Teoricamente, il laser a larghezza di linea stretta è a frequenza singola, cioè modalità trasversale singola, modalità longitudinale singola, corrispondente a una singola uscita laser spettrale nel dominio della frequenza generata solo da radiazione stimolata coerente, salita e caduta del portatore intracavità, fase ottica e fotone la densità è in uno stato stabile, con rumore a bassa intensità relativa e rumore a bassa frequenza, ecc. e, allo stesso tempo, la lunghezza d'onda di eccitazione ha un rapporto di soppressione della modalità laterale molto elevato.
Tuttavia, in pratica, a causa della radiazione spontanea che non può essere eliminata nella regione attiva, gli effetti di perturbazione di fase e intensità vengono introdotti all'interno della modalità di radiazione eccitata, rendendo la frequenza del segnale di uscita del laser sempre rumore bianco gaussiano, che porta ad un lorentziano intrinseco l'ampliamento del tipo di linea dello spettro di frequenza del singolo laser e una certa larghezza dell'inviluppo sullo spettro, e la fluttuazione di questo rumore quantistico determina il limite inferiore della larghezza di linea del laser. Questa piccola fluttuazione viene facilmente mascherata da fluttuazioni più grandi causate da cambiamenti meccanici/acustici o cambiamenti termici nell'ambiente esterno, con conseguente continuo ampliamento della larghezza della linea laser, e questi classici effetti di rumore determinano il limite superiore della larghezza della linea laser. La larghezza di linea descrive la frequenza o il rumore di fase dal punto di vista del dominio della frequenza e una larghezza di linea più stretta significa una frequenza laser o un rumore di fase inferiori.
La larghezza di linea è correlata positivamente al coefficiente di radiazione spontanea del laser e al fattore di diffusione della larghezza di linea; e correlato negativamente con la lunghezza della cavità risonante del laser e la potenza di uscita. Maggiore è la lunghezza della cavità del laser, minore è la perdita all'interno della cavità, maggiore è la riflettività finale, maggiore è la durata del fotone; maggiore è la potenza di uscita, minore è la percentuale di radiazione spontanea. Pertanto, aumentare la lunghezza e la potenza della cavità è un modo efficace per comprimere la larghezza della linea laser in modalità longitudinale singola.
La premessa di base dell'uscita del laser a larghezza di linea stretta è quella di ottenere un'uscita in modalità longitudinale singola, i laser a semiconduttore a larghezza di linea stretta sono solitamente integrati nella struttura di selezione della frequenza della cavità risonante o accoppiati con il dispositivo di selezione della modalità all'esterno della cavità, per fornire feedback ottico su una frequenza specifica , quando la larghezza della banda passante del dispositivo di selezione della frequenza è inferiore a 2 volte la spaziatura della modalità longitudinale, è possibile controllare efficacemente il guadagno e la perdita delle diverse modalità longitudinali, per garantire che il laser guadagni larghezza di banda entro il guadagno effettivo di un solo singolo longitudinale modalità L'eccitazione è ottenuta solo per una singola modalità longitudinale all'interno della larghezza di banda del guadagno effettivo del laser.
In base alle diverse strutture di selezione della frequenza distribuite all'interno e all'esterno della cavità attiva, i laser a semiconduttore a larghezza di linea stretta sono generalmente classificati in laser del tipo con feedback della cavità interna e laser del tipo con feedback della cavità esterna.
I laser a semiconduttore a larghezza di linea stretta con feedback a cavità interna solitamente integrano reticoli di Bragg o speciali strutture di guida d'onda all'interno della cavità attiva, come i laser a semiconduttore a feedback distribuito (DFB), i laser a semiconduttore a riflettore di Bragg distribuito (DBR) e i laser a semiconduttore a cavità accoppiata. I laser a semiconduttore DFB, DBR e a cavità accoppiata. Il drogaggio dello strato della guida d'onda in cavità attive lunghe porta ad un drammatico aumento della perdita ottica, che limita la potenza del laser, vincola l'aumento della lunghezza della cavità attiva e porta a una compressione limitata della larghezza di linea del laser. I tipici laser DFB e DBR utilizzano solitamente strutture a reticolo di Bragg con feedback uniforme o distribuito con sfasamenti come cavità risonanti, con dimensioni del chip limitate all'ordine di un centinaio di micron, piccoli fattori di qualità per le cavità risonanti, basse potenze di uscita e larghezze di linea laser nel intervallo da pochi MHz a decine di MHz.
Il laser a diodi a cavità esterna (ECDL) è diviso in due parti, ovvero cavità interna attiva per fornire guadagno e cavità esterna passiva per fornire feedback. La luce emessa dal mezzo di guadagno attivo viene restituita al mezzo di guadagno dopo essere passata attraverso il mezzo esterno passivo a bassa perdita, mentre l'introduzione della cavità esterna passiva a bassa perdita aumenta la durata dei fotoni del sistema, restringendo così la larghezza di linea. Va notato che la cavità esterna del laser a semiconduttore a larghezza di linea stretta è un concetto ampio, in senso stretto, solo quando la cavità attiva per la cavità non risonante, nota come struttura della cavità esterna, come l'amplificatore ottico a semiconduttore riflettente (Semiconduttore riflettente Superficie anteriore dell'amplificatore ottico (RSOA) costituita da una pellicola riflettente, la superficie posteriore della produzione di membrana ad alta trasmittanza (la riflettività della faccia finale è generalmente 10-3 ~10-5).
Poiché il feedback ottico della faccia posteriore è troppo piccolo, la cavità non può formare oscillazioni ottiche, quindi solo all'esterno della cavità per fornire un feedback ottico sufficientemente elevato, in modo che il guadagno ottico nel processo di andata e ritorno del percorso della luce laser all'interno della cavità sia maggiore della perdita ottica, per formare l'eccitazione; un'altra situazione è la cavità attiva per l'eccitazione indipendente del laser, nota come struttura di autoiniezione, la selezione di una lunghezza d'onda specifica della modalità longitudinale iniettata nel laser, con conseguente modalità longitudinale in modalità competizione nella priorità di viene raggiunta la saturazione prioritaria della risonanza, provocando la diminuzione del profilo di guadagno nella regione attiva. Tuttavia, entrambi sono "bloccati" alla frequenza di uscita della cavità risonante allungando la lunghezza della cavità laser e iniettando la frequenza laser selezionata nella cavità risonante attraverso un elemento di feedback a banda stretta, e l'idea centrale di ottenere una larghezza di linea più stretta è la stessa in entrambi i casi.
Il Planar Light Waveguide Chip (PLC) è un'importante applicazione della tecnologia di integrazione fotonica, che fornisce scelte più diversificate e flessibili per il filtraggio a banda stretta e i dispositivi di feedback ottico nei laser a semiconduttore con feedback a cavità esterna. Fabbricando strutture di guida d'onda, reticolo o microanello su materiali a base di silicio con bassa perdita ottica, come silicio su isolante (SOI), biossido di silicio (SiO2) o nitruro di silicio (Si3N4), e quindi accoppiandoli e integrandoli con III- Chip con guadagno a semiconduttore V, RSOA o DFB attraverso trasduttori mode-spot o microlenti, i PLC possono migliorare la densità fotonica del fotone all'interno della cavità tenendo conto della densità della cavità. L'accoppiamento e l'integrazione con il chip gainer semiconduttore III-V, il convertitore spot in modalità RSOA o DFB o la microlente possono migliorare la durata dei fotoni e comprimere la larghezza di linea del laser tenendo conto della densità dei fotoni della cavità. Inoltre, è possibile formare una struttura quasi monolitica fissandoli entrambi sullo stesso dissipatore di calore tramite un processo di incollaggio, che aiuta a ridurre le dimensioni e il costo del dispositivo.
Il gruppo del signor Chang Lin presso l'Università di Pechino ha realizzato un laser ibrido a larghezza di linea stretta integrato con larghezza di linea ultra-stretta, con la parte attiva che è un laser DFB, la parte di filtraggio passiva che è un microanello Si3N4 con un fattore di qualità di 2,6 × 1{{ 8}}8, e la struttura della guida d'onda in nitruro di silicio a basso limite ha ridotto la perdita di trasmissione ottica a 0,1 dB/m, il che alla fine realizza un'uscita con larghezza di linea su scala Hz.
