在光纖通信行業(yè)工作了很長(zhǎng)時(shí)間后，我們理所當(dāng)然地認(rèn)為多模對(duì)應(yīng)850nm，或850nm，910nm波長(zhǎng)。單模對(duì)應(yīng)1260-1650nm波長(zhǎng)，尤其是1310nm波段附近和1550nm波段附近的波長(zhǎng)。
嘿，有一天我們偶然知道有波長(zhǎng)為1550nm的多模激光器，也有波長(zhǎng)為1310nm的多模激光器。這是怎么發(fā)生的？事實(shí)上，850nm也可以制成單模激光器。在業(yè)內(nèi)，單模指的是單橫向模式，多模指的是多橫向模式。波長(zhǎng)，其實(shí)表達(dá)的是縱模的特性，可分為單縱模和多縱模。即單波長(zhǎng)激光器或多波長(zhǎng)激光器。
這個(gè)波長(zhǎng)特指 “放大 “波長(zhǎng)。激光器是基于干涉放大原理的光放大器。所以很多人說(shuō)，激光發(fā)出的是 “相干光”。單模和多模對(duì)應(yīng)什么波長(zhǎng)？那么，問(wèn)題就變成了，（受激發(fā)射）光放大器的單橫模或多橫模與縱模的輸出范圍之間有什么關(guān)系？答：理論上沒有對(duì)應(yīng)關(guān)系。1310nm激光器可以是單橫?；蚨鄼M模。同樣，850nm和1550nm激光器可以設(shè)計(jì)為單橫?；蚨鄼M模。
不過(guò)，我們應(yīng)該考慮到，在實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)形成了特定的產(chǎn)業(yè)鏈，在一些特殊場(chǎng)景下，哪種方式的性價(jià)比最高。例如，在基于光纖通信的應(yīng)用場(chǎng)景中，波長(zhǎng)為 850nm 的多橫模激光器具有低成本優(yōu)勢(shì)，而基于 1310nm 或 1550nm 的單橫模激光器在光纖中具有低色散/低損耗的優(yōu)異傳輸性能。
例如在激光雷達(dá)行業(yè)，對(duì)于邊緣發(fā)射激光器，在TOF或AM場(chǎng)景中無(wú)需考慮單一橫向模式的特性?？梢灾圃於嗄EL邊緣發(fā)射長(zhǎng)波長(zhǎng)激光器，以增加功率并降低人眼安全風(fēng)險(xiǎn)。光有一個(gè)傳輸方向，沿傳輸方向的模式是縱向模式，它是基于激光中“時(shí)間干擾”的頻率相關(guān)特性。
激光器的光傳輸方向
垂直于傳輸方向的橫截面上的光場(chǎng)分布是一種橫向模式，它是基于激光器中 “空間干涉 “形成的一些分布特性。
做過(guò)激光器設(shè)計(jì)的人知道，激光公式中有兩種解決方案——時(shí)間和空間解決方案。
激光器的時(shí)空維度
橫向模態(tài)基于空間的能量分布。這是在現(xiàn)實(shí)生活中可以看到的分布，我們稍后會(huì)討論?？v模是基于時(shí)間和光以光速傳輸?shù)哪芰糠植?，有波長(zhǎng)、（光）速度、波動(dòng)時(shí)間和距離幾個(gè)參數(shù)。波長(zhǎng)是肉眼看不見的，所以需要用光譜儀來(lái)測(cè)試，其實(shí)就是光譜儀。光的頻率 x 光的波長(zhǎng) = 真空 C 中的光速，其中 C 是一個(gè)常數(shù)。因此，可以用頻譜分析儀測(cè)試頻率（例如：~300THz對(duì)應(yīng)1.3μm波長(zhǎng)，~200THz對(duì)應(yīng)1.5μm波長(zhǎng)）并計(jì)算波長(zhǎng)。
光的傳輸就是波的傳輸
這里所說(shuō)的波長(zhǎng)，特指波長(zhǎng)范圍。
波長(zhǎng)是一個(gè)范圍波長(zhǎng)范圍由增益材料決定。在這個(gè)范圍內(nèi)，選擇特定波長(zhǎng)進(jìn)行干涉是諧振腔的功能，干涉可以起到放大的作用。諧振腔有一個(gè)腔長(zhǎng)。DFB 和 VCSEL 的光柵都具有 “極小 “的腔長(zhǎng)。腔長(zhǎng)和光的波速可以用來(lái)計(jì)算光的反射時(shí)間，基于時(shí)間的干涉就是縱模。在我們的語(yǔ)境中，這些縱模有不同的側(cè)重點(diǎn)。諧振腔和增益做在一起，是光收發(fā)器中大多數(shù)激光器的選擇，如 VCSEL、DFB、EML 等芯片。諧振腔（用于干涉放大的腔體）決定放大哪些波長(zhǎng)。諧振腔和增益材料選擇相同類型的材料，如 VCSEL 采用 GaAs 材料，DFB 采用 InP 材料系統(tǒng)等。
諧振腔和增益材料采用不同的材料體系，如增益材料采用GaAs 砷化鎵材料體系，諧振腔采用硅材料體系。這是華為在硅襯底上外延砷化鎵并在 OFC2023 中制作砷化鎵量子點(diǎn)的工藝。使用 InP 作為增益，硅作為諧振器的是英特爾的硅基集成激光器。增益材料：當(dāng)諧振器和增益材料獨(dú)立制造時(shí)，我們就擁有了外腔激光器，即由 “獨(dú)立于增益部分 “的諧振器組成的激光器。再說(shuō)回橫向模式，單模和多模在業(yè)內(nèi)特指橫向模式，也就是空間的能量分布。當(dāng)有多個(gè)能量峰時(shí)，就是多模，只有一個(gè)能量峰就是單模?？臻g波動(dòng)可以用眼睛看到，當(dāng)我們的激光筆照射在屏幕上時(shí)，可以看到亮點(diǎn)的分布，這就是橫模的體現(xiàn)啦。
激光光斑分布的橫向模式光收發(fā)器中的 VCSEL 是一種多模激光器，即存在多個(gè)亮點(diǎn)。VCSEL也被稱為垂直腔面發(fā)射激光器。垂直腔面指的是晶片的相對(duì)坐標(biāo)。諧振腔垂直于晶片表面，稱為垂直腔。諧振腔的方向與激光器的輸出方向有關(guān)，這決定了激光器的光輸出方向，無(wú)需特殊處理。它可以實(shí)現(xiàn)垂直于晶片表面的發(fā)射，可以是表面發(fā)射，也可以是底部發(fā)射。單模激光器一般從側(cè)面發(fā)射，可以從左側(cè)或右側(cè)，也可以從兩側(cè)同時(shí)發(fā)射。對(duì)于邊緣發(fā)射，光的輸出方向由橫向諧振腔實(shí)現(xiàn)，無(wú)需其他額外處理，輸出波長(zhǎng)范圍由增益材料實(shí)現(xiàn)，橫向光斑由輸出波導(dǎo)的空間結(jié)構(gòu)決定。
用于限制單模的兩種常見波導(dǎo)結(jié)構(gòu)
光的空間也是 “波動(dòng) “的，只要寬度合適，就不會(huì)出現(xiàn)多個(gè)亮點(diǎn)。就大多數(shù)光通信激光器的設(shè)計(jì)而言，InP 材料系統(tǒng)的波導(dǎo)寬度約為 2 μm，這是常見的單模限制結(jié)構(gòu)。既然是常見的，就不是唯一的。如果加寬空間限制結(jié)構(gòu)，就會(huì)出現(xiàn)多個(gè)橫向模式。這在早年的激光器中很常見。后來(lái)在光通信領(lǐng)域制造單模變得容易了，人們也就忘記了這一點(diǎn)。
近年來(lái)，因?yàn)樾枰岣咻敵龉β?，人們又開始討論加寬波導(dǎo)。例如，有用多模實(shí)現(xiàn) DFB+SOA 級(jí)聯(lián)，再用虛腰實(shí)現(xiàn)單模。而華為近幾年做的 5μm 寬激光器，本質(zhì)上也是多橫模，目的是為了提高輸出功率。再比如激光雷達(dá)領(lǐng)域的 TOF 方法，它更傾向于將高功率開戶送體驗(yàn)金無(wú)需申請(qǐng)到單模和多模上。它們不需要在光纖中傳輸，因此無(wú)需考慮這方面的問(wèn)題。下圖是一個(gè)多橫模激光器，其波導(dǎo)寬度被拉伸得非常寬，以實(shí)現(xiàn)邊緣發(fā)射。
用于激光雷達(dá)的邊緣發(fā)射多模激光器
總之，就邊緣發(fā)射激光器而言，光纖通信對(duì)單模有要求，單模是可以實(shí)現(xiàn)的。有些應(yīng)用場(chǎng)景有局部多模設(shè)計(jì)，我們需要額外的處理，重新恢復(fù)單模。這種行為本質(zhì)上是為了滿足光纖通信的需求。其背后的邏輯是，商用固體玻璃光纖的通信技術(shù)有一個(gè)最佳傳輸頻段。(中空纖芯光纖不受這個(gè)波段的影響，OFC2023 講述了中空纖芯光纖的進(jìn)展）。而滿足這一波長(zhǎng)范圍并能實(shí)現(xiàn)單模的材料只有 InGaAsP/InP，或 AlGaInAs/InP。這種材料體系無(wú)法在垂直腔面發(fā)射結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)單模輸出，甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)高可靠性的大規(guī)模工業(yè)制造。因此，人們不得不選擇邊緣發(fā)射這種不友好的光路輸出結(jié)構(gòu)。
波導(dǎo)結(jié)構(gòu)決定了是單模還是多模
表面發(fā)射非常便宜，理論上可以實(shí)現(xiàn)單模輸出，但業(yè)界無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、長(zhǎng)期、穩(wěn)定可靠的制造。這是由于該工藝流程中的溝槽蝕刻造成的。溝槽蝕刻是為了側(cè)面氧化，用于引導(dǎo)電流路徑。
VCSEL工藝流程
揭開表面那些密不透風(fēng)的涂層，你會(huì)看到一個(gè)蝕刻溝槽。該凹槽通過(guò)側(cè)面氧化形成內(nèi)部電流輸入并發(fā)光。如果將光結(jié)構(gòu)縮小到 1.xμm 的直徑，就可以在空間維度上將其限制為 “單?！?。但是，在這個(gè)孔中還有一個(gè) DBR 層，即諧振腔，需要控制光的反射和諧振后的干涉放大。DBR 層需要幾十層。島越小，越容易實(shí)現(xiàn)單模，但會(huì)給諧振腔的可靠性帶來(lái)隱患。在今年看到的 50G 和 100G VCSEL 中，約束孔的直徑約為 5~6μm。
單模或多模由波導(dǎo)結(jié)構(gòu)決定
上述眾多方法表明，VCSEL 理論上可以實(shí)現(xiàn)單模，而在目前的多模狀態(tài)下，也有很多輔助處理模式可以實(shí)現(xiàn)單模。然而，業(yè)界的期望是低成本和大規(guī)模制造，因此多模是業(yè)界的選擇。總之，在技術(shù)上，單?；蚨嗄Ｒ约安ㄩL(zhǎng)都是獨(dú)立設(shè)計(jì)的。橫向模式一般受到針孔衍射空間結(jié)構(gòu)的限制。波長(zhǎng)受增益層和諧振腔的共同影響，增益材料是主要原因。
在應(yīng)用方面，業(yè)界對(duì)波長(zhǎng)和模式都有要求。單模 InP 激光器，尤其是距離在 500 米以上/數(shù)千公里以內(nèi)的 InP 激光器具有性能優(yōu)勢(shì)，但是 InP 邊緣發(fā)射激光器不具備成本優(yōu)勢(shì)。多模 VCSEL 激光器雖然成本低，但性能卻不如單模激光器，其使用距離為 180 米，另外在波長(zhǎng)方面也沒有優(yōu)勢(shì)。
