Теоретично вузьколінійний лазер є одночастотним, тобто єдиною поперечною модою, однією поздовжньою модою, що відповідає одному спектральному випромінюванню лазера в частотній області, що генерується лише когерентним стимульованим випромінюванням, наростанням і падінням носія всередині резонатора, оптичною фазою та фотоном. щільність перебувають у стабільному стані з низькою відносною інтенсивністю шуму та низькочастотним шумом тощо, і в той же час довжина хвилі збудження має дуже високий коефіцієнт придушення бічної моди.
Однак на практиці через спонтанне випромінювання, яке не можна усунути в активній області, ефекти збурення фази та інтенсивності вводяться в режим збудженого випромінювання, що робить частоту вихідного сигналу лазера завжди білим шумом Гауса, що призводить до внутрішнього лоренціана. розширення спектру одиночної лазерної частоти лінійного типу та певна ширина обвідної на спектрі, а флуктуація цього квантового шуму визначає нижню межу ширини лазерної лінії. Це невелике коливання легко маскується більшими коливаннями, викликаними механічними/акустичними змінами або тепловими змінами зовнішнього середовища, що призводить до постійного розширення ширини лінії лазера, і ці класичні шумові ефекти визначають верхню межу ширини лінії лазера. Ширина лінії описує частоту або фазовий шум з точки зору частотної області, а вужча ширина лінії означає нижчу частоту лазера або фазовий шум.
Ширина лінії позитивно корелює з коефіцієнтом спонтанного випромінювання лазера та коефіцієнтом поширення ширини лінії; і негативно корелює з довжиною резонансної порожнини лазера та вихідною потужністю. Чим більша довжина резонатора лазера, тим менші втрати всередині резонатора, тим вище кінцева відбивна здатність, тим довший час життя фотона; чим вище вихідна потужність, тим менше частка спонтанного випромінювання. Таким чином, збільшення довжини та потужності резонатора є ефективним способом стиснення ширини лінії поздовжньої моди лазера.
Основна передумова вихідного сигналу лазера з вузькою шириною лінії полягає в тому, щоб досягти вихідного сигналу в одній поздовжній моді. Напівпровідникові лазери з вузькою шириною лінії зазвичай інтегровані в структуру вибору частоти резонансної порожнини або поєднані з пристроєм вибору моди поза порожниною, щоб забезпечити оптичний зворотний зв’язок на певній частоті , коли ширина смуги пропускання пристрою вибору частоти менш ніж у 2 рази перевищує інтервал поздовжніх мод, ви можете ефективно контролювати посилення та втрати різних поздовжніх мод, щоб переконатися, що смуга посилення лазера в межах ефективного посилення лише однієї поздовжньої моди. режим Збудження виходить лише для однієї поздовжньої моди в межах ефективної смуги посилення лазера.
Відповідно до різних структур вибору частоти, розподілених усередині та поза активним резонатором, напівпровідникові лазери з вузькою шириною лінії зазвичай поділяють на лазери зі зворотним зв’язком із внутрішньою порожниною та лазери зі зворотним зв’язком із зовнішньою порожниною.
Напівпровідникові лазери зі зворотним зв’язком із внутрішнім резонатором зазвичай інтегрують бреггівські решітки або спеціальні хвилеводні структури всередині активного резонатора, такі як напівпровідникові лазери з розподіленим зворотним зв’язком (DFB), напівпровідникові лазери з розподіленим рефлектором Брегга (DBR) і напівпровідникові лазери зі зв’язаним резонатором. DFB, DBR та напівпровідникові лазери зі зв’язаним резонатором. Легування хвилеводного шару в довгих активних резонаторах призводить до різкого збільшення оптичних втрат, що обмежує потужність лазера, стримує збільшення довжини активного резонатора та призводить до обмеженого стиснення ширини лінії лазера. У типових лазерах DFB і DBR зазвичай використовуються структури бреггівської решітки з рівномірним або розподіленим зворотним зв’язком із фазовими зрушеннями як резонансні порожнини, розмір мікросхеми обмежений порядком ста мікрон, невеликі коефіцієнти якості для резонансних порожнин, низька вихідна потужність і ширина лінії лазера в діапазон від кількох МГц до десятків МГц.
Діодний лазер із зовнішнім резонатором (ECDL) розділений на дві частини, тобто активний внутрішній резонатор для забезпечення посилення та пасивний зовнішній резонатор для забезпечення зворотного зв’язку. Світло, що випромінюється з активного підсилювального середовища, повертається в підсилювальне середовище після проходження через пасивне зовнішнє середовище з низькими втратами, тоді як введення пасивного зовнішнього резонатора з низькими втратами збільшує час життя фотона в системі, таким чином звужуючи ширину лінії. Слід зазначити, що зовнішня порожнина напівпровідникового лазера з вузькою шириною лінії є широким поняттям, у строгому сенсі, лише коли активна порожнина для нерезонансної порожнини, відома як структура зовнішньої порожнини, така як відбиваючий напівпровідниковий оптичний підсилювач (Reflective Semiconductor Передня поверхня оптичного підсилювача (RSOA) виготовлена з відбивної плівки, задня поверхня виготовлена з мембрани з високим коефіцієнтом пропускання (коефіцієнт відбиття торця зазвичай становить 10-3 ~10-5).
Оскільки оптичний зворотний зв’язок задньої поверхні занадто малий, порожнина не може формувати оптичні коливання, тому лише поза порожниною, щоб забезпечити достатньо високий оптичний зворотний зв’язок, щоб оптичне посилення в процесі проходження лазерного світла всередині порожнини було вищим. ніж оптичні втрати, щоб сформувати збудження; інша ситуація - це активна порожнина для незалежного збудження лазера, відома як структура самоін'єкції, вибір певної довжини хвилі поздовжньої моди, що вводиться в лазер, в результаті чого поздовжня мода в режимі конкуренції в пріоритеті резонансу досягнуто насичення пріоритету, що спричиняє зменшення профілю посилення в активній області. Однак обидва «прив’язані» до вихідної частоти резонансного резонатора шляхом подовження довжини лазерного резонатора та введення вибраної лазерної частоти в резонансний резонатор через вузькосмуговий елемент зворотного зв’язку, і основна ідея отримання вужчої ширини лінії однакова в обидва випадки.
Планарний світловий хвилеводний чіп (PLC) — це важливе застосування технології фотонної інтеграції, яке забезпечує більш різноманітний і гнучкий вибір для пристроїв вузькосмугової фільтрації та оптичного зворотного зв’язку в напівпровідникових лазерах із зовнішнім резонатором зі зворотним зв’язком. Шляхом виготовлення хвилеводів, ґрат або мікрокілець на матеріалах на основі кремнію з низькими оптичними втратами, таких як кремній на ізоляторі (SOI), діоксид кремнію (SiO2) або нітрид кремнію (Si3N4), а потім їх з’єднання та інтегрування з III- V напівпровідникові мікросхеми підсилення, RSOA або DFB через перетворювачі точкової моди або мікролінзи, ПЛК можуть покращити фотонну щільність фотона всередині порожнини, беручи до уваги щільність порожнини. З’єднання та інтеграція з напівпровідниковим гейнери III-V, RSOA або DFB через точковий перетворювач режимів або мікролінзи може покращити тривалість життя фотонів і стиснути ширину лінії лазера, враховуючи щільність фотонів резонатора. Крім того, можна сформувати квазімонолітну структуру, закріпивши їх обидва на одному радіаторі за допомогою процесу з’єднання, що допомагає зменшити розмір і вартість пристрою.
Група пана Чан Ліня з Пекінського університету реалізувала гібридний інтегрований вузьколінійний лазер із ультравузькою шириною лінії, активна частина якого — лазер DFB, а пасивна фільтруюча частина — мікрокільце Si3N4 з добротністю 2,6 × 1{{ 8}}8, а структура хвилеводу з низькою межею нітриду кремнію зменшила втрати оптичної передачі до 0,1 дБ/м, що в кінцевому підсумку реалізує вихідну ширину лінії в Гц.
