单模激光器和多模激光器对应什么波长

引言

理解这些模式的物理基础有助于阐明它们的独立性。光沿特定的传输方向传播，沿这个方向的模式就是纵模，纵模代表基于激光腔内时间干涉的频率相关特性。垂直于传输方向的截面中的光场分布构成横模，由激光器内的空间干涉图样形成。任何熟悉激光器设计的人都知道，激光方程有两个基本解：一个是时间解，一个是空间解。

图3：波长作为波传输的参数，如何与正在被放大的纵模相关。

横模反映了空间中的能量分布，这是一种在实际应用中可以直观观察到的分布。纵模代表基于时间的能量分布，由于光以恒定速度传播，几个参数变得相关：波长、光速、振荡时间和距离。波长本身无法用肉眼直接观察，需要用光谱仪进行测试，光谱仪本质上是一种光学频谱分析仪。频率和波长之间的基本关系遵循方程：光的频率乘以光的波长等于真空中的光速，其中光速是常数。因此，可以用频谱分析仪测量频率，大约300太赫兹对应1.3微米波长，大约200太赫兹对应1.5微米波长，从而可以计算出波长。

图4：放大的波长如何呈现为由增益材料决定的范围，谐振腔选择特定波长进行放大。

在这个语境下讨论波长时，具体指的是波长范围而不是单一精确值。波长范围由增益材料特性决定。在这个范围内，选择特定波长进行干涉放大是谐振腔的功能，干涉产生放大效应。

谐振腔具有特定的腔长，分布反馈激光器和垂直腔面发射激光器中使用的光栅都代表微小的腔长。腔长结合光的波速可以计算光的反射时间，这种基于时间的干涉定义了纵模。在实际激光器设计中，谐振腔与增益材料结合有两种主要方法。

第一种方法是将谐振腔和增益材料集成在一起，这是光收发器中大多数激光器的设计选择，包括垂直腔面发射激光器、分布反馈激光器和电吸收调制激光器。在这些设计中，谐振器决定哪些波长被放大。谐振腔和增益材料使用相同的材料系统，例如垂直腔面发射激光器使用砷化镓系统，分布反馈激光器使用磷化铟系统。

第二种方法是谐振腔和增益材料采用不同的系统。例如，砷化镓可以提供增益，而硅形成谐振腔。这是华为在2023年光纤通信会议上展示的方法，在硅衬底上外延生长砷化镓并制作砷化铟量子点。类似地，使用磷化铟作为增益、硅作为谐振器代表了英特尔的硅基集成激光器方法。增益材料从根本上决定了波长范围，当谐振器和增益材料独立生产时，就有了外腔激光器，其中谐振器独立于增益部分工作。

回到横模，单模和多模在业内具体指的是横模，表示空间中的能量分布。这种区别在光纤通信中意义重大，但对于飞行时间激光雷达方法来说不那么关键。当空间分布中存在多个能量峰时，激光器是多模的，而单个能量峰表示单模工作。这些空间变化实际上可以直观观察到。当激光指示器照射在屏幕上时，亮点的分布直接展示了横模特性。

图5：比较了显示多个亮点的多（横）模激光器输出和显示集中单点的单（横）模激光器输出。

光收发器中使用的垂直腔面发射激光器是多模激光器，意味着输出图样中产生多个亮点。"垂直腔面发射激光器"这个名称是指相对于晶圆的坐标。谐振腔垂直于晶圆表面，因此称为垂直腔。谐振器方向与激光器输出方向相关，在没有特殊处理的情况下决定光输出方向。这种设计实现了垂直于晶圆表面的发射，可以是表面发射或底部发射。

单模激光器通常从侧面发射，可以从左侧或右侧发射，或同时从两侧发射。对于边发射设计，输出方向由横向谐振腔实现，无需额外处理。输出波长范围由增益材料决定，而横向光斑图样由输出波导的空间结构决定。

图6：脊形波导结构和掩埋异质结构，这是在光通信激光器中实现单模限制的两种标准方法。

光的空间特性也表现出波动行为。当波导宽度设计得当时，不会出现多个亮点。在大多数光通信激光器设计中，磷化铟材料系统的波导宽度约为2微米，这是单模限制的常见结构。然而，这种常见设计并不是唯一的可能性。如果空间限制结构变宽，就会出现多个横模。这在早期激光器设计中实际上很常见，但随着光通信中单模制造变得更容易，这种方法基本上被遗忘了。

近年来，人们对加宽波导重新产生了兴趣，因为需要增加输出功率。例如，一些公司使用多模设计来实现分布反馈激光器与半导体光放大器的级联，然后使用虚拟腰部技术恢复单模工作。华为近年来开发的5微米宽度激光器本质上是多横模设计，具体目的是增加输出功率。

图7：具有非常宽波导结构的多横模激光器，设计用于激光雷达应用中的边发射。

激光雷达应用中的飞行时间方法优先考虑高功率而不是单模或多模特性。由于这些系统不需要通过光纤传输，横模考虑变得不那么重要。对于光纤通信中的边发射激光器，确实需要单模工作，这可以可靠地实现。一些应用场景采用局部多模设计，但需要额外处理来恢复单模工作。这种额外的努力从根本上是为了满足光纤通信的要求。

基本逻辑与商用实芯玻璃光纤通信技术的最佳传输波段有关。需要注意的是，空芯光纤不受这些波段限制的影响，最近的会议报告了空芯光纤开发的进展。满足所需波长范围同时实现单模工作的材料仅限于磷化铟衬底上的磷砷化铟镓，或磷化铟衬底上的铝镓铟砷。这些材料系统无法在垂直腔面发射结构中实现单模输出，甚至无法实现具有高可靠性的大规模工业制造。因此，设计人员必须选择边发射，这代表了一种不太方便的光路输出结构。

图8：输出波长如何由增益材料（主要决定因素）决定以及谐振器如何辅助这一决定，而波导结构决定单模与多模特性。

表面发射具有显著的成本优势，理论上可以实现单模输出，但行业无法实现大规模、长期、稳定和可靠的制造。这种限制源于工艺流程中需要的沟槽刻蚀。沟槽被刻蚀以实现侧面氧化，侧面氧化引导光发射的电流路径。

图9：完整的垂直腔面发射激光器制造过程，从外延晶圆到电极注入、沟槽刻蚀、侧向氧化、钝化和最终电极提取。

当表面的保护涂层被去除时，刻蚀的沟槽变得可见。这个沟槽通过侧壁进行氧化，形成内部电流限制结构，使光发射成为可能。如果发光结构减小到直径约1微米，可以在空间维度上限制为单模。然而，这个结构中也存在分布布拉格反射层，形成谐振腔，必须控制光反射并在谐振后实现干涉放大。分布布拉格反射层需要几十层交替层。虽然较小的孔径尺寸增加了实现单模工作的可能性，但也给谐振腔的可靠性带来了担忧。在最近开发的50吉比特和100吉比特垂直腔面发射激光器中，限制孔径直径约为5到6微米。

图10：垂直腔面发射激光器的横截面图展示了输出波长和波导结构如何共同工作，结构决定是实现单模还是多模工作。

讨论的各种方法表明，垂直腔面发射激光器理论上可以在单模下工作，即使在当前的多模状态下，也存在辅助处理方法来实现单模工作。然而，行业期望集中在低成本和大规模制造上，使得多模成为行业的首选。当前偏好50吉比特或100吉比特垂直腔面发射激光器。在各种温度、不同驱动电流和延长的工作时间内保持单模工作将带来重大的产品开发挑战。

总结技术方面，单模或多模工作和波长是独立设计的参数。横模通常通过孔径衍射原理由空间结构限制。波长受增益层和谐振腔的共同影响，增益材料是主要决定因素。从应用角度来看，不同行业有特定的波长和模式要求。

单模磷化铟激光器，特别是设计用于500米以上距离并延伸到数千公里的激光器，提供了显著的性能优势，但磷化铟边发射激光器缺乏成本优势。多模垂直腔面发射激光器系统成本低，但与单模替代方案相比性能较差。适用于最多180米的距离，但缺乏波长优势。

激光雷达应用有特定的波长要求，而一些测试方案对横模没有要求，导致出现了长波长多模设计。讨论的考虑因素主要适用于主流实芯玻璃光纤通信。当考虑空芯光纤时，对模式控制有要求，但对波长的限制较少，使得短波长单模解决方案可行，例如使用砷化镓材料系统进行边发射的1060纳米单模激光器。这些不同的应用展示了模式类型和波长的根本独立性如何允许针对不同行业和技术的特定用例进行优化。

参考文献