Teoreettisesti kapea viivanleveyslaser on yksitaajuus, eli yksi poikittaismuoto, yksi pitkittäismoodi, joka vastaa yhtä spektristä laserlähtöä taajuusalueella, joka syntyy vain koherentin stimuloidun säteilyn, onkalonsisäisen kantoaallon nousun ja laskun, optisen vaiheen ja fotonin avulla. tiheydet ovat stabiilissa tilassa, suhteellisen intensiteetin kohinalla ja matalataajuisella kohinalla jne., ja samaan aikaan viritysaallonpituudella on erittäin korkea sivumoodin vaimennussuhde.
Käytännössä kuitenkin spontaanin säteilyn vuoksi, jota ei voida eliminoida aktiivisella alueella, vaihe- ja intensiteetin häiriövaikutukset tuodaan viritettyyn säteilymoodiin, jolloin laserlähtösignaalin taajuudesta tulee aina Gaussin valkoinen kohina, mikä johtaa luontaiseen Lorentziaan. Yksittäisen lasertaajuusspektrin viivatyyppinen levennys ja tietty spektrin verhokäyrän leveys, ja tämän kvanttikohinan vaihtelu määrää laserin viivanleveyden alarajan. Tämä pieni vaihtelu peittyy helposti mekaanisten/akustisten muutosten tai ulkoisen ympäristön lämpömuutosten aiheuttamilla heilahteluilla, mikä johtaa laserin viivanleveyden jatkuvaan levenemiseen, ja nämä klassiset kohinavaikutukset määräävät laserin viivanleveyden ylärajan. Viivanleveys kuvaa taajuus- tai vaihekohinaa taajuusalueen näkökulmasta, ja kapeampi viivanleveys tarkoittaa alhaisempaa lasertaajuutta tai vaihekohinaa.
Viivanleveys korreloi positiivisesti laserin spontaanin säteilykertoimen ja viivanleveyden hajautuskertoimen kanssa; ja korreloi negatiivisesti laserin resonanssiontelon pituuden ja lähtötehon kanssa. Mitä pidempi laserin onkalon pituus, sitä pienempi ontelonsisäinen häviö, mitä korkeampi loppuheijastavuus, sitä pidempi fotonin elinikä; mitä suurempi lähtöteho, sitä pienempi on spontaanin säteilyn osuus. Siksi onkalon pituuden ja tehon lisääminen on tehokas tapa puristaa yhden pitkittäismuotoisen laserviivan leveys.
Kapean viivanleveyden laserlähdön peruslähtökohtana on saavuttaa yksi pituussuuntainen lähtö, kapeat puolijohdelaserit on yleensä integroitu resonanssiontelon taajuuden valintarakenteeseen tai yhdistetty tilanvalintalaitteeseen onkalon ulkopuolella optisen palautteen saamiseksi tietyllä taajuudella. , kun taajuudenvalintalaitteen päästökaistan leveys on alle 2 kertaa pitkittäismuotoväli, voit tehokkaasti ohjata eri pitkittäismuotojen vahvistusta ja häviötä varmistaaksesi, että laserin vahvistuskaistanleveys on vain yhden pitkittäissuuntaisen tehollisen vahvistuksen sisällä. tila Herätys saadaan vain yhdelle pitkittäiselle moodille laserin tehollisen vahvistuksen kaistanleveyden sisällä.
Aktiivisen ontelon sisällä ja ulkopuolella jakautuneiden erilaisten taajuudenvalintarakenteiden mukaan kapeat viivanleveydet puolijohdelaserit luokitellaan yleensä sisäisen onkalon takaisinkytkentätyyppisiin ja ulkoisen onkalon takaisinkytkentätyyppisiin lasereihin.
Sisäisen onkalon takaisinkytkennän kapealinjaiset puolijohdelaserit yleensä integroivat Bragg-hilat tai erityiset aaltoputkirakenteet aktiivisen ontelon sisään, kuten Distributed Feedback (DFB) puolijohdelaserit, Distributed Bragg Refl ector (DBR) puolijohdelaserit ja kytketyt ontelopuolijohdelaserit. DFB-, DBR- ja kytketty-ontelopuolijohdelaserit. Aaltoputkikerroksen seostus pitkissä aktiivisissa onteloissa johtaa dramaattiseen optisen häviön kasvuun, mikä rajoittaa lasertehoa, rajoittaa aktiivisen ontelon pituuden kasvua ja johtaa rajoitettuun laserviivan leveyden puristumiseen. Tyypilliset DFB- ja DBR-laserit käyttävät yleensä tasaisia tai hajautettuja takaisinkytkentäisiä Bragg-hilarakenteita, joissa on vaihesiirtymiä resonanssionteloina, sirujen koot rajoitettu sadan mikronin luokkaan, pienet laatutekijät resonanssionteloissa, alhaiset lähtötehot ja laserin linjan leveydet. alue muutamasta MHz:stä kymmeniin MHz:iin.
External Cavity Diode Laser (ECDL) on jaettu kahteen osaan, eli aktiiviseen sisäiseen onteloon, joka antaa vahvistuksen, ja passiiviseen ulkoiseen onteloon antamaan palautetta. Aktiivisesta vahvistusväliaineesta säteilevä valo syötetään takaisin vahvistusväliaineeseen sen jälkeen, kun se on kulkenut pienihäviöisen passiivisen ulkoisen väliaineen läpi, kun taas pienihäviöisen passiivisen ulkoisen ontelon lisääminen pidentää järjestelmän fotonien käyttöikää ja kaventaa siten linjan leveyttä. On huomattava, että kapea viivanleveys puolijohdelaser-ulkoinen ontelo on laaja käsite varsinaisessa merkityksessä vain silloin, kun aktiivinen onkalo ei-resonoivalle ontelolle, joka tunnetaan ulkoisen onkalon rakenteella, kuten heijastava puolijohde-optinen vahvistin (Reflective Semiconductor Optinen vahvistin (RSOA) etupinta valmistettu heijastavasta kalvosta, takapinnan tuotannon korkean läpäisevyyden kalvo (Päätypinnan heijastavuus on yleensä 10-3 ~10-5).
Koska takapinnan optinen takaisinkytkentä on liian pieni, onkalo ei voi muodostaa optista värähtelyä, joten vain onkalon ulkopuolella riittävän korkean optisen takaisinkytkennän saamiseksi, jotta optinen vahvistus laservalopolun edestakaisessa prosessissa ontelon sisällä on suurempi. kuin optinen häviö virityksen muodostamiseksi; toinen tilanne on aktiivinen onkalo laserin itsenäistä viritystä varten, joka tunnetaan itseinjektiorakenteena, laseriin ruiskutetun pitkittäismoodin tietyn aallonpituuden valinta, mikä johtaa pitkittäismuotoon kilpailutilassa etusijalla resonanssi, prioriteettikyllästys saavutetaan, jolloin vahvistusprofiili aktiivisella alueella pienenee. Molemmat on kuitenkin "lukittu" resonanssiontelon lähtötaajuuteen pidentämällä laserontelon pituutta ja ruiskuttamalla valittu lasertaajuus resonanssionteloon kapeakaistaisen takaisinkytkentäelementin kautta, ja ydinajatus kapeamman viivanleveyden saamiseksi on sama. molemmissa tapauksissa.
Planar Light Waveguide Chip (PLC) on tärkeä fotonisen integraatioteknologian sovellus, joka tarjoaa monipuolisempia ja joustavampia valintoja kapeakaistaiseen suodatukseen ja optisiin takaisinkytkentälaitteisiin ulkoisissa kaviteettipalautepuolijohdelasereissa. Valmistamalla aaltoputki-, hila- tai mikrorengasrakenteita piipohjaisille materiaaleille, joilla on pieni optinen häviö, kuten Silicon on Insulator (SOI), piidioksidi (SiO2) tai piinitridi (Si3N4), ja sitten kytkemällä ja integroimalla ne III- V-puolijohdevahvistussirut, RSOA:t tai DFB:t tilapistemuuntimien tai mikrolinssien kautta, PLC:t voivat parantaa ontelon sisällä olevien fotonien fotonitiheyttä samalla kun otetaan huomioon onkalon tiheys. Kytkentä ja integrointi III-V-puolijohdevahvistinsirun, RSOA- tai DFB-läpimuotopistemuuntimen tai mikrolinssien kanssa voi pidentää fotonien käyttöikää ja supistaa laserin viivanleveyttä samalla kun otetaan huomioon ontelofotonitiheys. Lisäksi lähes monoliittinen rakenne voidaan muodostaa kiinnittämällä molemmat samalle jäähdytyselementille liimausprosessin kautta, mikä auttaa vähentämään laitteen kokoa ja hintaa.
Chang Linin ryhmä Pekingin yliopistossa on toteuttanut erittäin kapean viivanleveyden hybridi-integroidun kapeaviivaisen laserin, jonka aktiivinen osa on DFB-laser ja passiivinen suodatusosa on Si3N4-mikrorengas, jonka laatukerroin on 2,6 × 1{{ 8}}8, ja matalarajainen piinitridiaaltoputkirakenne on vähentänyt optisen lähetyshäviön arvoon 0,1 dB/m, mikä lopulta toteuttaa Hz-asteikon linjanleveyden lähdön.
