激光器中单一横向模式的实现

通常对于光通信用的激光器，波导设计用来实现单一横向模式。通过调节包覆层周围区域的厚度、脊型波导器件中脊形的刻蚀深度等，从而得到单模器件。对于激光器的重要性体现在以下几方面：

1） 模式形状会控制器件的远场图案。

如上图，不做脊型波导设计的a芯片和窄脊型波导芯片b。远场图案对相干光源而言，实质就是近场图案（器件中模式形状）的傅里叶变换。

单模的远场图案对于脊形波导器件是一个适中的30°发散角的较远的光束，大面积器件的远场图案则拉的很长，面内发射几度，面外非常发射。对于后期耦合到光纤是是非困难的。

2）激光器需要单模的第二个原因：器件实现真正单波长非常必要。DFB激光是使用周期光栅制备单模激光器，这是基于有效折射率来反射单一波长，不同横向模式具有不同的有效折射率，因此具有DFB光栅的多模波导可以有一个以上的波长输出。

现实中，介质波导只是半导体激光器实际波导的简单一阶模型。激光器的波导区域也是增益区域，所以折射率具有与增益相关联的复数部分（或者说无电流时的损耗分量）。

光学模式成为“增益导向”以及折射率导向，而不需要真正精确的光学截止设计，这种增益导向的趋势是偏向单一模式的传播。实践中，根据折射率分布计算的远场和模式结构细节，可能与制造器件的测量值有显著不同。

作为波导， 半导体激光器将同时支持TE和TM模式，TE是横向电场，TM是横向磁场。但是在半导体量子阱激光器中，发射的光主要是TE极化。这是基于腔面处，TE和TM模式的反射系数不同，而且大多数激光器都本征的高度极化。

对于TE和TM模式，只有某些离散的角度可以成为导引模式，从而沿波导传播。就像标准具的中的光，必须经过相长干涉来使标准具支持某个特定波长一样，波导中的光也必须经过相长干涉，让特定“模式”得以存在，对应于特定的入射角。

在波导的分析中，典型的做法是固定波长，而自然选择其传播的角度，理由是一样的，假设腔体中的平面波源自底部边缘上的所有点，如果往返行程不是波长的整数倍的话，相消干涉将最终导致该光波消失。

允许模式的定义是，两个等效点之间的净相位差是2π的整数倍。

审核编辑：汤梓红