Teoretski, laser uske širine linije ima jednu frekvenciju, tj. jedan transverzalni mod, jedan longitudinalni mod, koji odgovara jednom spektralnom laserskom izlazu u frekvencijskoj domeni generiranom samo koherentnim stimuliranim zračenjem, porastom i padom nositelja unutar šupljine, optičkom fazom i fotonom. gustoće su u stabilnom stanju, s šumom niskog relativnog intenziteta i šumom niske frekvencije itd., au isto vrijeme valna duljina pobude ima vrlo visok omjer potiskivanja bočnog moda.
Međutim, u praksi, zbog spontanog zračenja koje se ne može eliminirati u aktivnom području, efekti perturbacije faze i intenziteta uvode se unutar pobuđenog načina zračenja, čineći izlaznu frekvenciju laserskog signala uvijek Gaussovim bijelim šumom, što dovodi do intrinzičnog Lorentziana linijskim širenjem pojedinačnog laserskog frekvencijskog spektra i određenom širinom omotnice na spektru, a fluktuacija ovog kvantnog šuma određuje donju granicu širine laserske linije. Ova mala fluktuacija se lako maskira većim fluktuacijama uzrokovanim mehaničkim/akustičkim promjenama ili toplinskim promjenama u vanjskom okruženju, što rezultira stalnim širenjem širine laserske linije, a ti klasični efekti šuma određuju gornju granicu širine laserske linije. Širina linije opisuje frekvencijski ili fazni šum iz perspektive frekvencijske domene, a uža širina linije znači nižu lasersku frekvenciju ili fazni šum.
Širina linije je u pozitivnoj korelaciji s koeficijentom spontanog zračenja lasera i faktorom širenja širine linije; iu negativnoj korelaciji s duljinom rezonantne šupljine i izlaznom snagom lasera. Što je veća duljina šupljine lasera, manji je gubitak unutar šupljine, veća je krajnja refleksija, duži je životni vijek fotona; što je veća izlazna snaga, manji je udio spontanog zračenja. Stoga je povećanje duljine i snage šupljine učinkovit način za komprimiranje širine laserske linije uzdužnog moda.
Osnovna premisa laserskog izlaza uske širine linije je postizanje izlaza jednog uzdužnog moda, poluvodički laseri uske širine crte obično su integrirani u strukturu odabira frekvencije rezonantne šupljine ili spojeni s uređajem za odabir moda izvan šupljine, kako bi pružili optičku povratnu informaciju na određenoj frekvenciji , kada je širina propusnog pojasa uređaja za odabir frekvencije manja od 2 puta uzdužnog razmaka modova, možete učinkovito kontrolirati pojačanje i gubitak različitih longitudinalnih modova, kako biste osigurali da širina pojasa laserskog pojačanja unutar efektivnog pojačanja samo jednog longitudinalnog moda mod Pobuda se dobiva samo za jedan uzdužni mod unutar efektivne propusnosti pojačanja lasera.
Prema različitim strukturama odabira frekvencije raspoređenim unutar i izvan aktivne šupljine, poluvodički laseri uske širine linije općenito se kategoriziraju u lasere s povratnom spregom unutarnje šupljine i lasere s povratnom spregom vanjske šupljine.
Poluvodički laseri uske širine linije s povratnom spregom unutarnje šupljine obično integriraju Braggove rešetke ili posebne valovodne strukture unutar aktivne šupljine, kao što su poluvodički laseri s raspodijeljenom povratnom spregom (DFB), poluvodički laseri s raspodijeljenim Braggovim reflektorom (DBR) i poluvodički laseri s spregnutom šupljinom. DFB, DBR i poluvodički laseri sa spregnutom šupljinom. Dopiranje sloja valovoda u dugim aktivnim šupljinama dovodi do dramatičnog povećanja optičkog gubitka, što ograničava snagu lasera, ograničava povećanje duljine aktivne šupljine i dovodi do ograničene kompresije širine laserske linije. Tipični DFB i DBR laseri obično koriste Braggove rešetkaste strukture s ravnomjernom ili raspodijeljenom povratnom spregom s faznim pomacima kao rezonantne šupljine, s veličinama čipova ograničenim na reda veličine stotinu mikrona, malim faktorima kvalitete za rezonantne šupljine, niskim izlaznim snagama i širinama linija lasera u rasponu od nekoliko MHz do desetaka MHz.
Diodni laser s vanjskom šupljinom (ECDL) podijeljen je u dva dijela, tj. aktivnu unutarnju šupljinu koja daje pojačanje i pasivnu vanjsku šupljinu za pružanje povratne informacije. Svjetlost emitirana iz aktivnog medija za pojačanje vraća se natrag u medij za pojačanje nakon prolaska kroz pasivni vanjski medij s malim gubicima, dok uvođenje pasivne vanjske šupljine s malim gubicima povećava životni vijek fotona sustava, čime se sužava širina linije. Treba napomenuti da je vanjska šupljina poluvodičkog lasera uske širine linije širok koncept, u strogom smislu, samo kada je aktivna šupljina za nerezonantnu šupljinu, poznata kao struktura vanjske šupljine, kao što je reflektirajuće poluvodičko optičko pojačalo (Reflektivni poluvodič Prednja površina optičkog pojačala (RSOA) izrađena je od reflektirajućeg filma, stražnja površina izrađena je od membrane visoke propusnosti (reflektivnost čeone površine općenito je 10-3 ~10-5).
Budući da je optička povratna sprega sa stražnje strane premala, šupljina ne može oblikovati optičku oscilaciju, tako da samo izvan šupljine pruža dovoljno visoku optičku povratnu spregu, tako da je optički dobitak u kružnom putu laserskog svjetla unutar šupljine veći nego optički gubitak, kako bi se formirala pobuda; druga situacija je aktivna šupljina za neovisnu pobudu lasera, poznata kao struktura samoinjektiranja, odabir specifične valne duljine longitudinalnog moda ubrizganog u laser, što rezultira longitudinalnim modom u kompetitivnom modu u prioritetu rezonancije, postignuto je zasićenje prioriteta, što uzrokuje smanjenje profila pojačanja u aktivnom području. Međutim, obje su "zaključane" na izlaznu frekvenciju rezonantne šupljine produljenjem duljine laserske šupljine i ubrizgavanjem odabrane laserske frekvencije u rezonantnu šupljinu kroz uskopojasni povratni element, a temeljna ideja dobivanja uže širine linije ista je u oba slučaja.
Čip planarnog svjetlosnog valovoda (PLC) važna je primjena tehnologije fotonske integracije, koja pruža raznovrsnije i fleksibilnije izbore za uskopojasno filtriranje i optičke povratne uređaje u poluvodičkim laserima s povratnom spregom s vanjskom šupljinom. Izradom valovodnih, rešetkastih ili mikroprstenastih struktura na materijalima na bazi silicija s niskim optičkim gubitkom, kao što je silicij na izolatoru (SOI), silicij dioksid (SiO2) ili silicij nitrid (Si3N4), te njihovim spajanjem i integracijom s III- V čipove za pojačanje poluvodiča, RSOA-e ili DFB-ove putem pretvornika točkastih modova ili mikroleća, PLC-ovi mogu poboljšati fotonsku gustoću fotona unutar šupljine uzimajući u obzir gustoću šupljine. Spajanje i integracija s III-V poluvodičkim dobivenim čipom, RSOA ili DFB putem pretvarača točkastog moda ili mikroleća može poboljšati životni vijek fotona i komprimirati širinu linije lasera uzimajući u obzir gustoću fotona u šupljini. Osim toga, kvazi-monolitna struktura može se oblikovati fiksiranjem oba na isti hladnjak kroz proces spajanja, što pomaže smanjiti veličinu i cijenu uređaja.
Grupa gospodina Chang Lina na Sveučilištu u Pekingu realizirala je hibridni laser ultrauske širine linije s integriranim laserom uske širine linije, s aktivnim dijelom DFB laserom, a pasivnim dijelom za filtriranje Si3N4 mikroprstenom s faktorom kvalitete 2,6 × 1{{ 8}}8, a niskogranična struktura valovoda od silicijeva nitrida smanjila je gubitak optičkog prijenosa na 0,1 dB/m, što u konačnici ostvaruje izlaz širine linije na Hz-ljestvici.
