Teoretiskt sett är lasern med smal linjebredd en enkel frekvens, dvs enkel transversell mod, enkel longitudinell mod, motsvarande en enda spektral laserutgång i frekvensdomänen genererad endast av koherent stimulerad strålning, intrakavitetsbärares stigning och fall, den optiska fasen och fotonen densiteten är i ett stabilt tillstånd, med låg relativ intensitet brus och lågfrekvent brus, etc., och samtidigt har excitationsvåglängden ett mycket högt sidolägesundertryckningsförhållande.
Men i praktiken, på grund av den spontana strålningen som inte kan elimineras i det aktiva området, introduceras fas- och intensitetsstörningseffekterna i det exciterade strålningsläget, vilket gör att laserutgångssignalens frekvens alltid är Gaussiskt vitt brus, vilket leder till en inneboende Lorentzian linjetypsbreddning av det enkla laserfrekvensspektrumet och en viss bredd av enveloppen på spektrumet, och fluktuationen av detta kvantbrus bestämmer den nedre gränsen för laserns linjebredd. Denna lilla fluktuation maskeras lätt av större fluktuationer orsakade av mekaniska/akustiska förändringar eller termiska förändringar i den yttre miljön, vilket resulterar i fortsatt breddning av laserns linjebredd, och dessa klassiska bruseffekter bestämmer den övre gränsen för laserns linjebredd. Linjebredd beskriver frekvensen eller fasbruset ur ett frekvensdomänperspektiv, och en smalare linjebredd betyder lägre laserfrekvens eller fasbrus.
Linjebredden är positivt korrelerad med laserns spontana strålningskoefficient och linjebreddsspridningsfaktor; och negativt korrelerad med laserns resonanshålighetslängd och uteffekt. Ju längre kavitetslängd lasern har, desto mindre intrakavitetsförlust, desto högre slutreflektivitet, desto längre livslängd för foton; ju högre uteffekt, desto lägre andel spontan strålning. Att öka kavitetslängden och kraften är därför ett effektivt sätt att komprimera laserlinjebredden för en enda longitudinell mod.
Den grundläggande förutsättningen för laserutdata med smal linjebredd är att uppnå en enda longitudinell modutgång, halvledarlasrar med smal linjebredd är vanligtvis integrerade i resonanshålighetens frekvensvalstruktur eller kopplade till modväljarenheten utanför kaviteten för att ge optisk återkoppling på en specifik frekvens , när passbandsbredden för frekvensvalsanordningen är mindre än 2 gånger det longitudinella lägesavståndet, kan du effektivt kontrollera förstärkningen och förlusten av de olika longitudinella lägena, för att säkerställa att laserförstärkningens bandbredd ligger inom den effektiva förstärkningen av endast en enda longitudinell mode Exciteringen erhålls endast för en enda longitudinell mod inom laserns effektiva förstärkningsbandbredd.
Enligt de olika frekvensvalsstrukturerna fördelade inuti och utanför den aktiva kaviteten, kategoriseras halvledarlasrar med smal linjebredd i allmänhet i återkopplingstyp av intern kavitet och återkopplingstyp av extern kavitet.
Halvledarlasrar med smal linjebredd integrerar vanligtvis Bragg-gitter eller speciella vågledarstrukturer inuti den aktiva kaviteten, såsom Distributed Feedback (DFB) halvledarlasrar, Distributed Bragg Reflector (DBR) halvledarlasrar och kopplade kavitetshalvledarlasrar. DFB-, DBR- och halvledarlasrar med kopplade kaviteter. Doping av vågledarskiktet i långa aktiva kaviteter leder till en dramatisk ökning av optisk förlust, vilket begränsar lasereffekten, begränsar ökningen av aktiv kavitetslängd och leder till begränsad laserlinjebreddskompression. Typiska DFB- och DBR-lasrar använder vanligtvis enhetliga eller distribuerade återkopplings-Bragg-gitterstrukturer med fasförskjutningar som resonantkaviteter, med chipstorlekar begränsade till storleksordningen hundra mikron, små kvalitetsfaktorer för resonanskaviteterna, låga uteffekter och laserlinjebredder i intervall på några få MHz till tiotals MHz.
External Cavity Diode Laser (ECDL) är uppdelad i två delar, dvs aktiv intern kavitet för att ge förstärkning och passiv extern kavitet för återkoppling. Ljuset som emitteras från det aktiva förstärkningsmediet matas tillbaka till förstärkningsmediet efter att ha passerat genom det passiva externa mediet med låg förlust, medan införandet av den passiva externa kaviteten med låg förlust ökar systemets fotonlivslängd, vilket minskar linjebredden. Det bör noteras att den smala linjebredden för halvledarlaserns yttre kavitet är ett brett koncept, i strikt mening, endast när den aktiva kaviteten för den icke-resonanta kaviteten, känd som den externa kavitetsstrukturen, såsom reflekterande optisk halvledarförstärkare (Reflective Semiconductor Optisk förstärkare (RSOA) främre yta gjord av reflekterande film, den bakre ytan av produktionen av hög transmittans membran (Reflexionsförmågan på ändytan är i allmänhet 10-3 ~10-5).
Eftersom den optiska återkopplingen på baksidan är för liten, kan kaviteten inte bilda optisk oscillation, så endast utanför kaviteten för att ge en tillräckligt hög optisk återkoppling, så att den optiska förstärkningen i laserljusvägens tur-retur-process inuti kaviteten är högre än den optiska förlusten, för att bilda excitationen; en annan situation är den aktiva kaviteten för oberoende excitation av lasern, känd som självinjektionsstrukturen, valet av en specifik våglängd för det longitudinella läget som injiceras i lasern, vilket resulterar i det longitudinella läget i konkurrensläget i prioritet av resonansen, prioritetsmättnad uppnås, vilket gör att förstärkningsprofilen i det aktiva området minskar. Båda är emellertid "låsta" till utfrekvensen för resonanshåligheten genom att förlänga laserkavitetens längd och injicera den valda laserfrekvensen i resonanshåligheten genom ett smalbandigt återkopplingselement, och kärnidén med att erhålla en smalare linjebredd är densamma i båda fallen.
Planar Light Waveguide Chip (PLC) är en viktig tillämpning av fotonisk integrationsteknologi, som ger mer diversifierade och flexibla valmöjligheter för smalbandsfiltrering och optiska återkopplingsenheter i extern kavitetsåterkopplingshalvledarlasrar. Genom att tillverka vågledar-, gitter- eller mikroringstrukturer på kiselbaserade material med låg optisk förlust, såsom Silicon on Insulator (SOI), Silicon Dioxide (SiO2) eller Silicon Nitride (Si3N4), och sedan koppla och integrera dem med III- V-halvledarförstärkningschips, RSOA:er eller DFB:er genom mode-spot-transduktorer eller mikrolinser, kan PLC:erna förbättra fotondensiteten för foton inuti kaviteten samtidigt som den tar hänsyn till kavitetsdensiteten. Kopplingen och integrationen med III-V halvledarförstärkningschip, RSOA eller DFB genom lägespunktomvandlare eller mikrolins kan förbättra fotons livslängd och komprimera laserlinjebredden samtidigt som man tar hänsyn till kavitetsfotondensiteten. Dessutom kan en kvasi-monolitisk struktur bildas genom att fixera båda på samma kylfläns genom bindningsprocess, vilket hjälper till att minska storleken och kostnaden för enheten.
Chang Lins grupp vid Peking University har realiserat en hybridintegrerad smal linjebreddslaser med ultrasmal linjebredd, där den aktiva delen är en DFB-laser, den passiva filtreringsdelen är en Si3N4 mikroring med en kvalitetsfaktor på 2,6 × 1{{ 8}}8, och vågledarstrukturen av kiselnitrid med låg gräns har reducerat den optiska transmissionsförlusten till 0,1 dB/m, vilket i slutändan realiserar en Hz-skala linjebreddsutgång.
