Teoreticky je laser s úzkou šírkou čiary s jednou frekvenciou, tj jeden priečny režim, jeden pozdĺžny režim, ktorý zodpovedá jedinému spektrálnemu laserovému výstupu vo frekvenčnej doméne generovanému iba koherentným stimulovaným žiarením, vzostupom a pádom vnútrodutinového nosiča, optickou fázou a fotónom. hustoty sú v stabilnom stave, s nízkou relatívnou intenzitou šumu a nízkofrekvenčným šumom atď., a zároveň má vlnová dĺžka budenia veľmi vysoký pomer potlačenia bočného režimu.
V praxi sa však v dôsledku spontánneho žiarenia, ktoré nie je možné eliminovať v aktívnej oblasti, v režime excitovaného žiarenia zavedú efekty fázové a intenzity narušenia, vďaka čomu je frekvencia výstupného signálu lasera vždy gaussovský biely šum, čo vedie k vnútornému Lorentzovmu líniové rozšírenie frekvenčného spektra jediného lasera a určitá šírka obálky spektra a kolísanie tohto kvantového šumu určuje spodnú hranicu šírky laserovej čiary. Toto malé kolísanie je ľahko maskované väčšími fluktuáciami spôsobenými mechanickými/akustickými zmenami alebo tepelnými zmenami vo vonkajšom prostredí, čo vedie k pokračujúcemu rozširovaniu šírky laserovej čiary a tieto klasické šumové efekty určujú hornú hranicu šírky laserovej čiary. Šírka čiary opisuje frekvenčný alebo fázový šum z hľadiska frekvenčnej domény a užšia šírka čiary znamená nižšiu frekvenciu lasera alebo fázový šum.
Šírka čiary pozitívne koreluje s koeficientom spontánneho žiarenia lasera a faktorom šírky čiary; a negatívne koreluje s dĺžkou rezonančnej dutiny lasera a výstupným výkonom. Čím väčšia je dĺžka dutiny lasera, tým menšia je strata v dutine, čím vyššia je koncová odrazivosť, tým dlhšia je životnosť fotónu; čím vyšší je výstupný výkon, tým nižší je podiel spontánneho žiarenia. Zväčšenie dĺžky dutiny a výkonu je preto účinným spôsobom stlačenia šírky laserovej čiary s jedným pozdĺžnym režimom.
Základným predpokladom laserového výstupu s úzkou šírkou čiary je dosiahnuť výstup s jedným pozdĺžnym režimom, polovodičové lasery s úzkou šírkou čiary sú zvyčajne integrované do štruktúry výberu frekvencie rezonančnej dutiny alebo spojené so zariadením na výber režimu mimo dutiny, aby sa zabezpečila optická spätná väzba na špecifickej frekvencii. , keď je šírka priepustného pásma zariadenia na výber frekvencie menšia ako 2-násobok rozstupu pozdĺžnych režimov, môžete efektívne riadiť zisk a stratu rôznych pozdĺžnych režimov, aby ste zabezpečili, že šírka pásma zisku lasera v rámci efektívneho zisku iba jedného pozdĺžneho excitácia sa dosiahne iba pre jeden pozdĺžny režim v rámci efektívnej šírky pásma zosilnenia lasera.
Podľa rôznych štruktúr výberu frekvencie rozmiestnených vo vnútri a mimo aktívnej dutiny sa polovodičové lasery s úzkou šírkou čiary vo všeobecnosti kategorizujú na lasery typu spätnej väzby s vnútornou dutinou a lasery typu spätnej väzby s vonkajšou dutinou.
Polovodičové lasery s úzkou šírkou spätnej väzby s vnútornou dutinou zvyčajne integrujú Braggove mriežky alebo špeciálne vlnovodné štruktúry vo vnútri aktívnej dutiny, ako sú polovodičové lasery s distribuovanou spätnou väzbou (DFB), polovodičové lasery s distribuovaným Braggovým odrazom (DBR) a polovodičové lasery s prepojenou dutinou. DFB, DBR a polovodičové lasery s prepojenou dutinou. Dopovanie vrstvy vlnovodu v dlhých aktívnych dutinách vedie k dramatickému zvýšeniu optickej straty, čo obmedzuje výkon lasera, obmedzuje zväčšenie dĺžky aktívnej dutiny a vedie k obmedzenej kompresii šírky lasera. Typické lasery DFB a DBR zvyčajne používajú ako rezonančné dutiny rovnomernú alebo distribuovanú spätnú väzbu Braggových mriežkových štruktúr s fázovými posunmi, s veľkosťou čipu obmedzenou na rádovo sto mikrónov, malými faktormi kvality pre rezonančné dutiny, nízkym výstupným výkonom a šírkami laserových čiar v rozsah od niekoľkých MHz do desiatok MHz.
Externý Cavity Diode Laser (ECDL) je rozdelený na dve časti, tj aktívnu vnútornú dutinu poskytujúcu zosilnenie a pasívnu vonkajšiu dutinu poskytujúcu spätnú väzbu. Svetlo vyžarované z aktívneho zosilňovacieho média sa po prechode cez nízkostratové pasívne externé médium privádza späť do zosilňovacieho média, zatiaľ čo zavedenie nízkostratovej pasívnej externej dutiny zvyšuje životnosť fotónov systému, čím sa zužuje šírka vedenia. Je potrebné poznamenať, že vonkajšia dutina polovodičového lasera s úzkou šírkou čiary je široký pojem v užšom zmysle slova iba vtedy, keď aktívna dutina pre nerezonančnú dutinu, známa ako štruktúra vonkajšej dutiny, ako je reflexný polovodičový optický zosilňovač (Reflective Semiconductor Optický zosilňovač (RSOA) predný povrch vyrobený z reflexnej fólie, zadný povrch z výroby membrány s vysokou priepustnosťou (odrazivosť koncového čela je všeobecne 10-3 ~10-5).
Keďže optická spätná väzba zadnej strany je príliš malá, dutina nemôže vytvárať optickú osciláciu, takže iba mimo dutiny poskytuje dostatočne vysokú optickú spätnú väzbu, takže optický zisk v spiatočnej ceste laserového svetla vo vnútri dutiny je vyšší. ako je optická strata, aby sa vytvorila excitácia; ďalšou situáciou je aktívna dutina pre nezávislé budenie lasera, známa ako samoinjekčná štruktúra, výber špecifickej vlnovej dĺžky pozdĺžneho režimu vstrekovaného do lasera, výsledkom čoho je pozdĺžny režim v režime súťaže v priorite rezonancia, saturácia priority sa dosiahne, čo spôsobí zníženie profilu zisku v aktívnej oblasti. Obe sú však „uzamknuté“ na výstupnú frekvenciu rezonančnej dutiny predĺžením dĺžky dutiny lasera a vstreknutím zvolenej frekvencie lasera do rezonančnej dutiny cez úzkopásmový spätnoväzbový prvok a základná myšlienka získania užšej šírky čiary je rovnaká v oba prípady.
Planar Light Waveguide Chip (PLC) je dôležitou aplikáciou technológie fotonickej integrácie, ktorá poskytuje diverzifikovanejšie a flexibilnejšie možnosti pre úzkopásmové filtrovanie a zariadenia s optickou spätnou väzbou v polovodičových laseroch so spätnou väzbou s vonkajšou dutinou. Výrobou vlnovodov, mriežok alebo mikrokrúžkových štruktúr na materiáloch na báze kremíka s nízkou optickou stratou, ako je kremík na izolátore (SOI), oxid kremičitý (SiO2) alebo nitrid kremíka (Si3N4), a ich následným spojením a integráciou s III- V čipoch so ziskom polovodičov, RSOA alebo DFB prostredníctvom bodových snímačov alebo mikrošošoviek, PLC môžu zlepšiť fotonickú hustotu fotónu vo vnútri dutiny pri zohľadnení hustoty dutiny. Spojenie a integrácia s čipom III-V polovodičového gaineru, RSOA alebo DFB prostredníctvom bodového konvertora režimu alebo mikrošošoviek môže zlepšiť životnosť fotónov a stlačiť šírku laserovej čiary pri zohľadnení hustoty fotónov v dutine. Okrem toho je možné vytvoriť kvázi monolitickú štruktúru pripevnením oboch na rovnaký chladič pomocou procesu spájania, čo pomáha znížiť veľkosť a náklady na zariadenie.
Skupina pána Changa Lina na Pekingskej univerzite zrealizovala hybridný integrovaný laser s úzkou šírkou čiary s ultra-úzkou čiarou, pričom aktívnou časťou je laser DFB, pasívnou filtračnou časťou je mikrokrúžok Si3N4 s faktorom kvality 2,6 × 1{{ 8}} 8 a nízkolimitná štruktúra vlnovodu z nitridu kremíka znížila stratu optického prenosu na 0,1 dB/m, čo v konečnom dôsledku realizuje výstup šírky linky v Hz.
