Teoretisk sett er laseren med smal linjebredde en enkelt frekvens, dvs. enkel tverrmodus, enkel longitudinell modus, som tilsvarer en enkelt spektral laserutgang i frekvensdomenet generert kun av koherent stimulert stråling, intrakavitet bærer stigning og fall, den optiske fasen og foton tettheten er i en stabil tilstand, med lav relativ intensitetsstøy og lavfrekvent støy, etc., og samtidig har eksitasjonsbølgelengden et veldig høyt sidemodusundertrykkelsesforhold.
Men i praksis, på grunn av den spontane strålingen som ikke kan elimineres i det aktive området, introduseres fase- og intensitetsforstyrrelseseffektene i den eksiterte strålingsmodusen, noe som gjør laserutgangssignalfrekvensen alltid Gaussisk hvit støy, noe som fører til en iboende Lorentzian linjetypeutvidelse av enkeltlaserfrekvensspekteret, og en viss bredde av konvolutten på spekteret, og fluktuasjonen av denne kvantestøyen bestemmer den nedre grensen for laserlinjebredden. Denne lille fluktuasjonen blir lett maskert av større svingninger forårsaket av mekaniske/akustiske endringer eller termiske endringer i det ytre miljøet, noe som resulterer i fortsatt utvidelse av laserlinjebredden, og disse klassiske støyeffektene bestemmer den øvre grensen for laserlinjebredden. Linjebredde beskriver frekvensen eller fasestøyen fra et frekvensdomeneperspektiv, og en smalere linjebredde betyr lavere laserfrekvens eller fasestøy.
Linjebredden er positivt korrelert med laserens spontane strålingskoeffisient og linjebreddes spredningsfaktor; og negativt korrelert med laserens resonanshulromslengde og utgangseffekt. Jo lengre hulromslengden på laseren er, jo mindre tapet i det indre hulrommet, jo høyere reflektiviteten til slutt, jo lengre fotonlevetid; jo høyere utgangseffekt, jo lavere andel spontan stråling. Derfor er å øke hulromslengden og kraften en effektiv måte å komprimere laserlinjebredden for enkelt langsgående modus.
Den grunnleggende forutsetningen for laserutgang med smal linjebredde er å oppnå en enkelt longitudinell modusutgang, halvlederlasere med smal linjebredde er vanligvis integrert i resonanshulrommets frekvensvalgstruktur eller koblet med modusvalgenheten utenfor hulrommet, for å gi optisk tilbakemelding på en spesifikk frekvens , når passbåndbredden til frekvensvalgenheten er mindre enn 2 ganger avstanden i langsgående modus, kan du effektivt kontrollere forsterkningen og tapet av de forskjellige langsgående modusene, for å sikre at laserforsterkningsbåndbredden er innenfor den effektive forsterkningen til bare en enkelt langsgående modus. modus Eksiteringen oppnås kun for en enkelt langsgående modus innenfor laserens effektive forsterkningsbåndbredde.
I henhold til de forskjellige frekvensvalgstrukturene som er fordelt i og utenfor det aktive hulrommet, kategoriseres halvlederlasere med smal linjebredde generelt i tilbakemeldingstype for intern hulrom og tilbakemeldingstype med ekstern hulrom.
Halvlederlasere med smal linjebredde for internt hulrom integrerer vanligvis Bragg-gitter eller spesielle bølgelederstrukturer inne i det aktive hulrommet, slik som distribuert feedback (DFB) halvlederlasere, distribuert Bragg Reflector (DBR) halvlederlasere og halvlederlasere med koplet hulrom. DFB-, DBR- og halvlederlaserne med koplet hulrom. Doping av bølgelederlaget i lange aktive hulrom fører til en dramatisk økning i optisk tap, noe som begrenser lasereffekten, begrenser økningen i aktiv hulromslengde og fører til begrenset laserlinjebreddekompresjon. Typiske DFB- og DBR-lasere bruker vanligvis enhetlige eller distribuerte tilbakekoblings-Bragg-gitterstrukturer med faseskift som resonanshulrom, med brikkestørrelser begrenset til størrelsesorden hundre mikron, små kvalitetsfaktorer for resonanshulrommene, lave utgangseffekter og laserlinjebredder i rekkevidde på noen få MHz til titalls MHz.
External Cavity Diode Laser (ECDL) er delt inn i to deler, dvs. aktivt indre hulrom for å gi forsterkning og passivt eksternt hulrom for å gi tilbakemelding. Lyset som sendes ut fra det aktive forsterkningsmediet føres tilbake til forsterkningsmediet etter å ha passert gjennom det passive eksterne mediet med lavt tap, mens innføringen av det passive eksterne hulrommet med lavt tap øker fotonlevetiden til systemet, og dermed begrenser linjebredden. Det skal bemerkes at det smale linjebredde halvlederlaserens eksterne hulrom er et bredt konsept, i streng forstand, bare når det aktive hulrommet for det ikke-resonante hulrommet, kjent som den eksterne hulrommets struktur, for eksempel reflekterende halvleder optisk forsterker (Reflective Semiconductor Optisk forsterker (RSOA) frontflate laget av reflekterende film, den bakre overflaten av produksjonen av høy transmittansmembran (Refleksjonsevnen til endeflaten er vanligvis 10-3 ~10-5).
Siden den optiske tilbakemeldingen på baksiden er for liten, kan ikke hulrommet danne optisk oscillasjon, så bare utenfor hulrommet for å gi en høy nok optisk tilbakemelding, slik at den optiske forsterkningen i laserlysbanen rundtur-prosessen inne i hulrommet er høyere enn det optiske tapet, for å danne eksitasjonen; en annen situasjon er det aktive hulrommet for uavhengig eksitasjon av laseren, kjent som selvinjeksjonsstrukturen, valg av en spesifikk bølgelengde for den langsgående modusen injisert i laseren, noe som resulterer i den langsgående modusen i konkurransemodusen i prioritet av resonansen, prioritetsmetningen nås, noe som fører til at forsterkningsprofilen i det aktive området reduseres. Begge er imidlertid "låst" til utgangsfrekvensen til resonanshulrommet ved å forlenge laserhulrommets lengde og injisere den valgte laserfrekvensen inn i resonanshulrommet gjennom et smalbånds-tilbakemeldingselement, og kjerneideen med å oppnå en smalere linjebredde er den samme i begge tilfeller.
Planar Light Waveguide Chip (PLC) er en viktig anvendelse av fotonisk integrasjonsteknologi, som gir mer diversifiserte og fleksible valg for smalbåndsfiltrering og optiske tilbakemeldingsenheter i eksternt kavitet-tilbakemeldings-halvlederlasere. Ved å fremstille bølgeleder-, gitter- eller mikroringstrukturer på silisiumbaserte materialer med lavt optisk tap, slik som Silicon on Insulator (SOI), Silisiumdioksid (SiO2) eller Silisiumnitrid (Si3N4), og deretter koble og integrere dem med III- V-halvlederforsterkningsbrikker, RSOA-er eller DFB-er gjennom mode-spot-transdusere eller mikrolinser, kan PLS-ene forbedre den fotoniske tettheten til fotonet inne i hulrommet mens de tar hensyn til hulrommets tetthet. Koblingen og integrasjonen med III-V halvlederforsterkerbrikke, RSOA eller DFB gjennom modus punktomformer eller mikrolinse kan forbedre fotonlevetiden og komprimere laserlinjebredden samtidig som det tas hensyn til hulrommets fotontetthet. I tillegg kan en kvasi-monolittisk struktur dannes ved å feste dem begge på samme kjøleribbe gjennom bindingsprosess, noe som bidrar til å redusere størrelsen og kostnadene til enheten.
Mr. Chang Lins gruppe ved Peking University har realisert en hybrid integrert smal linjebreddelaser med ultrasmal linjebredde, der den aktive delen er en DFB-laser, den passive filtreringsdelen er en Si3N4 mikroring med en kvalitetsfaktor på 2,6 × 1{{ 8}}8, og silisiumnitrid-bølgelederstrukturen med lav grense har redusert det optiske overføringstapet til 0,1 dB/m, som til slutt realiserer en Hz-skala linjebreddeutgang.
