这两天在酒店写字不方便，想起一个留言，问的是单模和多模对应什么波长？

这个留言很有意思，就是在光模块行业工作时间长了之后，默认多模对应850nm，或者是850nm、910nm波长。单模对应1260-1650nm波长，重点是1310nm波段附近以及1550nm波段附近的波长。

(资料图片仅供参考)

咱行业这几十年，互相沟通，要提高效率。不会天天做背景描述，但是呢，突然发现，1550nm也可以有多模激光器，1310nm也可以有多模激光器，这到底是咋对应的。其实850nm也可以做成单模激光器的。

留言，单模和多模对应什么波长？这句话，我再次把输入条件规范一下。

单模，咱行业指的是单横模，多模，咱行业指的是多横模。

波长，其实表述了纵模的特性，也可以分为单纵模和多纵模。也就是单波长或者多波长激光器。

这个波长，特指的是“被放大”的波长。

激光器的定义是指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。所以很多人也说激光器是“相干”光。

单模和多模对应什么波长？这个问题的描述，变为，（受激辐射）光放大器的单横模或多横模与纵模的输出范围，有什么对应关系？

答：理论上不存在对应关系，二者是两个维度的考虑，是正交的。1310nm波长既可以是单横模也可以是多横模，同样850nm、1550nm既可以设计为单横模也可以设计为多横模。

但是，实际产业的应用中，形成了特定的产业链，在某些特殊场景下具有最佳性价比。比如基于光纤通信的场景，850nm波长的多横模激光器具有低成本优势，基于1310nm或1550nm的单横模激光器具有光纤低色散/低损耗的优秀传输性能。

比如激光雷达行业，对于边发射的激光器，在TOF或调幅场景下无需考虑单横模的特性，可以制作多模EEL边发射长波长激光器，实现提高功率并降低用眼安全风险防范。

光有传输方向，沿传输方向的模式，是纵模，在激光器中是基于“时间干涉”形成的与频率相关的特性

垂直与传输方向的横截面的光场分布特点，是横模，在激光器中是基于“空间干涉”形成的一些分布特性。

做激光器设计的人，都知道，激光器的公式里有两个解，时空解，时间和空间。

横模是基于空间的能量分布，这是可以实打实看见的分布，一会儿细聊。纵模是基于时间的能量分布，时间我们是看不到的，光以光速做波动传输，这里头就有了波长、（光的）速度、波动时间以及路程的几个参数，波长的测量，无法用眼睛看到，需要用光谱仪来测试，光谱仪实际上是光频谱仪，光的频率x光的波长=真空光速C，C是常量。所以用频谱仪可以测试频率（比如~300THz，就是1.3μm波长，比如~200THz是1.5μm波长）可以推算波长。

我们所说的波长，在这个语境下，特指的是波长范围。

波长范围是增益材料的决定的，在这个范围内，选择特定的波长进行干涉，是谐振腔的作用。干涉可以起到放大的作用。

谐振腔，有个腔长的说法，对吧，DFB的光栅，VCSEL的光栅，都是“微小”的腔长。腔长和光的波动速度，可以推算出光的反射时间，基于时间的干涉，就是纵模。几个纵模在我们的表述语境中，重点不同。

今天的语境说的是波长范围，我们权且把增益物质放在重点阐述中。也就是增益物质材料，决定了激光器的波长（范围）

再次回到横模，单模多模在咱行业特指横模，也就空间的能量分布，光纤通信特别在乎是单模还是多模，激光雷达的TOF方式啥的对这个不怎么看中，一般不提，在FMCW里需要关注一点。去年的ECOC，激光雷达的分类，我写了的，收在PPT汇总里了。

有多个能量峰，就是多模，只有一个能量峰就是单模，空间的波动是可以用眼睛看到的，咱的激光笔照射到幕布上，能看到亮点，亮斑，这些斑斑点点的数量，就是横模模式的体现。

光模块里VCSEL是多模激光器，也就是有多个亮斑，VCSEL叫垂直腔面发射，这个垂直，面，都是指的晶圆的相对坐标。谐振腔是垂直于晶圆表面的，叫垂直腔。谐振腔的方向与激光器的输出方向有关，如果不做特殊处理的话，那就是决定了激光器的出光方向，可以实现垂直与晶圆表面的发射，既可以是表面发射，也可以是底面发射。

单模激光器一般用边发射，既可以是左边发射，也可以是右边发射，还可以两边同时发射。

对于边发射的话，同样（不做其他额外处理的话，）光的输出方向有横向谐振腔实现，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。

常见的两大类波导结构来限制单模

光的空间也是“波动”的，只要宽窄合适，就不会出现多个亮斑，站在大多数光通信激光器的设计思路而言，InP材料体系的波导宽度约2μm，是实现单模限制的常见结构。

既然说的是常见，那就是不是唯一，拉宽空间限制的结构，就会出现多横模，激光器早些年这是常见的。后来慢慢的在光通信上做单模不难了，就把这段经历淡忘了。

最近这几年，拉宽波导的事情又回来了，因为需要加大输出功率，比如Lumentum用多模做DFB+SOA的级联，再利用虚腰实现单模。比如华为这几年做的5μm宽度的激光器，本质上的模式是多横模，目的是增大输出功率，（陆续收录到PPT汇编里，之前是结构实现二次模式滤除，后来是优化效率，拓展应用领域，再后来做可靠性测试）

还有就是激光雷达领域TOF方式，在乎大功率，不在乎单模多模，他们不需要在光纤里传输，没有这份纠结。把波导宽度拉的很宽很宽，做边发射的多横模激光器。

总结一下，基于边发射激光器而言，光纤通信有单模的需求，也能实现，部分应用场景做了局部多模设计，也需要额外处理再次恢复成单模。本质上为了符合光纤通信的需求。

这个逻辑是这样的，（目前商用的实芯玻璃）光纤的通信技术，有一个最佳的传输波段，（空芯光纤不受这个波段的影响啊，OFC2023里还有空芯光纤的进展情况。），而满足这个波长范围的材料，且能实现单模的目前只有InGaAsP/InP，或者AlGaInAs/InP的可以选择。没办法，这个材料体系在垂直腔面发射的结构中，无法实现单模输出，甚至无法实现大规模的产业高可靠性制造。所以不得已才选择了边发射，这种不友好的光路输出结构。

面发射很便宜，且在理论上可以实现单模输出，只是产业里无法实现大规模长期稳定可靠的制造。

这是源于这个工艺流程中的凹槽刻蚀，刻蚀这个槽用来做侧面氧化的，侧面氧化是来引导电流路径的。

VCSEL激光器，环内的是光的输出孔径，（只举一个离子啊，VCSEL的结构也是千变万化的）

掀开那些表面气密涂层，会看到一个刻蚀凹槽，这个凹槽通过侧面氧化，形成内部电流输入，并激射出光，光的结构，如果被缩小的1.xμm直径，可以在空间上限制为“单模”

可但是，这个孔内同时还有DBR层，这是谐振腔，需要控制光的反射，并产生谐振后干涉放大，DBR层需要几十层，

孤岛越小，可以实现单模，但是会导致谐振腔的可靠性隐患。在今年看到的50G、100G的VCSEL里，限制孔的孔径大约在5~6μm左右。

当然，来避免这个孤岛导致的可靠性隐患，比如长瑞的悬梁结构，比如用内嵌辐轮结构，实现略微降低模式，且避免孤岛尺寸太小导致的风险，如Lumentum、Finisar（就是II VI、Coherent）、Broadcom的爪型，辐轮型电极等等。比如直接降低叠层厚度，反射不足的地方通过辅助其他的反射设计，HP，东京工业大学等结构，还有就是利用错台分布来实现等效的孔径降低，滤除高阶模，实现少模甚至单模，今年OFC就有单模VCSEL传输5km，之前几年有少模传输2.3km的研究。以前还写过把顶部的垂直光栅改为水平分布光栅，（当初的学术论文发表是单模，现在的产品销售是少模）

上边说了一大通的方式，也就是在理论上，VCSEL是可以单模的，并且目前的多模状态，也有很多辅助处理模式来实现单模，可是，但是，产业的期望的低沉本大规模的制造，多模是产业的选择。

在多的模式里，尽量选择数量少一些的，就是现如今50G VCSEL或者100G VCSEL的思路。想在各个温度，不同电流，以及不同的工作时间里，完全保持单模，产品压力很大。

总而言之，

技术上，单模多模和什么波长，二者是各自独立设计的，横模模式一般通过小孔衍射的空间结构来限定，波长由增益层和谐振腔共同作用，增益材料是主因。

从应用上，

光纤通信有波长和模式的需求，基于单模的InP激光器，有性能优势，500米以上几千公里以内的，这都是单模的菜，但是InP边发射激光器并不具备成本优势。基于多模的VCSEL激光器，主要是成本低，对于性能而言就不做苛刻要求了，传个百八十米的，凑合着用，同时对于波长和模式，就放宽要求了。

激光雷达对波长有要求，部分测试方案对（横模）模式没有要求，所以就出现了长波长的多模设计。

刚才提的光纤通信是目前主流的实芯玻璃光纤的通信，如果换做空芯光纤，对于模式有要求，但是对于波长的限制放宽了，这也就有了短波长的单模方案，比如1060nm的单模激光器，用GaAs材料体系做边发射。

编辑：黄飞