横模和纵模是针对芯片发光的两个维度来讲的；

 

横：横截面方向；

纵：垂直于横截面方向，即传播方向；

 

 

 

“横看成岭侧成峰”;

 

横向，即垂直于传播方向，探测到的是光强的分布，这个叫横模；

 

 

 

 

纵向，即沿着传播方向，探测到的是光的频率分布，这个叫纵模；

 

c=λf，c为光速是定值，对于任何一个频率f，都有唯一对应的波长λ；

 

光谱仪扫描测得的，是不同的波长对应的光功率：

横轴是波长；

纵轴是光功率；

 

 

 

从傅立叶视角来看：

横模表示的是芯片发光的空间位置信息，多种波长加总叠加的光斑沿XY坐标分布的光强度分布，即时域信息，这个可以用光斑分析仪测得；

 

纵模表示的是芯片发光的频域信息，即发光的波长成份，都有哪些波长，每种波长对应的光功率多大，这个可以用光谱仪测得；

 

横模可以通过控制芯片有源层的厚度和宽度，典型的有源层厚度为0.15um和宽度为10um，获得基模模式；

 

纵模则由芯片的谐振条件决定，与有源层的有效折射率和谐振腔的结构有关，亦受到自发发射因子、注入电流、温度、谐振腔的腔长等条件的限制，因此保证纵模的单模输出，远比横模复杂。

 

对纵模的控制，有个参数SMSR，其值 =10 lg(Pmax/P2nd max)；

SMSR：Side-Mode Supression Ratio；

中文：边模抑制比；

边模（亦称次模（次要的纵模）），是指除了主模（光功率最强的主要的纵模），因而顾名思义，保证单纵模输出的原理是抑制次模的光功率，而保证主模光功率输出的方法；

 

典型的多纵模激光器，如FP激光器只能做到SMSR>15dB，意即次模的光功率抑制到最佳状态时也占主模光功率的3.16%，次模相比主模，无法被忽视；

 

于是在FP激光器基础上，在谐振腔中加入了光栅，光栅可以看成是频率选择器，即选频，于是就形成了单纵模DFB激光器；

 

 

 

DFB激光器能做到边模抑制比SMSR>30dB，意即次模的光功率均占主模光功率的1/1000以下；

 

实际的芯片规格书里：

FP激光器都没有SMSR这项规格，因为没必要；

 

DFB激光器里有SMSR这项规格，大都是SMSR>30dB；

不同的是，有的全温域-40~85℃都能保证SMSR>30dB，有的则是25℃才能保证SMSR>30dB；

 

小熊实际测量中，发现三菱Mitsubishi，某些DFB规格书里SMSR>35dB@-40~85℃，实测值能达到SMSR>50dB@-40~85℃；

 

 

 

 

ITU-T G.957建议书对谱宽的定义：

FP激光器，峰值波长下降20dB处的全谱线宽度（各纵模均加入了计算）：

DFB激光器，中心波长下降20dB处的谱线宽度（仅计算主模）：

 

 

 

ITU-T G957d的这个建议，可以这样理解：

对FP用-20dB的方法来计算，因FP对次模的抑制能力小于15dB，所以会有部分纵模参与，其计算的谱宽也会远大于DFB的，因此干脆使用各模的包络RMS算法更为精确；

 

而DFB对次模的抑制高达30dB，所以用-20dB的算法相当于是把次模都忽略掉，只算主模；

 

对于DFB的单纵模输出，影响因素有：

 

1. 自发发射因子

与激光的“受激辐射”不同，普通光由物质的分子、原子等以自发发射的方式产生；

 

自发发射因子由半导体的能带结构决定，定义为谐振腔中每一模的自发发射速率与总的自发发射速率之比值；

 

自发发射因子与纵模谱的关系：

 

 

 

2. 注入电流

在低于芯片的阈值电流Ith时，纵模谱的包络和自发辐射谱是一样的，但当高于Ith后，由于模式竞争，纵模包络变窄；

 

随着注入电流的增加，激光的能量向主模转移，次模的光功率逐渐饱和，继续增加电流，则主模光功率迅速增加，这就是通过次模的饱和来达到“边模抑制比”的；

 

 

3. 谐振腔的腔长

纵模的间隔，随着腔长的变短而增大；

 

 

 

当腔长短到一定程度时，除主模外，其他模已不在增益谱的范围内，无法获得增益，便只有主模能输出了；

 

VCSEL激光器便是运用这个原理，把谐振腔做到短于50um而实现单纵模输出；

 

当然，标准的DFB激光器的谐振腔腔长为250um，其运用的是光栅选频的原理获得单模输出，在有源区引入1/4λ的相移，使得增益波长形成的驻波达到谐振条件，从而产生单模输出；

 

 

 

早期的光栅是直接把周期折射率光栅直接做在有源层，阈值电流Ith会比较大，目前大都是将光栅制作在与有源层相邻的波导上，可以获得低的阈值电流Ith，同时1/4λ的相移区偏离有源层而靠近输出端，可使得输出光功率增大，且单纵模的重复性更好。

 

 

 

4. 温度

增益峰值波长是随温度变化的；

 

温度变化会导致主模和次模的增益差减小，使得次模饱和光功率提高，为了得到单纵模，只能加大注入电流，使得次模尽快饱和，然而加大电流的注入又导致芯片的结温升高...恶性循环，阻碍着单纵模的输出，所以激光器芯片的散热是件很重要的事情。

 

单纵模输出的原理是抑制次模，增大电流使得次模饱和后，电流被注入到主模进行光功率的增加，但并非在此基础上继续增加电流，可以持续增加主模光功率，而是只能一定范围内的；

 

因为随着主模光功率的增加，其在谐振腔内形成了稳定的驻波，但随之而来的是驻波的峰值对载流子的消耗比周围区域快，从而使得驻波峰值处的增益下降，通过周围载流子的扩散再提高增益，如此循环，此驻波峰值对载流子的消耗称为“空间烧洞”。

 

 

 

 

有些激光器芯片的规格书中，会明确写出增益峰值波长随温度的变化值：

 

eg.温度每升高1℃，峰值波长漂移0.09nm；

 

 

以上情况，是针对直流偏置下的稳定情况，在芯片规格内的调制速率下不会导致SMSR的下降；

 

但有小伙伴做了有意思的实验：用2.5Gbps的DFB激光器，进行10Gbps速率的调制，发生了SMSR下降的现象；

 

小熊的理解，高速直接调制时，振幅变化的同时，载流子浓度随时间的变化亦会产生相位的变化，引起增益峰值波长的漂移，从而导致SMSR的下降。