长期从事光模块行业，我们理所当然地认为多模对应nm，或者nm、nm波长。单模对应的波长为-nm，特别是nm波段附近和nm波段附近的波长。

光通信行业已经发展了几十年，行业内的人在沟通的时候需要提高效率，所以我们就不每天重复常识了。然而，我们偶然知道有波长为nm的多模激光器，也有波长为nm的多模激光器。这是怎么发生的？其实nm也可以做成单模激光器。

业内所说的单模是指单横模，多模是指多横模。波长实际上表达了纵模的特性，可以分为单纵模和多纵模。即单波长或多波长激光器。该波长特指“放大”波长。激光器是基于干涉放大原理的光学放大器。很多人说激光发出“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：理论上不存在对应关系。出于二维考虑，两者是正交的。nm激光器可以是单横模或多横模。同样，nm和nm激光器可以设计为单横模或多横模。

但我们应该考虑到，在实际应用中已经形成了特定的产业链，在一些特殊场景下具有最佳的性价比。例如，在基于光纤通信的场景中，波长为nm的多横模激光器具有低成本优势，而基于nm或nm的单横模激光器则具有低色散/低色散的优异传输性能。光纤中的损耗。

例如，在激光雷达行业，对于边发射激光器，无需考虑TOF或AM场景下单横模的特性。可以制造多模EEL边缘发射长波长激光器，以提高功率并降低眼睛安全风险。光具有传输方向，沿传输方向的模式为纵模，这是激光中基于“时间干涉”的频率相关特性。

激光的光传输方向

垂直于传输方向的截面的光场分布是横模，它是基于激光器中“空间干涉”形成的一些分布特性。

设计过激光器的人都知道，激光公式中有两种解——时间解和空间解。

激光的时空维度

横模基于空间的能量分布。这是现实生活中可以看到的分布，我们稍后再讲。纵模是基于时间的能量分布，光以光速传播，有波长、（光）速度、波动时间和距离等几个参数。波长是肉眼无法看到的，所以需要用光谱仪来测试，光谱仪实际上就是光学光谱仪。光的频率×光的波长=真空中的光速C，其中C是常数。因此，可以用频谱分析仪测试频率（例如~THz对应1.3μm波长，~THz对应1.5μm波长）并计算出波长。

光的传播就是波的传播

在本文中，我们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。在此范围内，选择特定波长进行干涉是谐振腔的功能。干扰可以起到放大作用。

谐振腔具有腔长度。DFB和VCSEL的光栅都是“微小”腔长。腔长和光的波速可以计算出光的反射时间，基于时间的干涉就是纵模。这些纵向模型在我们的背景下有不同的侧重点。

谐振腔和增益制作在一起，是光收发器中大多数激光器的选择，如VCSEL、DFB、EML等芯片。谐振器（用于干涉放大的腔）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体系，例如VCSEL的GaAs材料体系、DFB的InP材料体系等。

谐振腔和增益材料采用不同的系统，例如增益采用GaAs系统，谐振腔采用硅系统。这是华为在硅衬底上外延砷化镓并在OFC中制作InAs量子点的工艺，或者是惠普的硅基量子点激光器。使用InP作为增益、使用硅作为谐振器的是英特尔的硅基集成激光器。增益材料：决定波长范围。当谐振腔和增益材料独立制作时，我们就有了外腔激光器，即“独立于增益部分”的谐振腔组成的激光器。

再次回到横模，单模和多模在业界特指横模，即能量在空间上的分布。单模和多模在光纤通信中很重要，而激光雷达的TOF方法则不然。当有多个能量峰时，即为多模，只有一个能量峰时，即为单模。空间波动是用眼睛可以看到的，当我们的激光笔照射在屏幕上时，我们可以看到亮点的分布，这就是横模的体现。

激光光斑分布的横向模式

光模块中的VCSEL是多模激光器，也就是说有多个亮点。VCSEL全称为垂直腔面发射激光器。垂直腔面是指晶圆的相对坐标。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，它决定了激光器的光输出方向，无需特殊处理。可以实现垂直于晶圆表面的发射，可以是表面发射或底部发射。

单模激光器一般从侧面发射，可以从左侧或右侧发射，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，无需其他附加处理，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类型

光的空间也在“波动”。只要宽度合适，就不会有多重亮点。对于大多数光通信激光器的设计，InP材料系统的波导宽度约为2μm，这是单模限制的常见结构。

既然很常见，那就不是唯一的。如果加宽空间有限的结构，就会出现多种横模。这在早年的激光器中很常见。后来光通信中单模的制造变得很容易，人们就忘记了它。

近年来，人们又在谈论加宽波导，因为需要提高输出功率。例如FiberMall采用多模实现DFB+SOA级联，然后采用虚拟腰实现单模。而华为近年来做的5μm宽度激光器本质上是多横模，目的是提高输出功率。再比如激光雷达领域的TOF方法，相对于单模和多模，它更喜欢考虑高功率。它们不需要通过光纤传输，所以不需要考虑这方面的问题。下图是一个多横模激光器，波导宽度拉得很宽，以进行边缘发射。

用于激光雷达的边发射多模激光器

综上所述，就边发射激光器而言，光纤通信对单模有要求，这是可以实现的。有些应用场景有局部多模设计，我们需要额外的处理才能再次恢复单模。此举本质上是为了满足光纤通信的需要。

其背后的逻辑是，商用实心玻璃光纤的通信技术存在一个最佳传输频段。（空心光纤不受这个波段的影响，OFC讲述了空心光纤的进展。）而满足这个波长范围并能实现单模的材料只有InGaAsP/InP，或者AlGaInAs/InP。该材料体系无法在垂直腔面发射的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，这是一种不友好的光路输出结构。

波导结构决定是单模还是多模

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。刻蚀凹槽进行侧面氧化，用于引导电流路径。

VCSEL工艺流程

揭掉表面那些不透气的涂层，你会看到一条蚀刻的凹槽。这个凹槽通过侧面氧化，形成内部电流输入并发光。如果将光结构的直径缩小到1.xμm，则可以将其在空间维度上限制为“单模”。不过这个孔里还有一个DBR层，即谐振腔，谐振后需要控制光的反射和干涉放大。DBR层需要几十层。岛越小，越有可能实现单模，但会导致谐振腔的可靠性存在隐患。在今年看到的50G和GVCSEL中，限制孔的直径约为5~6μm。

单模或多模由波导结构决定

上面提到的众多方法表明，VCSEL理论上可以是单模，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。

目前人们更愿意选择50GVCSEL或GVCSEL。如果我们想在各种温度、不同电流、不同工作时间下保持单一模式，我们将面临产品的高压。

总而言之，技术上单模或多模、波长都是独立设计的。横模通常受到针孔衍射的空间结构的限制。波长受增益层和谐振腔共同影响，其中增益材料是主要原因。

在应用方面，业界有波长和模式的要求。单模InP激光器，尤其是米以上、数千公里以内的距离具有性能优势，但InP边发射激光器不具备成本优势。多模VCSEL激光器成本低，但性能比单模激光器差。其使用距离可达米。它在波长上也没有优势。

激光雷达对波长有要求，而有些测试方案对横模没有要求，因此出现了长波长多模设计。刚才我们提到的是主流实芯玻璃光纤的通信。对于空心光纤来说，对模式有要求，但对波长限制较少，所以出现了短波长单模解决方案，例如nm单模激光器，采用GaAs材料边缘发射系统。