1700中，激光器1702的p侧(在图17中标记为“p-InP”)的相对较高的电阻可以导致在激光器1702的p侧上生成更多的热量。因此，散热器1778可以被耦合至激光器1702的p侧以提供更好的散热。激光器1702的n掺杂基板1748可以减薄至几百μm，以增加激光器1702和Si PIC 1704的工作距离并且减小所需的光斑尺寸。替选地或另外地，InP基板可以是半绝缘的。

图18A示出了根据本文中描述的至少一个实施方式布置的表面耦合边缘发射激光器(下文中的“激光器”)1802的另一示例。激光器1802可以包括或对应于本文中描述的一个或更多个其他激光器。激光器1802可以被配置成从激光器1802的外延侧或顶侧发射光而不是从激光器的底侧发射光的其他激光器。激光器1802可以包括基板1834和n侧光栅1882，n侧光栅1882可以用于在激光器1802的DFB激光器部1813内提供分布式反馈。DFB激光器部1813包括有源增益材料波导1816。n侧光栅1882还被配置成位于激光器1802的无源波导部1846下方并且是本文中其他地方描述的第一表面光栅/透射光栅的示例。无源波导部1846包括无源芯波导材料1864并且与DFB激光器部1813邻近。位于无源芯波导1864下方的n侧光栅1882被设计成使得激光器1802的无源波导部1846将实现表面辐射发射。此外，激光器1802可以包括在形成于基板1834中的窗口1888内的无源芯波导1864下方的n侧光栅1882下方的HR涂层1890。

激光器1802的无源波导部1846中的n侧光栅1882的部分可以向上和向下两者衍射光。可以将向上衍射的光输出至期望的部件，例如上面关于图14讨论的检测器1470。HR涂层1890可以类似于上面关于图6描述的顶部镜638起作用。具体地，HR涂层1890可以反射向下衍射的光使得向下衍射的并且然后反射的光与向上衍射的光合并并且被输出至期望的部件。为了确保与从第一表面光栅1806向上衍射的光同相地接收反射的光，如上所述，第一表面光栅1806的底部与HR涂层1890之间的厚度可以满足式4。

图18B和图18C示出了类似于图18A中所示的激光器1802的激光器1802的替选实施方式，但是其中用于DFB激光器部1848的光栅1884和用于无源激光器部1846的光栅1806被替代地形成在相应的有源波导1816(或增益部)和无源波导1864的顶侧。光栅1806是本文中其他地方描述的第一表面光栅或透射光栅的示例。如图18B中所示的激光器1802是与图18C中相同的激光器1802，但是处于其制造过程的早期阶段。

激光器1802包括具有实现为DFB光栅的光栅1884的有源部1848并且可以形成在激光器1802的增益部分1816上方。增益部分1816可以形成在位于基板1834上的公共蚀刻停止层1886上方。公共蚀刻停止层1886对于激光器的有源部1844和无源部1846两者可以是共用的。无源部1846可以包括形成为p侧光栅的第一表面光栅1806。第一表面光栅1806可以形成在可以形成在公共蚀刻停止层1886上方的无源芯波导材料层1864上方。

如图18C中所示，一个或更多个层可以形成在增益部分1816上方，例如p-InP层1854和p接触1861层。此外，在无源部1846内，窗口1888可以被蚀刻在基板1834中。窗口1888可以形成在位于无源激光器部1846中的表面光栅1806下方并且直到公共蚀刻停止层1886的底表面。可以将HR涂层1890施加到表面光栅1806下方的窗口1888中的公共蚀刻停止层1886以形成底部镜。

来自图18B和图18C的激光器1802的DFB部分1848的光将进入表面光栅1806可以向上和向下两者衍射光的无源部1846。可以将向上衍射的光输出至期望的部件，例如上面关于图14讨论的检测器1470。HR涂层1890可以类似于上面关于图6描述的顶部镜638起作用。具体地，HR涂层1890可以向上反射光使得向下衍射的并且然后反射的光与向上衍射的光合并并且被输出至期望的部件。为了确保与从第一表面光栅1806向上衍射的光同相地接收反射的光，如上所述，第一表面光栅1806的底部与HR涂层1890之间的厚度可以满足式4。

高折射率对比表面光栅(半导体至空气或半导体至电介质)(例如，本文中所述的第一表面光栅/透射光栅)可以在n侧比在p侧上更难实现，但是低折射率对比表面光栅(半导体至半导体)可以在激光器的n侧或p侧上同样容易地完成。在本文中所述的一些实施方式中，形成在图18B和图18C的激光器1802中的表面光栅1806可以包括高折射率对比表面光栅，在该情况下可以更容易在p侧上形成表面光栅1806。

图19A和图19B包括根据本文中描述的至少一个实施方式布置的示例Si光子通信模块(下文中的“模块”)1992的俯视图和侧视图。模块1992可以包括多个发送信道1994和多个接收信道1996。

模块1992可以包括多个表面耦合边缘发射激光器(下文中的“激光器”)1902A-D，每个激光器可以与本文中所述的一个或更多个表面耦合边缘发射激光器类似或相同。模块1992还可以包括实现为光集成电路(OIC)的Si PIC 1904、电气集成电路(EIC)1998、玻璃插头1901A上的第一聚合物以及玻璃插头1901B上的第二聚合物。

四个激光器1902A-D中的每个可以被配置成分别以波长λ1、λ2、λ3或λ4中的不同波长发射光束。例如，激光器1902A可以被配置成以波长λ1发射光束，激光器1902B可以被配置成以波长λ2发射光束，激光器1902D可以被配置成以波长λ3发射光束，并且激光器1902D可以被配置成以波长λ4发射光束。在其他实施方式中，可以在模块1992中实现在不同波长上的不同数目的激光器。

激光器1902A-D和OIC 1904可以形成与本文中所述的其他表面耦合系统类似或相同的表面耦合系统1900。更详细地，激光器1902A-D中的每个可以具有第一表面光栅1906A-D，例如本文中所述的其他第一表面光栅。OIC 1904可以包括多个第二表面光栅1908A-D(例如，每个激光器1902A-D一个)，例如本文中所述的其他第二表面光栅。光学隔离器1920可以被定位在激光器1902A-D的第一表面光栅1906A-D与OIC 1904的第二表面光栅1908A-D之间。因此，由激光器1902A-D发射的光束可以由第一表面光栅1906A-D向下重定向通过光学隔离器1920至第二表面光栅1908A-D，并且由第二表面光栅1908A-D重定向到OIC 1904的一个或更多个Si或SiN波导1905A-D中。

因此，通常，由激光器1902A-D发射的光束中的每个可以被引导到OIC 1904中。在一些示例中，Si或SiN波导1905A-D中的每个可以被耦合至马赫-曾德耳(Mach-Zehnder)(MZ)干涉仪。包括在EIC 1998中的一个或更多个驱动器、电迹线和/或电极可以与OIC 1904的MZ干涉仪协作以形成一个或更多个MZ调制器1907A-D。可以根据任何合适的MZ调制技术通过MZ调制器1907A-D将数据调制到每个光束上。在其他实施方式中，可以省略MZ调制器1907A-D或其他外部调制器并且激光器1902A-D中的每个可以包括直接调制的激光器使得激光器1902A-D中的每个可以将光信号而不是未调制的光束发射到OIC 1904中。

可以在将光信号复用到公共波导1911上作为复用信号的复用器(下文中的“复用器”)1909处接收光信号。在至少一个实施方式中，复用器1909可以是SiN复用器并且公共波导1911可以是SiN波导。可以通过玻璃插头1901A上的第一聚合物将复用信号绝热地耦合到发射光纤1913A中。

替选地或另外地，另一复用信号可以在玻璃插头1901B上的第二聚合物处从接收光纤1913B接收并且通过玻璃插头1901B上的第二聚合物被绝热地耦合到另一公共波导1919中。Si PIC偏振分离器1915或其他合适的偏振分离器可以根据偏振分离复用信号并且可以通过第一臂1917A引导复用信号的TE偏振模式并且通过第二臂1917B引导复用信号的TM偏振模式。复用信号的TE和TM偏振模式中的每个可以由对应的解复用器(下文中的“解复用器”)1921A-B解复用以在每个偏振模式下生成多个接收光信号。替选地或另外地，可以在到达解复用器1921A之前将TM偏振模式转换成TE偏振。在至少一个实施方式中，每个解复用器1921A-B可以包括SiN解复用器。

可以由对应的光接收器1913A-H接收每个接收光信号。在至少一个实施方式中，每个光接收器1913A-H可以包括锗(Ge)正-本征-负(pin)光电二极管(下文中的“Ge pin”)。每个光接收器1913A-H可以生成表示对应的接收光信号的电信号。对应的电信号可以被引导到EIC 1998中。EIC 1998可以包括多个电信号加法器1935A-B，为简单起见图19A中仅示出其中一个，其他电信号加法器在1935B处用椭圆表示。每个电信号加法器1935A-B可以将表示来自第一臂1917A的光接收信号的电信号与表示来自第二臂1917B的对应光接收信号的电信号相加以生成表示来自在Si PIC偏振分离器1915处接收到的复用信号的对应波长信道的输出电信号。

图20A示出了根据本文中描述的至少一个实施方式布置的另一示例Si光子通信模块(下文中的“模块”)2092。模块2092可以包括表面耦合边缘发射激光器(下文中的“激光器”)2002。在至少一个实施方式中，激光器2002可以被实现为DML。模块2092还可以包括Si PIC 2004、第一玻璃波导插头2001A、第二玻璃波导插头2001B、光接收器2015以及跨阻放大器(TIA)/时钟和可选的数据恢复(CDR)集成电路(IC)2031。第一玻璃波导插头2001A和第二玻璃波导插头2001B是如‘815申请中描述的内插器的示例。第一玻璃波导插头2001A和第二玻璃波导插头2001B可以各自包括玻璃。在其他实施方式中，聚合物波导插头可以被实现为模块2092中的内插器。

激光器2002和Si PIC 2004可以形成与本文中所述的其他表面耦合系统类似或相同的表面耦合系统。更详细地，激光器2002可以包括与本文中所述的其他第一表面光栅类似或相同的第一表面光栅2006并且Si PIC 2004可以包括与本文中所述的其他第二表面光栅类似或相同的第二表面光栅2008。光学隔离器2020可以被定位在第一表面光栅2006与第二表面光栅2008之间。因此，由激光器2002发射的光信号可以由第一表面光栅2006重定向通过光学隔离器2020至第二表面光栅2008，并且由第二表面光栅2008重定向到Si PIC 2004中，其中第一波导2005A可以是SiN波导或Si波导。在至少一个实施方式中，如果第二表面光栅是Si/SiO2则第一波导2005A可以被实现为Si波导，或者如果第二表面光栅是SiN则第一波导2005A可以被实现为SiN波导。

在第一波导2005A是Si波导的至少一个实施方式中，光信号可以在被从SiN波导绝热地耦合至第一玻璃波导插头2001A的波导之前被从第一波导2005A绝热地耦合到Si PIC 2004的SiN波导中。在‘815申请中描述了绝热耦合。在第一波导2005A是SiN波导的至少一个实施方式中，光信号可以被从第一波导2005A绝热地直接耦合到第一玻璃波导插头2001A的波导中。可以将第一玻璃波导插头2001A中的光信号对接耦合到发射光纤2013A中。

另一光信号可以在第二玻璃波导插头2001B处从接收光纤2013B接收并且通过第二玻璃波导插头2001B被绝热地耦合到实现为SiN波导的第二波导2005B中，第二波导2005B可以将光绝热地耦合到进而将光信号引导至光接收器2015的Si波导中。在至少一个实施方式中，光接收器2015可以包括锗正-本征-负(Ge pin)或其他合适的光接收器。可以由可以生成表示光信号的电信号的光接收器2015接收光信号。电信号可以被引导到可以放大、重新整形和/或重新定时电信号或以其他方式处理电信号的TIA/CDR IC 2031中。

在示例实现方案中，从接收光纤2013B接收到的光信号可以经历从第二玻璃波导插头2001B的第二波导至SiN波导至将光信号传送到光接收器2015的Si波导的两级绝热转换。一个或更多个其他光信号或光束可以类似地经历从内插器波导(例如第二玻璃波导插头2001B)至SiN波导至Si波导的两级绝热转换，或反之。此外，本文中已经将一些实施方式描述为包括在玻璃插头或玻璃波导插头上的聚合物，这两者都是可以根据一些实施方式实现的内插器的示例。在‘815申请中描述了与可以适用于本文中描述的实施方式的两级绝热转换和内插器有关的附加细节。

图20B示出了根据本文中描述的至少一个实施方式布置的另一示例Si光子通信模块(下文中的“模块”)2093。模块2093在许多方面与图20A的模块2092类似或相同，并且包括例如激光器2002、Si PIC 2004、玻璃波导插头2001A、2001B、光接收器2015、隔离器块2020、TIA/CDR IC 2031以及第一波导2005A和第二波导2005B。与图20A相比，模块2093另外地包括与直接调制激光器2002一起形成具有管理啁啾的光谱整形器(OSR)2033，其示例由菲尼萨集团(FINISAR CORP)以名称啁啾管理的激光器(chirp managed laser)或CML推向市场。

在具有管理啁啾的激光器中，激光器2002向OSR 2033输出也具有频率调制的幅度调制光信号。OSR 2033可以整体形成在Si PIC 2004中。OSR 2033可以将光信号的频率调制转换成幅度调制以提高消光比。OSR 2033可以另外地在光信号的比特之间引入相位相关以改善色散容限。在2008年1月2日提交的美国专利申请第11/968581号中描述了具有管理啁啾的示例激光器的方面，其通过引用并入本文中。

图21示出了根据本文中描述的至少一个实施方式布置的另一示例表面耦合系统2100。系统2100可以包括表面耦合边缘发射激光器(下文中的“激光器”)2102、光学隔离器2120和Si PIC 2104。光学隔离器2120和Si PIC 2104中的每个可以与本文中描述的其他光学隔离器和Si PIC类似或相同。在至少一个实施方式中，激光器2102可以被实现为混合型激光器。

激光器2102可以形成在与Si基板键合的InP晶片中，其中InP提供增益并且无源镜(例如，Si反射光栅)形成在Si基板中或Si基板上的Si中。光可以通过绝热耦合或渐逝耦合从InP耦合至Si基板内或Si基板上的Si波导(未示出)。可以使用小面积表面光栅耦合器(未示出)将光从InP耦合至Si波导，这将参照图22进一步详细讨论。可以使用边缘耦合将光从InP耦合至Si波导，这将参照图23进一步详细讨论。

小面积表面光栅耦合器通常可以是10-20μm长并且可以被优化以生成匹配单模光纤的远场模式，例如具有10μm模场直径。这样，来自小面积表面光栅的光束可以具有50μm的无透镜工作范围，这可以不考虑放置光学隔离器2120。通过具有这样的相对短的无透镜工作范围的自由空间的实施方式的一个潜在问题是这些实施方式可能需要透镜来容纳光学隔离器。这样的小面积表面光栅耦合器也可以具有相对大的20-30nm波长带宽并且可以用于使用透镜将光耦合到来自DFB激光器的Si波导中和/或使用透镜将从Si波导出来的光耦合到光纤中。

然而，本文中描述的实施方式可以使用一个或更多个LASG以允许8-40μm或甚至20-40μm的模式尺寸。因此，激光器2102可以另外地包括用于以8-40μm光斑尺寸或甚至20-40μm光斑尺寸耦合从激光器2102出来的光的形成在其中的第一表面光栅2106，第一表面光栅2106发射从激光器2102垂直出来的光。增加模式尺寸可以将无透镜工作距离增加至可以足够大以容纳没有透镜的光学隔离器2120的300-600μm。

图22示出了根据本文中描述的至少一个实施方式布置的可以在图21的表面耦合系统中实现的示例表面耦合边缘发射激光器(下文中的“激光器”)2202的各种视图。在至少一个实施方式中，激光器2202可以被实现为混合型激光器。图22包括激光器2202的第一俯视图2202A、激光器2202的侧视图2202B、激光器2202的光学显微镜图像2202C、激光器2202的第二俯视图2202D以及激光器2202的三个横截面视图2202E。

可以通过一个或更多个小面积表面光栅耦合器2235A-B将光耦合在波导2213与InP层2233之间(仅侧视图2202B)。在至少一个实施方式中，波导2213可以被实现为Si波导。输出耦合器2237可以耦合从激光器2202出来的光。在诸如激光器2202的混合型激光器的一些现有实现方案中，输出耦合器2237可以包括小面积表面光栅耦合器。然而，根据本文中描述的实施方式，输出耦合器2237可以包括LASG，例如本文中所述的第一表面光栅。

图23示出了根据本文中描述的至少一个实施方式布置的可以在图21的表面耦合系统2100中实现的另一示例表面耦合边缘发射激光器(下文中的“激光器”)2302的各种视图。图23包括激光器2302的第一视图、第二视图和第三视图。第一个被标记为(a)并且包括作为混合Si渐逝器件的激光器2302的截面图。第二视图被标记为(b)并且包括激光器2302的无源硅波导至有源混合部分的转换锥形以及反之激光器2302的有源混合部分至无源硅波导的转换锥形的示意图。第三视图被标记为(c)并且包括激光器2302的锥形的扫描电子显微镜(SEM)图像。尽管未在图23中示出，但是激光器2302可以包括LASG，例如本文中所述的任何第一表面光栅以耦合从激光器2302的Si基板出来的光。

图24示出了根据本文中描述的至少一个实施方式布置的另一示例表面耦合系统2400。表面耦合系统2400可以包括输入Si波导2413、Si光电路2439以及第一和第二LASG 2408A-B(例如本文中所述的第二表面光栅)。表面耦合系统2400另外地可以包括具有在SOA2441的每个末端处的第三和第四LASG 2406A-B(例如本文中所述的第一表面光栅)的半导体光放大器(SOA)2441。

Si光子器件可以经受高光学损耗。在图24的示例中，SOA2441可以是弯曲的(或不弯曲的)并且可以被耦合至Si PIC以提供增益并且补偿损耗。一个光学隔离器(未示出)可以被定位在第一LASG 2408A与第三LASG 2406A之间而另一光学隔离器可以被定位在第二LASG 2408B与第四LASG 2406B之间。

因此，图24示出了系统2400，其包括在其相对端处具有第三和第四LAS 2406A-B的被实现为SOA2441的表面耦合边缘发射光放大器以及包括输入Si波导2413和输出Si波导(未标记)的PIC。输入Si波导2413被光耦合至第一LASG 2408A。第二LASG 2408B被光耦合至输出Si波导。

在图24的示例中，PIC的第一LASG 2408A可以具有至少50μm的工作距离。替选地或另外地，SOA2441的第二LASG 2406B可以具有至少50μm的工作距离。

图25A示出了根据本文中描述的至少一个实施方式布置的可以在本文中描述的一个或更多个表面耦合系统中实现的示例Si PIC 2504。通常，Si PIC 2504可以包括Si波导层2562A、至少一个SiN波导层2562B以及在Si和/或SiN波导层2562A-B中的Si和SiN波导的上方、下方和/或周围的SiO2包层2534A-B。窗口可以形成在SiN波导层2562B上方的一个或更多个介电层中以接收内插器的一端，例如聚合物或高折射率玻璃内插器。在图25A中所示的示例中，这样的内插器包括包含聚合物芯2565和聚合物包层2567的聚合物波导。在至少一个实施方式中，Si波导层2562A可以包括Ge pin二极管、Si调制器、Si复用器和/或其他部件或装置。在‘815申请中描述了与图25A的Si PIC和/或其他Si PIC的实现有关的附加细节。尽管未在图25A中示出，但是Si PIC 2504和/或其他Si PIC可以包括LASG(例如本文中所述的第二表面光栅)以接收来自表面耦合边缘发射激光器的另一LASG(例如本文中所述的第一表面光栅)的光。

图25B示出了根据本文中描述的至少一个实施方式布置的可以在本文中描述的一个或更多个表面耦合系统中实现的另一示例Si PIC 2503。Si PIC 2503可以在许多方面与图25A的Si PIC 2504类似。两者之间的一个区别是图25B中的Si PIC 2503不包括Si波导层。此外，在图25B中，LASG 2506(例如本文中所述的第二表面光栅)可以形成在Si PIC 2503的SiN波导层2569中并且可以称为SiN LASG 2506。在示例实现方案中，SiN LASG 2506可以被光耦合至实现为DML的激光器使得不需要通常在Si PIC中用于调制光的Si调制器并且可以从Si PIC 2503中省略。由SiN LASG 2506提供的表面耦合旨在降低基于DML的发射器的封装和组装成本。

Si PIC 2503的SiN LASG 2506可以具有比Si LASG更宽的带宽，因为SiN光栅的有效折射率可以小于Si光栅的有效折射率。SiN LASG 2506也可以具有比Si LASG更大的耦合角。可以通过在SiN LASG 2506下方添加镜(未示出)来改善衍射光的方向性。

例如，图26示出了根据本文中所述的至少一个实施方式布置的具有镜2638的PIC 2602中的SiN LASG 2606的侧截面图。镜2638可以被定位在SiN LASG 2606下方适当的距离以在由SiN LASG 2606向上衍射的光与由镜2638向上反射的光之间提供相长干涉。镜2638可以包括金属反射器层。在示例实施方式中，镜2638可以被定位在SiN LASG 2606下方大约420nm。在SiN LASG 2606下方形成镜2638可以与包括SiN LASG 2606的Si PIC 2602的制造者或工厂的后端生成线(BEOL)处理兼容。

图27示出了根据本文中描述的至少一个实施方式布置的另一示例表面耦合系统2700。表面耦合系统2700可以包括表面耦合边缘发射激光器(下文中的“激光器”)2702、第一Si PIC 2704A、第二Si PIC 2704B、电气集成电路(EIC)2798和内插器2701。

可以通过第一Si PIC 2704A中的一个或更多个迹线2711将激光器2702电耦合至EIC 2798。EIC 2798可以包括用于驱动激光器2702以发射光束的驱动器、偏置电路和/或其他元件。可以通过形成在激光器2702中的第一LASG 2745A和形成在第一Si PIC 2704A中的第二LASG 2745B将光束耦合到第一Si PIC 2704A中。

第一Si PIC 2704A可以包括形成在Si基板上的一个或更多个SiN波导层。在至少一个实施方式中，复用器2709和其他部件可以形成在至少一个SiN波导层中。可以通过第一Si PIC 2704A的第一SiN波导将从激光器2702接收光束的第二LASG 2745B光耦合至第一Si PIC 2704的第三LASG 2745C。光束可以通过第一SiN波导从第一Si PIC 2704A的第二LASG 2745B传送至第一Si PIC 2704A的第三LASG 2745C。

第二Si PIC 2704B可以包括形成在Si基板上的一个或更多个Si波导层、第四LASG 2745D和第五LASG 2745E。第二Si PIC 2704B可以包括一个或更多个MZ干涉仪(MZI)、pin二极管、波导分离器、Si波导或其中形成的其他部件或装置。可以将光束从第一Si PIC 2704A的第三LASG 2745C耦合至第二Si PIC 2704B的第四LASG 2745D。可以通过MZI或第二Si PIC 2704B的一个或更多个其他部件或装置将第二Si PIC 2704B的第四LASG 2745D光耦合至第二Si PIC 2704B的第五LASG 2745E。可以通过第一Si PIC 2704A中的一个或更多个迹线2713将MZI电耦合至EIC 2798，EIC 2798可以包括用于驱动MZI以调制通过第一Si PIC 2704A从激光器2702接收到的光束的驱动器、偏置电路或其他元件。可以通过第二Si PIC 2704B的第五LASG 2745E和第一Si PIC 2704A的第六LASG 2745F将调制的光束输出回到第一Si PIC 2704A中。

复用器2709可以具有被耦合至多个SiN波导的多个输入以接收多个这样的调制光束，该调制光束可以被组合到公共输出SiN波导中。如‘815申请中所述，公共输出SiN波导可以被绝热地耦合至内插器的内插器波导。

在该示例和其他示例中，第一Si PIC 2704A可以仅包括SiN层、部件和装置(与Si层、部件和装置相对)以使第一Si PIC 2704A的SiN制造处理优化，而第二Si PIC 2704B可以仅包括Si层、部件和装置(与SiN层、部件和装置相对)以使第二Si PIC 2704B的Si制造处理优化。例如，第一Si PIC 2704A中的第二LASG 2745B、第三LASG 2745C和第六LASG 2745F可以包括SiN LASG并且可以被设计成具有从第一Si PIC 2704A的Si基板起的最佳厚度以增加耦合的方向性。

在其他实施方式中，表面耦合系统可以包括激光器和单个Si PIC。激光器可以被实现为DML并且Si PIC可以包括一个或更多个SiN层、部件和装置，而不包括任何Si层、部件和装置。这样的Si PIC可以称为SiN PIC或SiN平台。激光器可以包括本文中所述的一个或更多个第一表面光栅并且SiN平台可以包括本文中所述的一个或更多个第二表面光栅。SiN平台可以省略Si波导或基于Si的MZI或其他基于Si的调制器，因为激光器是直接调制的，在该情况下可以避免Si调制器的相对高的损耗(例如，7-8dB)。

该示例中的SiN平台可以用作允许无透镜、非关键的拾取和放置的低成本、无透镜的封装平台。可以使用绝热耦合的聚合物内插器或高折射率玻璃内插器将光从SiN平台耦合出来。SiN PIC可以基本上包括Si光子处理的BEOL并且可以包括金属层以及SiN LASG作为第二表面光栅。SiN平台可以包括复用器、解复用器、波导分离器和/或其他无源部件。

垂直照明的pin二极管(InGaAs、Ge/Si等)可以倒装安装在SiN平台上的芯片并且可以通过诸如本文中所述的SiN LASG将来自SiN波导的光耦合至垂直照射的pin二极管。由于高速二极管可以大约为20μm高，并且在SiN LASG与pin之间可以不需要光学隔离器，因此可以使用具有10μm光斑尺寸的光栅，尽管诸如可以由本文中描述的一些LASG提供的20-40μm光斑尺寸可以允许大的工作距离。在该示例中，如‘815申请中所述，可以通过聚合物内插器或高折射率玻璃内插器将来自光纤的入射光绝热地耦合到SiN平台2704A中。

在一些实施方式中，针对在光子平台中形成LASG可以有两个要求。光子平台可以包括SiN平台(例如，Si基板上的一个或更多个SiN波导层)、Si平台(例如，Si基板上的一个或更多个Si波导层)以及Si/SiN平台(例如，一个或更多个Si波导层和一个或更多个SiN波导层，全部在Si基板上)。除非上下文另有指示，否则术语“Si PIC”在本文中一般用于指代全部平台。

这两个要求可以包括以下：

1)弱、长光栅以允许耦合光束扩展至8-40μm甚至20-40μm

a.→调整光栅间距以使其最大化

2)具有足够强的约束的波导以允许光束在横向方向上衍射来实现大

致等于8-40μm或甚至20-40μm的光束尺寸

形成在Si平台中的LASG可以满足第一条件。然而，玻璃波导中的模式尺寸可以主要是由于芯与包层之间的小的折射率差值，例如，折射率差可以大约为0.006-0.03。形成在SiN平台中的LASG可以提供足够高的限制并且折射率差可以大致为0.5使得可以实现具有大致等于1μm的宽度的波导模式，这需要大约250μm的扇形射出长度。Si平台与SiN平台之间的选择可以取决于方向性(向上与向下衍射的能力比率)，其也可以是基板和SiO2盒层的功能。

图28示出了在根据本文描述的至少一个实施方式布置的可以在本文中所述的第一和第二表面光栅中的一个或两个或其他LASG中实现的示例聚焦表面光栅2906。

图29描绘了根据本文中描述的至少一个实施方式布置的可以在本文中所述的第一和第二表面光栅中的一个或两个中实现的用于增加表面光栅的方向性的示例概念。在图29的示例中，一个表面光栅3001可以形成在另一表面光栅3003上，其中一个表面光栅相对于另一表面光栅偏移。如本文中所述两个堆叠的表面光栅可以被一起实现为第一表面光栅中的一个以将光从激光器衍射出或者作为第二表面光栅中的一个以将光衍射到Si PIC中。

图30A示出了根据本文中描述的至少一个实施方式布置的另一示例表面耦合系统3100。系统3100可以包括表面耦合边缘发射激光器(下文中的“激光器”)3102。激光器3102可以包括或对应于本文中描述的任何其他激光器。激光器3102可以被实现为InP激光器。激光器3102可以与InP MZ调制器3107在同一芯片中，其中激光器3102和InP MZ调制器3107可以通过成角度的隔离沟槽3157分开。激光器3102可以包括用于从激光器3102耦合出光的第一LASG 3145A。InP MZ调制器3107可以包括第二LASG 3145B以将光耦合到InP MZ调制器3107中。

表面耦合系统3100还可以包括桥3159。桥3159可以包括用于将光从激光器3102的第一LASG 3145A耦合到桥3159中的第三LASG 3145C，以及用于将从桥3159出来的光耦合到InP MZ调制器3107的第二LASG3145B中的第四LASG 3145D。

表面耦合系统3100可以另外地包括第一和第二光学隔离器3120A-B。第一光学隔离器3120A可以包括第一偏振器3124A和第一法拉第旋转器3126A。第一偏振器3124A和第一法拉第旋转器3126A可以位于激光器3102的第一LASG 3145A与桥3159的第三LASG 3145C之间。第二光学隔离器3120B可以包括第二偏振器3124B和第二法拉第旋转器3126B。第二偏振器3124B和第二法拉第旋转器3126B可以位于桥3159的第四LASG 3145D与InP MZ调制器3107的第二LASG 3145B之间。

在激光器3702和InP MZ调制器3107的InP基板3134A-C内，多个窗口3188A-B可以被蚀刻在对应的LASG 3145A-B下方。可以将HR涂层3190A-B施加在对应的LASG 3145A-B下方以形成底部镜。类似地，在桥3159的InP基板3134D内，多个窗口3188C-D可以被蚀刻在对应的LASG3145C-D上方。可以将HR涂层3190C-D施加在对应的LASG 3145C-D上方以形成顶部镜。在一些实施方式中，桥3159可以形成在与激光器3102和InP MZ调制器3107相同的晶片中，在该情况下桥3159可以在制造之后上下颠倒。

在操作中，激光器3102可以发射在一些实施方式中可以包括连续波(CW)束的光束。光束可以通过激光器3102的第一LASG 3145A和桥3159的第三LASG 3145C从激光器3102通过第一光学隔离器3120A被耦合至桥3159。桥3159的第三LASG 3145C可以被光耦合至桥3159的第四LASG 3145D并且可以将光束重定向至桥3159的第四LASG 3145D。桥3159的第四LASG 3145D可以通过第二光学隔离器3120B和InP MZ调制器3107的第二LASG 3145B将从桥3159出来的光束耦合到InP MZ调制器3107中，其中光束可以被调制成形成具有在其上编码的信息的光信号。

在一个实施方式中，可以有用的是将激光器3102与InP MZ调制器3107内的时间调制反射隔离。在该示例中，可以通过混合集成来实现两级隔离。桥3159可以与激光器3102和InP MZ调制器3107一起从同一晶片切割使得桥3159可以在具有激光器3102和InP MZ调制器3107的层厚度、成分和LASG光栅深度方面匹配。具有层厚度、成分和LASG光栅深度的匹配方面可以导致最佳LASG至LASG插入损耗性能。激光器3102、InP MZ调制器3107和桥3159可以在同一晶片上一起输送以简化库存管理。

图30A示出了根据本文中描述的至少一个实施方式布置的图30A的表面耦合系统3100的示例实施方案。

图31示出了根据本文中描述的至少一个实施方式布置的另一示例表面耦合系统3200。系统3200类似于图30A和图30B的系统3100，不过激光器3202和InP MZ调制器3207可以被完全分离以利用放置公差并且降低总InP芯片成本。

图32示出了根据本文中描述的至少一个实施方式布置的另一示例表面耦合系统3300。系统3300可以包括包含在第一LASG 3345A与第二LASG 3345B之间的半导体光放大器(SOA)3341的桥3359。第一和第二LASG 3345A-B可以包括在3359的背侧上的P接触3361A-B和N接触3363。桥3359还可以包括多个p掺杂剂扩散的馈通3365A-B。在图30A、图30B、图31和图32所示的任何示例实施方式中，位于第三LASG 3145C与第四LASG 3145D之间的桥内的波导部分可以实现桥内方向上的改变，即波导不必在第三LASG 3145C与第四LASG 3145D之间保持直线。可以包括该波导部分的方向上的改变以便于子部件(3102和3159)本身的组装和/或改善完成的装置的光学隔离性能。

LASG的概念可以被扩展至除激光之外的其他InP器件。例如，电吸收调制器(EAM)、InP MZ调制器和/或其他InP器件。在这些实施方式和其他实施方式中，包括在InP器件和/或Si PIC中的LASG可以被设计成具有8-40μm的光斑尺寸或甚至20-40μm的光斑尺寸以允许高对准公差和无透镜组件从而降低成本。

关于本文中对大体上任何复数和/或单数术语的使用，本领域技术人员可以根据对于上下文和/或应用适当情况从复数转化为单数和/或从单数转化为复数。为了清楚起见，本文中可以明确地阐述各种单数/复数组合。

本发明可以在不脱离其精神或必要特征的情况下以其他特定形式来实现。所描述的实施方式在所有方面仅被认为是说明性的而不是限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求而不是前面的描述指示。落入权利要求的等同意义和等同范围内的所有变化被包含在权利要求的范围内。