Teoricamente, o laser de largura de linha estreita é uma frequência única, ou seja, modo transversal único, modo longitudinal único, correspondendo a uma única saída de laser espectral no domínio da frequência gerada apenas por radiação estimulada coerente, subida e descida do portador intracavitário, fase óptica e fóton a densidade está em um estado estável, com ruído de baixa intensidade relativa e ruído de baixa frequência, etc. e, ao mesmo tempo, o comprimento de onda de excitação tem uma taxa de supressão de modo lateral muito alta.
Porém, na prática, devido à radiação espontânea que não pode ser eliminada na região ativa, os efeitos de perturbação de fase e intensidade são introduzidos dentro do modo de radiação excitada, fazendo com que a frequência do sinal de saída do laser seja sempre um ruído branco gaussiano, o que leva a um ruído Lorentziano intrínseco. alargamento do tipo linha do espectro de frequência do laser único e uma certa largura do envelope no espectro, e a flutuação desse ruído quântico determina o limite inferior da largura de linha do laser. Esta pequena flutuação é facilmente mascarada por flutuações maiores causadas por alterações mecânicas/acústicas ou alterações térmicas no ambiente externo, resultando no alargamento contínuo da largura de linha do laser, e estes efeitos de ruído clássicos determinam o limite superior da largura de linha do laser. A largura de linha descreve a frequência ou o ruído de fase a partir de uma perspectiva do domínio da frequência, e uma largura de linha mais estreita significa menor frequência do laser ou ruído de fase.
A largura de linha está positivamente correlacionada com o coeficiente de radiação espontânea do laser e o fator de espalhamento da largura de linha; e negativamente correlacionado com o comprimento da cavidade ressonante e a potência de saída do laser. Quanto maior o comprimento da cavidade do laser, menor será a perda intracavitária, maior será a refletividade final e maior será a vida útil do fóton; quanto maior a potência de saída, menor a proporção de radiação espontânea. Portanto, aumentar o comprimento e a potência da cavidade é uma maneira eficaz de comprimir a largura da linha do laser de modo longitudinal único.
A premissa básica da saída do laser de largura de linha estreita é obter uma única saída de modo longitudinal. Os lasers semicondutores de largura de linha estreita são geralmente integrados na estrutura de seleção de frequência da cavidade ressonante ou acoplados ao dispositivo de seleção de modo fora da cavidade, para fornecer feedback óptico em uma frequência específica , quando a largura da banda passante do dispositivo de seleção de frequência é inferior a 2 vezes o espaçamento do modo longitudinal, você pode controlar efetivamente o ganho e a perda dos diferentes modos longitudinais, para garantir que a largura de banda do ganho do laser dentro do ganho efetivo de apenas um único longitudinal modo A excitação é obtida apenas para um único modo longitudinal dentro da largura de banda de ganho efetivo do laser.
De acordo com as diferentes estruturas de seleção de frequência distribuídas dentro e fora da cavidade ativa, os lasers semicondutores de largura de linha estreita são geralmente categorizados em tipo de feedback de cavidade interna e tipo de feedback de cavidade externa.
Lasers semicondutores de largura de linha estreita de feedback de cavidade interna geralmente integram redes de Bragg ou estruturas especiais de guia de onda dentro da cavidade ativa, como lasers semicondutores de feedback distribuído (DFB), lasers semicondutores de refletor de Bragg distribuído (DBR) e lasers semicondutores de cavidade acoplada. Os lasers DFB, DBR e semicondutores de cavidade acoplada. A dopagem da camada do guia de ondas em cavidades ativas longas leva a um aumento dramático na perda óptica, o que limita a potência do laser, restringe o aumento no comprimento da cavidade ativa e leva a uma compressão limitada da largura de linha do laser. Lasers DFB e DBR típicos geralmente usam estruturas de rede de Bragg de feedback uniforme ou distribuído com mudanças de fase como cavidades ressonantes, com tamanhos de chip limitados à ordem de cem mícrons, pequenos fatores de qualidade para as cavidades ressonantes, baixas potências de saída e larguras de linha do laser no faixa de alguns MHz a dezenas de MHz.
O Laser de Diodo de Cavidade Externa (ECDL) é dividido em duas partes, ou seja, cavidade interna ativa para fornecer ganho e cavidade externa passiva para fornecer feedback. A luz emitida pelo meio de ganho ativo é realimentada para o meio de ganho após passar pelo meio externo passivo de baixa perda, enquanto a introdução da cavidade externa passiva de baixa perda aumenta a vida útil do fóton do sistema, estreitando assim a largura de linha. Deve-se notar que a cavidade externa do laser semicondutor de largura de linha estreita é um conceito amplo, no sentido estrito, somente quando a cavidade ativa para a cavidade não ressonante, conhecida como estrutura da cavidade externa, como amplificador óptico semicondutor reflexivo (Reflective Semiconductor Superfície frontal do amplificador óptico (RSOA) feita de filme reflexivo, a superfície traseira da produção de membrana de alta transmitância (a refletividade da face final é geralmente 10-3 ~10-5).
Como o feedback óptico da face traseira é muito pequeno, a cavidade não pode formar oscilação óptica, portanto, apenas fora da cavidade para fornecer um feedback óptico alto o suficiente, de modo que o ganho óptico no processo de ida e volta do caminho da luz do laser dentro da cavidade seja maior do que a perda óptica, para formar a excitação; outra situação é a cavidade ativa para excitação independente do laser, conhecida como estrutura de autoinjeção, a seleção de um comprimento de onda específico do modo longitudinal injetado no laser, resultando no modo longitudinal no modo de competição na prioridade de Após a ressonância, a saturação de prioridade é atingida, fazendo com que o perfil de ganho na região ativa diminua. No entanto, ambos são "travados" na frequência de saída da cavidade ressonante, aumentando o comprimento da cavidade do laser e injetando a frequência do laser selecionada na cavidade ressonante através de um elemento de feedback de banda estreita, e a ideia central de obter uma largura de linha mais estreita é a mesma em ambos os casos.
Planar Light Waveguide Chip (PLC) é uma aplicação importante da tecnologia de integração fotônica, que fornece opções mais diversificadas e flexíveis para filtragem de banda estreita e dispositivos de feedback óptico em lasers semicondutores de feedback de cavidade externa. Fabricando estruturas de guia de ondas, grades ou micro-anel em materiais à base de silício com baixa perda óptica, como Silício em Isolador (SOI), Dióxido de Silício (SiO2) ou Nitreto de Silício (Si3N4), e depois acoplá-los e integrá-los com III- Em chips de ganho semicondutores, RSOAs ou DFBs por meio de transdutores mode-spot ou microlentes, os PLCs podem melhorar a densidade fotônica do fóton dentro da cavidade, levando em consideração a densidade da cavidade. O acoplamento e integração com chip ganhador semicondutor III-V, RSOA ou DFB por meio de conversor de ponto de modo ou microlente pode melhorar a vida útil do fóton e comprimir a largura de linha do laser, levando em consideração a densidade de fótons da cavidade. Além disso, uma estrutura quase monolítica pode ser formada fixando-se ambos no mesmo dissipador de calor através do processo de colagem, o que ajuda a reduzir o tamanho e o custo do dispositivo.
O grupo do Sr. Chang Lin na Universidade de Pequim realizou um laser de largura de linha estreita integrado, híbrido de largura de linha ultraestreita, com a parte ativa sendo um laser DFB, a parte de filtragem passiva sendo um micro-anel de Si3N4 com um fator de qualidade de 2,6 × 1{{ 8}}8, e a estrutura do guia de onda de nitreto de silício de baixo limite reduziu a perda de transmissão óptica para 0,1 dB/m, o que, em última análise, proporciona uma saída de largura de linha em escala Hz.
