在光纤通信行业工作了很长时间后，我们理所当然地认为多模对应850nm，或850nm，910nm波长。单模对应1260-1650nm波长，尤其是1310nm波段附近和1550nm波段附近的波长。
嘿，有一天我们偶然知道有波长为1550nm的多模激光器，也有波长为1310nm的多模激光器。这是怎么发生的？事实上，850nm也可以制成单模激光器。在业内，单模指的是单横向模式，多模指的是多横向模式。波长，其实表达的是纵模的特性，可分为单纵模和多纵模。即单波长激光器或多波长激光器。
这个波长特指 “放大 “波长。激光器是基于干涉放大原理的光放大器。所以很多人说，激光发出的是 “相干光”。单模和多模对应什么波长？那么，问题就变成了，（受激发射）光放大器的单横模或多横模与纵模的输出范围之间有什么关系？答：理论上没有对应关系。1310nm激光器可以是单横模或多横模。同样，850nm和1550nm激光器可以设计为单横模或多横模。
不过，我们应该考虑到，在实际应用中已经形成了特定的产业链，在一些特殊场景下，哪种方式的性价比最高。例如，在基于光纤通信的应用场景中，波长为 850nm 的多横模激光器具有低成本优势，而基于 1310nm 或 1550nm 的单横模激光器在光纤中具有低色散/低损耗的优异传输性能。
例如在激光雷达行业，对于边缘发射激光器，在TOF或AM场景中无需考虑单一横向模式的特性。可以制造多模EEL边缘发射长波长激光器，以增加功率并降低人眼安全风险。光有一个传输方向，沿传输方向的模式是纵向模式，它是基于激光中“时间干扰”的频率相关特性。
激光器的光传输方向
垂直于传输方向的横截面上的光场分布是一种横向模式，它是基于激光器中 “空间干涉 “形成的一些分布特性。
做过激光器设计的人知道，激光公式中有两种解决方案——时间和空间解决方案。
激光器的时空维度
横向模态基于空间的能量分布。这是在现实生活中可以看到的分布，我们稍后会讨论。纵模是基于时间和光以光速传输的能量分布，有波长、（光）速度、波动时间和距离几个参数。波长是肉眼看不见的，所以需要用光谱仪来测试，其实就是光谱仪。光的频率 x 光的波长 = 真空 C 中的光速，其中 C 是一个常数。因此，可以用频谱分析仪测试频率（例如：~300THz对应1.3μm波长，~200THz对应1.5μm波长）并计算波长。
光的传输就是波的传输
这里所说的波长，特指波长范围。
波长是一个范围波长范围由增益材料决定。在这个范围内，选择特定波长进行干涉是谐振腔的功能，干涉可以起到放大的作用。谐振腔有一个腔长。DFB 和 VCSEL 的光栅都具有 “极小 “的腔长。腔长和光的波速可以用来计算光的反射时间，基于时间的干涉就是纵模。在我们的语境中，这些纵模有不同的侧重点。谐振腔和增益做在一起，是光收发器中大多数激光器的选择，如 VCSEL、DFB、EML 等芯片。谐振腔（用于干涉放大的腔体）决定放大哪些波长。谐振腔和增益材料选择相同类型的材料，如 VCSEL 采用 GaAs 材料，DFB 采用 InP 材料系统等。
谐振腔和增益材料采用不同的材料体系，如增益材料采用GaAs 砷化镓材料体系，谐振腔采用硅材料体系。这是华为在硅衬底上外延砷化镓并在 OFC2023 中制作砷化镓量子点的工艺。使用 InP 作为增益，硅作为谐振器的是英特尔的硅基集成激光器。增益材料：当谐振器和增益材料独立制造时，我们就拥有了外腔激光器，即由 “独立于增益部分 “的谐振器组成的激光器。再说回横向模式，单模和多模在业内特指横向模式，也就是空间的能量分布。当有多个能量峰时，就是多模，只有一个能量峰就是单模。空间波动可以用眼睛看到，当我们的激光笔照射在屏幕上时，可以看到亮点的分布，这就是横模的体现啦。
激光光斑分布的横向模式光收发器中的 VCSEL 是一种多模激光器，即存在多个亮点。VCSEL也被称为垂直腔面发射激光器。垂直腔面指的是晶片的相对坐标。谐振腔垂直于晶片表面，称为垂直腔。谐振腔的方向与激光器的输出方向有关，这决定了激光器的光输出方向，无需特殊处理。它可以实现垂直于晶片表面的发射，可以是表面发射，也可以是底部发射。单模激光器一般从侧面发射，可以从左侧或右侧，也可以从两侧同时发射。对于边缘发射，光的输出方向由横向谐振腔实现，无需其他额外处理，输出波长范围由增益材料实现，横向光斑由输出波导的空间结构决定。
用于限制单模的两种常见波导结构
光的空间也是 “波动 “的，只要宽度合适，就不会出现多个亮点。就大多数光通信激光器的设计而言，InP 材料系统的波导宽度约为 2 μm，这是常见的单模限制结构。既然是常见的，就不是唯一的。如果加宽空间限制结构，就会出现多个横向模式。这在早年的激光器中很常见。后来在光通信领域制造单模变得容易了，人们也就忘记了这一点。
近年来，因为需要提高输出功率，人们又开始讨论加宽波导。例如，有用多模实现 DFB+SOA 级联，再用虚腰实现单模。而华为近几年做的 5μm 宽激光器，本质上也是多横模，目的是为了提高输出功率。再比如激光雷达领域的 TOF 方法，它更倾向于将高功率开户送体验金无需申请到单模和多模上。它们不需要在光纤中传输，因此无需考虑这方面的问题。下图是一个多横模激光器，其波导宽度被拉伸得非常宽，以实现边缘发射。
用于激光雷达的边缘发射多模激光器
总之，就边缘发射激光器而言，光纤通信对单模有要求，单模是可以实现的。有些应用场景有局部多模设计，我们需要额外的处理，重新恢复单模。这种行为本质上是为了满足光纤通信的需求。其背后的逻辑是，商用固体玻璃光纤的通信技术有一个最佳传输频段。(中空纤芯光纤不受这个波段的影响，OFC2023 讲述了中空纤芯光纤的进展）。而满足这一波长范围并能实现单模的材料只有 InGaAsP/InP，或 AlGaInAs/InP。这种材料体系无法在垂直腔面发射结构中实现单模输出，甚至无法实现高可靠性的大规模工业制造。因此，人们不得不选择边缘发射这种不友好的光路输出结构。
波导结构决定了是单模还是多模
表面发射非常便宜，理论上可以实现单模输出，但业界无法实现大规模、长期、稳定可靠的制造。这是由于该工艺流程中的沟槽蚀刻造成的。沟槽蚀刻是为了侧面氧化，用于引导电流路径。
VCSEL工艺流程
揭开表面那些密不透风的涂层，你会看到一个蚀刻沟槽。该凹槽通过侧面氧化形成内部电流输入并发光。如果将光结构缩小到 1.xμm 的直径，就可以在空间维度上将其限制为 “单模”。但是，在这个孔中还有一个 DBR 层，即谐振腔，需要控制光的反射和谐振后的干涉放大。DBR 层需要几十层。岛越小，越容易实现单模，但会给谐振腔的可靠性带来隐患。在今年看到的 50G 和 100G VCSEL 中，约束孔的直径约为 5~6μm。
单模或多模由波导结构决定
上述众多方法表明，VCSEL 理论上可以实现单模，而在目前的多模状态下，也有很多辅助处理模式可以实现单模。然而，业界的期望是低成本和大规模制造，因此多模是业界的选择。总之，在技术上，单模或多模以及波长都是独立设计的。横向模式一般受到针孔衍射空间结构的限制。波长受增益层和谐振腔的共同影响，增益材料是主要原因。
在应用方面，业界对波长和模式都有要求。单模 InP 激光器，尤其是距离在 500 米以上/数千公里以内的 InP 激光器具有性能优势，但是 InP 边缘发射激光器不具备成本优势。多模 VCSEL 激光器虽然成本低，但性能却不如单模激光器，其使用距离为 180 米，另外在波长方面也没有优势。
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