Teoretycznie laser o wąskiej szerokości linii ma pojedynczą częstotliwość, tj. pojedynczy mod poprzeczny, pojedynczy mod podłużny, odpowiadający pojedynczemu widmowemu wyjściu lasera w dziedzinie częstotliwości generowanej wyłącznie przez spójne promieniowanie stymulowane, wznoszenie i opadanie nośnika wewnątrzwnękowego, fazę optyczną i foton gęstość jest w stanie stabilnym, z hałasem o niskim natężeniu względnym i szumem o niskiej częstotliwości itp., a jednocześnie długość fali wzbudzenia ma bardzo wysoki współczynnik tłumienia trybu bocznego.
Jednak w praktyce, ze względu na promieniowanie spontaniczne, którego nie można wyeliminować w obszarze aktywnym, efekty zaburzeń fazy i intensywności wprowadzane są w trybie promieniowania wzbudzonego, powodując, że częstotliwość sygnału wyjściowego lasera jest zawsze białym szumem gaussowskim, co prowadzi do wewnętrznego efektu Lorentza liniowe poszerzenie widma częstotliwości pojedynczego lasera i pewną szerokość obwiedni widma, a fluktuacja tego szumu kwantowego wyznacza dolną granicę szerokości linii lasera. Te małe wahania można łatwo zamaskować większymi wahaniami spowodowanymi zmianami mechanicznymi/akustycznymi lub zmianami termicznymi w środowisku zewnętrznym, co powoduje ciągłe poszerzanie szerokości linii lasera, a te klasyczne efekty szumu wyznaczają górną granicę szerokości linii lasera. Szerokość linii opisuje częstotliwość lub szum fazowy z perspektywy domeny częstotliwości, a węższa szerokość linii oznacza niższą częstotliwość lasera lub szum fazowy.
Szerokość linii jest dodatnio skorelowana ze współczynnikiem promieniowania spontanicznego lasera i współczynnikiem rozprzestrzeniania się szerokości linii; i ujemnie skorelowane z długością wnęki rezonansowej lasera i mocą wyjściową. Im dłuższa długość wnęki lasera, tym mniejsza strata wewnątrz wnęki, im wyższy współczynnik odbicia końcowego, tym dłuższa żywotność fotonu; im wyższa moc wyjściowa, tym niższy udział promieniowania spontanicznego. Dlatego zwiększenie długości i mocy wnęki jest skutecznym sposobem na zmniejszenie szerokości linii lasera pojedynczego trybu podłużnego.
Podstawowym założeniem wyjścia lasera o wąskiej szerokości linii jest uzyskanie pojedynczego wyjścia w trybie podłużnym. Lasery półprzewodnikowe o wąskiej szerokości linii są zwykle zintegrowane ze strukturą wyboru częstotliwości wnęki rezonansowej lub połączone z urządzeniem do wyboru trybu na zewnątrz wnęki, aby zapewnić optyczne sprzężenie zwrotne na określonej częstotliwości , gdy szerokość pasma przepustowego urządzenia do wyboru częstotliwości jest mniejsza niż 2-krotność odstępu między modami wzdłużnymi, można skutecznie kontrolować wzmocnienie i utratę różnych modów wzdłużnych, aby zapewnić, że szerokość pasma wzmocnienia lasera mieści się w efektywnym wzmocnieniu tylko pojedynczego modu podłużnego mod Wzbudzenie uzyskuje się tylko dla pojedynczego modu podłużnego w ramach efektywnego pasma wzmocnienia lasera.
Zgodnie z różnymi strukturami selekcji częstotliwości rozmieszczonymi wewnątrz i na zewnątrz aktywnej wnęki, lasery półprzewodnikowe o wąskiej szerokości linii są ogólnie podzielone na lasery ze sprzężeniem zwrotnym z wnęką wewnętrzną i lasery ze sprzężeniem zwrotnym z wnęką zewnętrzną.
Lasery półprzewodnikowe o wąskiej szerokości linii ze sprzężeniem zwrotnym z wewnętrzną wnęką zwykle integrują siatki Bragga lub specjalne struktury falowodowe wewnątrz aktywnej wnęki, takie jak lasery półprzewodnikowe z rozproszonym sprzężeniem zwrotnym (DFB), lasery półprzewodnikowe z rozproszonym reflektorem Bragga (DBR) i lasery półprzewodnikowe ze sprzężoną wnęką. Lasery półprzewodnikowe DFB, DBR i ze sprzężoną wnęką. Domieszkowanie warstwy falowodu w długich aktywnych wnękach prowadzi do dramatycznego wzrostu strat optycznych, co ogranicza moc lasera, ogranicza wzrost długości aktywnej wnęki i prowadzi do ograniczonej kompresji szerokości linii lasera. Typowe lasery DFB i DBR zwykle wykorzystują struktury siatek Bragga z jednolitym lub rozproszonym sprzężeniem zwrotnym z przesunięciami fazowymi jako wnękami rezonansowymi, z rozmiarami chipów ograniczonymi do rzędu stu mikronów, małymi współczynnikami jakości wnęk rezonansowych, niską mocą wyjściową i szerokością linii lasera w zakresie od kilku MHz do kilkudziesięciu MHz.
Laser diodowy z wnęką zewnętrzną (ECDL) jest podzielony na dwie części, tj. aktywną wnękę wewnętrzną zapewniającą wzmocnienie i pasywną wnękę zewnętrzną zapewniającą sprzężenie zwrotne. Światło emitowane z aktywnego ośrodka wzmacniającego jest kierowane z powrotem do ośrodka wzmacniającego po przejściu przez pasywny ośrodek zewnętrzny o niskiej stratności, natomiast wprowadzenie pasywnej wnęki zewnętrznej o niskich stratach zwiększa żywotność fotonów systemu, zawężając w ten sposób szerokość linii. Należy zauważyć, że zewnętrzna wnęka lasera półprzewodnikowego o wąskiej szerokości linii jest pojęciem szerokim, w ścisłym tego słowa znaczeniu, tylko wtedy, gdy aktywna wnęka dla wnęki nierezonansowej, znana jako struktura wnęki zewnętrznej, taka jak odblaskowy wzmacniacz optyczny półprzewodnika (Reflective Semiconductor Przednia powierzchnia wzmacniacza optycznego (RSOA) wykonana z folii odblaskowej, tylna powierzchnia z membrany o wysokiej przepuszczalności (współczynnik odbicia powierzchni końcowej wynosi zazwyczaj 10-3 ~10-5).
Ponieważ sprzężenie zwrotne optyczne tylnej powierzchni jest zbyt małe, wnęka nie może wytwarzać oscylacji optycznych, więc tylko na zewnątrz wnęki, aby zapewnić wystarczająco wysokie sprzężenie zwrotne optyczne, tak że wzmocnienie optyczne w procesie powrotnym ścieżki światła laserowego wewnątrz wnęki jest wyższe niż strata optyczna, w celu wytworzenia wzbudzenia; Inną sytuacją jest aktywna wnęka do niezależnego wzbudzenia lasera, zwana strukturą samowtryskową, dobór określonej długości fali modu podłużnego wprowadzanego do lasera, w wyniku czego mod podłużny w trybie współzawodnictwa ma pierwszeństwo rezonansu, osiągane jest nasycenie priorytetowe, co powoduje zmniejszenie profilu wzmocnienia w obszarze aktywnym. Jednakże oba są „zablokowane” z częstotliwością wyjściową wnęki rezonansowej poprzez wydłużenie długości wnęki lasera i wstrzyknięcie wybranej częstotliwości lasera do wnęki rezonansowej poprzez wąskopasmowy element sprzężenia zwrotnego, a podstawowa idea uzyskania węższej szerokości linii jest taka sama w oba przypadki.
Układ planarnego światłowodu (PLC) to ważne zastosowanie technologii integracji fotonicznej, która zapewnia bardziej zróżnicowane i elastyczne możliwości wyboru wąskopasmowych urządzeń filtrujących i optycznych urządzeń sprzężenia zwrotnego w laserach półprzewodnikowych ze sprzężeniem zwrotnym z zewnętrzną wnęką. Poprzez wytwarzanie struktur falowodowych, siatek lub mikropierścieni na materiałach na bazie krzemu o niskiej stracie optycznej, takich jak krzem na izolatorze (SOI), dwutlenek krzemu (SiO2) lub azotek krzemu (Si3N4), a następnie sprzęganie i integrowanie ich z III- V chipy półprzewodnikowe wzmacniające, RSOA lub DFB poprzez przetworniki punktowe lub mikrosoczewki, sterowniki PLC mogą poprawić gęstość fotoniczną fotonów wewnątrz wnęki, biorąc pod uwagę gęstość wnęki. Sprzężenie i integracja z półprzewodnikowym układem wzmacniającym III-V, konwerterem punktowym RSOA lub DFB lub mikrosoczewką może wydłużyć czas życia fotonów i skompresować szerokość linii lasera, biorąc pod uwagę gęstość fotonów wnęki. Ponadto można utworzyć quasi-monolityczną strukturę, mocując oba elementy na tym samym radiatorze w procesie łączenia, co pomaga zmniejszyć rozmiar i koszt urządzenia.
Grupa pana Chang Lin na Uniwersytecie w Pekinie opracowała zintegrowany, hybrydowy laser o wąskiej szerokości linii o bardzo wąskiej szerokości linii, którego częścią aktywną jest laser DFB, a pasywną częścią filtrującą jest mikropierścień Si3N4 o współczynniku jakości 2,6 × 1{{ 8}}8, a dolna granica struktury falowodu z azotku krzemu zmniejszyła straty w transmisji optycznej do 0,1 dB/m, co ostatecznie pozwala uzyskać sygnał wyjściowy o szerokości linii w skali Hz.
