Teoretisk set er laseren med smal linjebredde en enkelt frekvens, dvs. enkelt transversal modus, enkelt longitudinal modus, svarende til en enkelt spektral laseroutput i frekvensdomænet, der kun genereres af kohærent stimuleret stråling, intrakavitet bærer stigning og fald, den optiske fase og foton tætheden er i en stabil tilstand med lav relativ intensitetsstøj og lavfrekvent støj osv., og samtidig har excitationsbølgelængden et meget højt side-mode undertrykkelsesforhold.
Men i praksis, på grund af den spontane stråling, der ikke kan elimineres i det aktive område, introduceres fase- og intensitetsforstyrrelseseffekterne i den exciterede strålingstilstand, hvilket gør laserudgangssignalets frekvens altid Gaussisk hvid støj, hvilket fører til en iboende Lorentzian linietype udvidelse af det enkelte laserfrekvensspektrum og en vis bredde af indhylningen på spektret, og fluktuationen af denne kvantestøj bestemmer den nedre grænse for laserlinjebredden. Denne lille udsving maskeres let af større udsving forårsaget af mekaniske/akustiske ændringer eller termiske ændringer i det ydre miljø, hvilket resulterer i en fortsat udvidelse af laserlinjebredden, og disse klassiske støjeffekter bestemmer den øvre grænse for laserlinjebredden. Linewidth beskriver frekvensen eller fasestøjen fra et frekvensdomæneperspektiv, og en smallere linjebredde betyder lavere laserfrekvens eller fasestøj.
Linjebredden er positivt korreleret med laserens spontane strålingskoefficient og linjebreddes spredningsfaktor; og negativt korreleret med laserens resonanshulrumslængde og udgangseffekt. Jo længere kavitetslængde af laseren er, jo mindre intrakavitetstab, jo højere endereflektivitet, jo længere er fotonlevetiden; jo højere udgangseffekt, jo lavere andel af spontan stråling. Derfor er øgning af hulrumslængden og kraften en effektiv måde at komprimere laserliniebredden i enkelt longitudinal mode.
Den grundlæggende forudsætning for laseroutput med smal linjebredde er at opnå et enkelt longitudinelt modusoutput. Halvlederlasere med snæver linjebredde er normalt integreret i resonanshulrummets frekvensvalgstruktur eller koblet med modusvalgsenheden uden for hulrummet for at give optisk feedback på en specifik frekvens , når pasbåndsbredden af frekvensvalgsenheden er mindre end 2 gange afstanden mellem den langsgående tilstand, kan du effektivt kontrollere forstærkningen og tabet af de forskellige langsgående tilstande for at sikre, at laserforstærkningens båndbredde er inden for den effektive forstærkning af kun en enkelt langsgående tilstand. modus Excitationen opnås kun for en enkelt langsgående modus inden for laserens effektive forstærkningsbåndbredde.
I henhold til de forskellige frekvensvalgsstrukturer, der er fordelt inden for og uden for det aktive hulrum, kategoriseres halvlederlasere med smal linjebredde generelt i lasere af intern kavitetsfeedbacktype og ekstern kavitetsfeedbacktype.
Intern hulrumsfeedback med smal linjebredde halvlederlasere integrerer normalt Bragg-gitter eller specielle bølgelederstrukturer inde i det aktive hulrum, såsom distribueret feedback (DFB) halvlederlasere, distribueret Bragg reflektor (DBR) halvlederlasere og koblede hulrumshalvlederlasere. DFB-, DBR- og halvlederlaserne med koblet hulrum. Doping af bølgelederlaget i lange aktive hulrum fører til en dramatisk stigning i optisk tab, hvilket begrænser lasereffekten, begrænser stigningen i det aktive hulrums længde og fører til begrænset laserlinjebreddekompression. Typiske DFB- og DBR-lasere bruger sædvanligvis ensartede eller distribuerede tilbagekoblings-Bragg-gitterstrukturer med faseforskydninger som resonanshulrum, med chipstørrelser begrænset til størrelsesordenen hundrede mikrometer, små kvalitetsfaktorer for resonanshulrummene, lave udgangseffekter og laserlinjebredder i rækkevidde på nogle få MHz til snesevis af MHz.
External Cavity Diode Laser (ECDL) er opdelt i to dele, dvs. aktiv indre kavitet for at give forstærkning og passiv ekstern kavitet for at give feedback. Lyset, der udsendes fra det aktive forstærkningsmedie, føres tilbage til forstærkningsmediet efter at have passeret gennem det passive eksterne medium med lavt tab, mens indførelsen af det passive eksterne hulrum med lavt tab øger systemets fotonlevetid og dermed indsnævres linjebredden. Det skal bemærkes, at det ydre halvleder-laserhulrum med smal linjebredde er et bredt begreb i streng forstand, kun når det aktive hulrum for det ikke-resonante hulrum, kendt som den eksterne hulrumsstruktur, såsom reflekterende optisk halvlederforstærker (Reflective Semiconductor Optisk forstærker (RSOA) frontflade lavet af reflekterende film, bagsiden af produktionen af højtransmittansmembran (reflektiviteten af endefladen er generelt 10-3 ~10-5).
Da den optiske feedback på bagsiden er for lille, kan hulrummet ikke danne optisk svingning, så kun uden for hulrummet for at give en høj nok optisk feedback, så den optiske forstærkning i laserlysvejen rundtur-processen inde i hulrummet er højere end det optiske tab, for at danne excitationen; en anden situation er det aktive hulrum til uafhængig excitation af laseren, kendt som selvinjektionsstrukturen, udvælgelsen af en specifik bølgelængde af den langsgående tilstand indsprøjtet i laseren, hvilket resulterer i den langsgående tilstand i konkurrencetilstanden i prioritet af resonansen, prioritetsmætning nås, hvilket får forstærkningsprofilen i det aktive område til at falde. Begge er imidlertid "låst" til udgangsfrekvensen af resonanshulrummet ved at forlænge laserhulrummets længde og injicere den valgte laserfrekvens ind i resonanshulrummet gennem et smalbåndsfeedbackelement, og kerneideen med at opnå en smallere linjebredde er den samme i begge tilfælde.
Planar Light Waveguide Chip (PLC) er en vigtig anvendelse af fotonisk integrationsteknologi, som giver mere diversificerede og fleksible valgmuligheder for smalbåndsfiltrering og optiske feedback-enheder i ekstern kavitetsfeedback-halvlederlasere. Ved at fremstille bølgeleder-, gitter- eller mikroringstrukturer på siliciumbaserede materialer med lavt optisk tab, såsom Silicon on Insulator (SOI), Silicon Dioxide (SiO2) eller Silicium Nitride (Si3N4), og derefter koble og integrere dem med III- V halvlederforstærkningschips, RSOA'er eller DFB'er gennem mode-spot-transducere eller mikrolinser, kan PLC'erne forbedre fotondensiteten af foton inde i hulrummet, mens hulrummets tæthed tages i betragtning. Koblingen og integrationen med III-V halvlederforstærkerchip, RSOA eller DFB through-mode spotkonverter eller mikrolinse kan forbedre fotonens levetid og komprimere laserlinjebredden, mens der tages højde for hulrumsfotondensiteten. Derudover kan en kvasi-monolitisk struktur dannes ved at fiksere dem begge på den samme køleplade gennem bindingsproces, hvilket hjælper med at reducere størrelsen og omkostningerne ved enheden.
Mr. Chang Lins gruppe ved Peking University har realiseret en hybrid integreret smal linjebredde-laser med ultrasnæver linjebredde, hvor den aktive del er en DFB-laser, den passive filtreringsdel er en Si3N4 mikroring med en kvalitetsfaktor på 2,6 × 1{{ 8}}8, og siliciumnitrid-bølgelederstrukturen med lav grænse har reduceret det optiske transmissionstab til 0,1 dB/m, hvilket i sidste ende realiserer en Hz-skala linjebredde-output.
