這兩天在酒店寫字不方便，想起一個留言，問的是單模和多模對應什么波長？

這個留言很有意思，就是在光模塊行業工作時間長了之后，默認多模對應850nm，或者是850nm、910nm波長。單模對應1260-1650nm波長，重點是1310nm波段附近以及1550nm波段附近的波長。

(資料圖片僅供參考)

咱行業這幾十年，互相溝通，要提高效率。不會天天做背景描述，但是呢，突然發現，1550nm也可以有多模激光器，1310nm也可以有多模激光器，這到底是咋對應的。其實850nm也可以做成單模激光器的。

留言，單模和多模對應什么波長？這句話，我再次把輸入條件規范一下。

單模，咱行業指的是單橫模，多模，咱行業指的是多橫模。

波長，其實表述了縱模的特性，也可以分為單縱模和多縱模。也就是單波長或者多波長激光器。

這個波長，特指的是“被放大”的波長。

激光器的定義是指xxxx的光放大器。激光器是基于干涉放大的原理，制作的光放大器。所以很多人也說激光器是“相干”光。

單模和多模對應什么波長？這個問題的描述，變為，（受激輻射）光放大器的單橫?；蚨鄼M模與縱模的輸出范圍，有什么對應關系？

答：理論上不存在對應關系，二者是兩個維度的考慮，是正交的。1310nm波長既可以是單橫模也可以是多橫模，同樣850nm、1550nm既可以設計為單橫模也可以設計為多橫模。

但是，實際產業的應用中，形成了特定的產業鏈，在某些特殊場景下具有最佳性價比。比如基于光纖通信的場景，850nm波長的多橫模激光器具有低成本優勢，基于1310nm或1550nm的單橫模激光器具有光纖低色散/低損耗的優秀傳輸性能。

比如激光雷達行業，對于邊發射的激光器，在TOF或調幅場景下無需考慮單橫模的特性，可以制作多模EEL邊發射長波長激光器，實現提高功率并降低用眼安全風險防范。

光有傳輸方向，沿傳輸方向的模式，是縱模，在激光器中是基于“時間干涉”形成的與頻率相關的特性

垂直與傳輸方向的橫截面的光場分布特點，是橫模，在激光器中是基于“空間干涉”形成的一些分布特性。

做激光器設計的人，都知道，激光器的公式里有兩個解，時空解，時間和空間。

橫模是基于空間的能量分布，這是可以實打實看見的分布，一會兒細聊?？v模是基于時間的能量分布，時間我們是看不到的，光以光速做波動傳輸，這里頭就有了波長、（光的）速度、波動時間以及路程的幾個參數，波長的測量，無法用眼睛看到，需要用光譜儀來測試，光譜儀實際上是光頻譜儀，光的頻率x光的波長=真空光速C，C是常量。所以用頻譜儀可以測試頻率（比如~300THz，就是1.3μm波長，比如~200THz是1.5μm波長）可以推算波長。

我們所說的波長，在這個語境下，特指的是波長范圍。

波長范圍是增益材料的決定的，在這個范圍內，選擇特定的波長進行干涉，是諧振腔的作用。干涉可以起到放大的作用。

諧振腔，有個腔長的說法，對吧，DFB的光柵，VCSEL的光柵，都是“微小”的腔長。腔長和光的波動速度，可以推算出光的反射時間，基于時間的干涉，就是縱模。幾個縱模在我們的表述語境中，重點不同。

今天的語境說的是波長范圍，我們權且把增益物質放在重點闡述中。也就是增益物質材料，決定了激光器的波長（范圍）

再次回到橫模，單模多模在咱行業特指橫模，也就空間的能量分布，光纖通信特別在乎是單模還是多模，激光雷達的TOF方式啥的對這個不怎么看中，一般不提，在FMCW里需要關注一點。去年的ECOC，激光雷達的分類，我寫了的，收在PPT匯總里了。

有多個能量峰，就是多模，只有一個能量峰就是單模，空間的波動是可以用眼睛看到的，咱的激光筆照射到幕布上，能看到亮點，亮斑，這些斑斑點點的數量，就是橫模模式的體現。

光模塊里VCSEL是多模激光器，也就是有多個亮斑，VCSEL叫垂直腔面發射，這個垂直，面，都是指的晶圓的相對坐標。諧振腔是垂直于晶圓表面的，叫垂直腔。諧振腔的方向與激光器的輸出方向有關，如果不做特殊處理的話，那就是決定了激光器的出光方向，可以實現垂直與晶圓表面的發射，既可以是表面發射，也可以是底面發射。

單模激光器一般用邊發射，既可以是左邊發射，也可以是右邊發射，還可以兩邊同時發射。

對于邊發射的話，同樣（不做其他額外處理的話，）光的輸出方向有橫向諧振腔實現，輸出波長范圍由增益材料實現，橫向光斑由輸出波導的空間結構決定。

常見的兩大類波導結構來限制單模

光的空間也是“波動”的，只要寬窄合適，就不會出現多個亮斑，站在大多數光通信激光器的設計思路而言，InP材料體系的波導寬度約2μm，是實現單模限制的常見結構。

既然說的是常見，那就是不是唯一，拉寬空間限制的結構，就會出現多橫模，激光器早些年這是常見的。后來慢慢的在光通信上做單模不難了，就把這段經歷淡忘了。

最近這幾年，拉寬波導的事情又回來了，因為需要加大輸出功率，比如Lumentum用多模做DFB+SOA的級聯，再利用虛腰實現單模。比如華為這幾年做的5μm寬度的激光器，本質上的模式是多橫模，目的是增大輸出功率，（陸續收錄到PPT匯編里，之前是結構實現二次模式濾除，后來是優化效率，拓展應用領域，再后來做可靠性測試）

還有就是激光雷達領域TOF方式，在乎大功率，不在乎單模多模，他們不需要在光纖里傳輸，沒有這份糾結。把波導寬度拉的很寬很寬，做邊發射的多橫模激光器。

總結一下，基于邊發射激光器而言，光纖通信有單模的需求，也能實現，部分應用場景做了局部多模設計，也需要額外處理再次恢復成單模。本質上為了符合光纖通信的需求。

這個邏輯是這樣的，（目前商用的實芯玻璃）光纖的通信技術，有一個最佳的傳輸波段，（空芯光纖不受這個波段的影響啊，OFC2023里還有空芯光纖的進展情況。），而滿足這個波長范圍的材料，且能實現單模的目前只有InGaAsP/InP，或者AlGaInAs/InP的可以選擇。沒辦法，這個材料體系在垂直腔面發射的結構中，無法實現單模輸出，甚至無法實現大規模的產業高可靠性制造。所以不得已才選擇了邊發射，這種不友好的光路輸出結構。

面發射很便宜，且在理論上可以實現單模輸出，只是產業里無法實現大規模長期穩定可靠的制造。

這是源于這個工藝流程中的凹槽刻蝕，刻蝕這個槽用來做側面氧化的，側面氧化是來引導電流路徑的。

VCSEL激光器，環內的是光的輸出孔徑，（只舉一個離子啊，VCSEL的結構也是千變萬化的）

掀開那些表面氣密涂層，會看到一個刻蝕凹槽，這個凹槽通過側面氧化，形成內部電流輸入，并激射出光，光的結構，如果被縮小的1.xμm直徑，可以在空間上限制為“單?！?/p>

可但是，這個孔內同時還有DBR層，這是諧振腔，需要控制光的反射，并產生諧振后干涉放大，DBR層需要幾十層，

孤島越小，可以實現單模，但是會導致諧振腔的可靠性隱患。在今年看到的50G、100G的VCSEL里，限制孔的孔徑大約在5~6μm左右。

當然，來避免這個孤島導致的可靠性隱患，比如長瑞的懸梁結構，比如用內嵌輻輪結構，實現略微降低模式，且避免孤島尺寸太小導致的風險，如Lumentum、Finisar（就是II VI、Coherent）、Broadcom的爪型，輻輪型電極等等。比如直接降低疊層厚度，反射不足的地方通過輔助其他的反射設計，HP，東京工業大學等結構，還有就是利用錯臺分布來實現等效的孔徑降低，濾除高階模，實現少模甚至單模，今年OFC就有單模VCSEL傳輸5km，之前幾年有少模傳輸2.3km的研究。以前還寫過把頂部的垂直光柵改為水平分布光柵，（當初的學術論文發表是單模，現在的產品銷售是少模）

上邊說了一大通的方式，也就是在理論上，VCSEL是可以單模的，并且目前的多模狀態，也有很多輔助處理模式來實現單模，可是，但是，產業的期望的低沉本大規模的制造，多模是產業的選擇。

在多的模式里，盡量選擇數量少一些的，就是現如今50G VCSEL或者100G VCSEL的思路。想在各個溫度，不同電流，以及不同的工作時間里，完全保持單模，產品壓力很大。

總而言之，

技術上，單模多模和什么波長，二者是各自獨立設計的，橫模模式一般通過小孔衍射的空間結構來限定，波長由增益層和諧振腔共同作用，增益材料是主因。

從應用上，

光纖通信有波長和模式的需求，基于單模的InP激光器，有性能優勢，500米以上幾千公里以內的，這都是單模的菜，但是InP邊發射激光器并不具備成本優勢。基于多模的VCSEL激光器，主要是成本低，對于性能而言就不做苛刻要求了，傳個百八十米的，湊合著用，同時對于波長和模式，就放寬要求了。

激光雷達對波長有要求，部分測試方案對（橫模）模式沒有要求，所以就出現了長波長的多模設計。

剛才提的光纖通信是目前主流的實芯玻璃光纖的通信，如果換做空芯光纖，對于模式有要求，但是對于波長的限制放寬了，這也就有了短波長的單模方案，比如1060nm的單模激光器，用GaAs材料體系做邊發射。

編輯：黃飛