随着信息化时代的到来，人们对信息量的需求日益增长，传统微电子集成技术受物理极限的制约也越来越明显。光子作为信号的载体，具有高带宽、低功耗和强抗干扰能力等电子所不具备的优点，因此光子集成和光电子集成技术引起人们极大的重视。随着光子集成技术的规模化发展，对光学器件体积、功耗、性能的要求也随之提高。基于回音壁模式的微腔激光器具有体积小、功耗低、速率高等特点，是光电子集成芯片内光源的理想选择。本论文主要研究内径带有角向光栅结构的圆环微腔激光器的单模选择特性、单方向定向输出特性和纵向辐射特性以及带有角度波导的圆形微腔激光器的模式特性和输出特性。主要取得以下成果:　　提出利用内径均匀分布的角向光栅结构来实现圆环微腔激光器的模式选择特性。基于模式耦合理论和光栅相位匹配条件，我们分析研究了内径角向光栅对圆环微腔内WG模式的影响。内径角向光栅在圆环微腔的内边界产生周期性的微扰，使得回音壁模式耦合到低角动量的辐射模式分量，从而引起模式辐射损耗的增加。当选择内径光栅的数目Ng为2倍模式角向量子数2v的因子时，角向光栅使得二重简并的TEv，1模式发生分裂产生两个Q值相差较大的模式，同时抑制其他相邻各阶纵模的Q值，使得其中一个TEv,1模成为唯一高Q值的模式。通过合理优化光栅深度，圆环宽度和光栅占空比参数，采用2v的最小非公共因子作为光栅的数目就可以实现利用最少数量的光栅获得圆环微腔激光器的单模激射。进一步，我们利用三维有限元(FEM)方法模拟验证了内径带有角向光栅的圆环微腔激光器的单模选择特性。　　提出利用内径部分分布的角向光栅结构来实现圆环微腔激光器的远场小角度单向输出。角向光栅引起具有高阶角向量子数的回音壁模式(whispering-gallerymode，WGM)和具有低阶角向量子数的辐射模式之间的耦合。由于低阶角向量子数的辐射模式具有较大的径向传播常数，则混合模式的远场主要由辐射模式所决定，因此可以通过低角动量的辐射模式对WG模式的远场进行调控。通过合理设计角向光栅的分布、周期和数目，可以使得各向均匀出射的高Q值WG模式和具有定向光输出的低Q值辐射模式发生弱耦合，则耦合后产生的混合模式能够既保持高Q值，同时又获得定向输出特性。模式定向输出的远场发散角主要由光栅的数目和WG模式的角向量子数所决定，当光栅数目一定时，远场辐射的发散角基本不随光栅深度和圆环宽度而改变，证明了内径部分分布角向光栅结构的圆环微腔激光器的单向光输出特性的稳定性。　　提出一种可以同时实现单模性和定向输出特性的内径分布有角向光栅结构的环形微腔激光器。通过调节环形微腔内径和外径圆心之间的距离，可以有效控制微腔内模式之间的耦合强度和模式的辐射损耗，从而实现对模式Q值和远场输出的同时调控。　　研究并制备了一种和输出波导有角度连接的圆形微腔激光器。通过改变波导和微腔的连接角度θc，可以使得波导基模的传播常数方向和微腔中模式的传播常数方向保持一致，从而增强模式和波导基模的耦合，实现高耦合输出效率的定向输出微腔激光器。利用平面半导体工艺，我们制备了侧向BCB限制的和输出波导有角度连接的圆形微腔激光器。与垂直连接波导的圆形微腔激光器相比，角度波导可以更有效的抑制高阶横模的Q值，使得圆环微腔激光器能够更好的实现单横模激射。　　利用FEM数值模拟计算，我们研究了波导连接角度θc对波导的耦合输出效率、近场输出和远场输出特性的影响，并发现当波导连接角度θc较大时，在圆形微腔的另一侧会形成发散角非常窄的单方向定向光输出。　　利用FDTD方法进行模拟，我们发现随着波导连接角度θc的变化，圆形微腔中不同模式的耦合强度和模式Q值都会发生变化。通过选择不同的波导连接角度θc，我们可以实现不同模式的激射。实验上我们制备了半径10μm，波导宽度1.6μm的圆形微腔激光器，并通过θc=10°和θc=45°的圆形微腔激光器分别实现了不同横模的激射。　　随着波导连接角度θc的改变，波导输出端口光功率的横向分布会发生变化，引起输出光和光纤耦合强弱的不同。通过合理设计波导连接角度θc，使输出光在波导端口附近更集中的分布，有利于增强和光纤的耦合效率。进一步，我们在实验上证实了通过选择波导连接角度θc=50°，可以有效改善波长1.562μm附近激射模式的输出功率分布。　　通过三维有限元方法模拟分析了内径带有角向光栅结构的圆环微腔激光器的纵向辐射，腔内具有低阶角向量子数的辐射模式可以通过角向光栅垂直发射到自由空间，产生具有轨道角动量的涡旋光场。利用圆环微腔内的驻波WG模式，可以同时产生一对具有等量但符号相反的拓扑电荷±l的涡旋光束，实现不同轨道角动量态的叠加。