Elméletileg a keskeny vonalszélességű lézer egyfrekvenciás, azaz egyetlen transzverzális módú, egyetlen longitudinális módus, amely egyetlen spektrális lézerkimenetnek felel meg a frekvenciatartományban, amelyet csak koherens stimulált sugárzás, az üregen belüli hordozó emelkedése és süllyesztése, az optikai fázis és a foton generál. a sűrűség stabil állapotban van, alacsony relatív intenzitású zajjal és alacsony frekvenciájú zajjal stb., ugyanakkor a gerjesztési hullámhossz nagyon magas oldalmódusú elnyomási aránnyal rendelkezik.
A gyakorlatban azonban az aktív tartományban nem kiküszöbölhető spontán sugárzás miatt a fázis- és intenzitás-perturbációs hatások a gerjesztett sugárzási módban jelennek meg, így a lézerkimeneti jel frekvenciája mindig Gauss-féle fehérzaj lesz, ami belső Lorentzi-féleséghez vezet. Az egyetlen lézerfrekvencia-spektrum vonalszerű kiszélesítése, és a burkológörbe bizonyos szélessége a spektrumon, és ennek a kvantumzajnak az ingadozása határozza meg a lézer vonalszélességének alsó határát. Ezt a kis ingadozást könnyen elfedhetik a mechanikai/akusztikai változások vagy a külső környezet hőváltozásai okozta nagyobb ingadozások, ami a lézer vonalszélességének folyamatos szélesedését eredményezi, és ezek a klasszikus zajhatások határozzák meg a lézer vonalszélességének felső határát. A vonalszélesség a frekvencia- vagy fáziszajt frekvenciatartomány szempontjából írja le, a szűkebb vonalszélesség pedig alacsonyabb lézerfrekvenciát vagy fáziszajt jelent.
A vonalszélesség pozitívan korrelál a lézer spontán sugárzási együtthatójával és a vonalszélesség szórási tényezőjével; és negatívan korrelált a lézer rezonanciaüreg hosszával és kimeneti teljesítményével. Minél hosszabb a lézer üreghossza, annál kisebb az üregen belüli veszteség, minél nagyobb a végső visszaverőképesség, annál hosszabb a foton élettartama; minél nagyobb a kimenő teljesítmény, annál kisebb a spontán sugárzás aránya. Ezért az üreg hosszának és teljesítményének növelése hatékony módja az egyetlen longitudinális módusú lézervonal szélességének tömörítésének.
A keskeny vonalszélességű lézerkimenet alapfeltétele az egyetlen longitudinális üzemmódú kimenet elérése, a keskeny vonalszélességű félvezető lézereket általában a rezonáns üreg frekvenciaválasztó szerkezetébe integrálják, vagy az üregen kívüli üzemmódválasztó eszközzel kapcsolják össze, hogy optikai visszacsatolást biztosítsanak egy adott frekvencián. , ha a frekvenciaválasztó eszköz áteresztősávszélessége kisebb, mint a hosszirányú módtávolság kétszerese, hatékonyan szabályozhatja a különböző longitudinális módok erősítését és veszteségét, így biztosítva, hogy a lézererősítés sávszélessége csak egyetlen hosszirányú effektív erősítésen belül legyen. mód A gerjesztést csak egyetlen longitudinális mód esetén kapjuk meg a lézer effektív erősítési sávszélességén belül.
Az aktív üregen belül és kívül elosztott különböző frekvenciakiválasztási struktúrák szerint a keskeny vonalszélességű félvezető lézereket általában belső üreges visszacsatoló típusú és külső üreges visszacsatoló típusú lézerekre osztják.
A belső üreges visszacsatolású, keskeny vonalszélességű félvezető lézerek általában Bragg-rácsokat vagy speciális hullámvezető szerkezeteket integrálnak az aktív üregbe, mint például az elosztott visszacsatolású (DFB) félvezető lézerek, az elosztott Bragg reflektor (DBR) félvezető lézerek és a csatolt üreges félvezető lézerek. A DFB, DBR és csatolt üreges félvezető lézerek. A hullámvezető réteg adalékolása hosszú aktív üregekben az optikai veszteség drámai növekedéséhez vezet, ami korlátozza a lézer teljesítményét, korlátozza az aktív üreg hosszának növekedését, és korlátozott lézervonalszélesség-kompresszióhoz vezet. A tipikus DFB és DBR lézerek általában egyenletes vagy elosztott visszacsatolású Bragg rácsszerkezeteket használnak fáziseltolásokkal rezonáns üregekként, a chipek mérete száz mikron nagyságrendre korlátozódik, a rezonáns üregek minőségi tényezői kicsik, a kimeneti teljesítmények és a lézer vonalszélességei néhány MHz-től több tíz MHz-ig terjedő tartományban.
Az External Cavity Diode Laser (ECDL) két részre oszlik, azaz aktív belső üregre az erősítést és passzív külső üregre a visszacsatolás biztosítására. Az aktív erősítőközegből kibocsátott fény a kis veszteségű passzív külső közegen való áthaladás után visszatáplálódik az erősítő közegbe, míg a kis veszteségű passzív külső üreg bevezetése megnöveli a rendszer foton élettartamát, ezáltal szűkíti a vonalszélességet. Meg kell jegyezni, hogy a keskeny vonalszélességű félvezető lézeres külső üreg tág fogalom, a szó szoros értelmében csak akkor, ha az aktív üreg a nem rezonáns üreg számára, az úgynevezett külső üregszerkezet, mint például a fényvisszaverő félvezető optikai erősítő (Reflective Semiconductor Optikai erősítő (RSOA) elülső felülete fényvisszaverő fóliából, a hátsó felület nagy áteresztőképességű membránból készül (A végfelület tükrözőképessége általában 10-3 ~10-5).
Mivel a hátsó felület optikai visszacsatolása túl kicsi, az üreg nem tud optikai oszcillációt létrehozni, ezért csak az üregen kívül, hogy elég magas optikai visszacsatolást biztosítson, így az üregen belüli lézerfény út-visszacsatolási folyamatában az optikai nyereség nagyobb. mint az optikai veszteség, a gerjesztés kialakítása érdekében; egy másik helyzet a lézer független gerjesztésére szolgáló aktív üreg, az úgynevezett öninjekciós szerkezet, a lézerbe injektált longitudinális mód egy meghatározott hullámhosszának kiválasztása, aminek eredményeként a longitudinális mód a versengés módban a prioritásban van. a rezonancia, prioritás telítettség elérve, ami az erősítési profil csökkenését okozza az aktív régióban. Mindazonáltal mindkettő a rezonáns üreg kimeneti frekvenciájához van "reteszelve" a lézerüreg hosszának meghosszabbításával és a kiválasztott lézerfrekvencia befecskendezésével a rezonáns üregbe egy keskeny sávú visszacsatoló elemen keresztül, és a szűkebb vonalszélesség elérésének lényege ugyanaz mindkét esetben.
A Planar Light Waveguide Chip (PLC) a fotonikus integrációs technológia egyik fontos alkalmazása, amely változatosabb és rugalmasabb választási lehetőségeket biztosít a keskeny sávú szűrő és az optikai visszacsatoló eszközök számára a külső üreges visszacsatoló félvezető lézerekben. Hullámvezető, rács vagy mikrogyűrűs szerkezetek előállításával alacsony optikai veszteségű szilícium alapú anyagokon, például szilícium szigetelőn (SOI), szilícium-dioxidon (SiO2) vagy szilícium-nitridön (Si3N4), majd ezeket összekapcsoljuk és integráljuk a III. V félvezető erősítésű chipek, RSOA-k vagy DFB-k mód-pont-átalakítókon vagy mikrolencséken keresztül, a PLC-k javíthatják a fotonok fotonsűrűségét az üregben, miközben figyelembe veszik az üregsűrűséget. A III-V félvezető erősítő chippel, RSOA vagy DFB átmenő módú spot konverterrel vagy mikrolencsével való csatolás és integráció javíthatja a foton élettartamát és tömörítheti a lézer vonalszélességét, miközben figyelembe veszi az üreg fotonsűrűségét. Ezenkívül kvázi monolitikus szerkezet alakítható ki, ha mindkettőt ugyanarra a hűtőbordára rögzítjük ragasztással, ami segít csökkenteni a készülék méretét és költségét.
Mr. Chang Lin csoportja a Pekingi Egyetemen egy ultra-keskeny vonalszélességű hibrid integrált keskeny vonalszélességű lézert valósított meg, amelynek aktív része egy DFB lézer, a passzív szűrő rész pedig egy Si3N4 mikrogyűrű, amelynek minőségi tényezője 2,6 × 1{{ 8}}8, és az alacsony határértékű szilícium-nitrid hullámvezető szerkezet 0,1 dB/m-re csökkentette az optikai átviteli veszteséget, ami végső soron Hz-es vonalszélességű kimenetet valósít meg.
