Теоретически лазер с узкой шириной линии представляет собой одну частоту, т. е. одну поперечную моду и одну продольную моду, что соответствует одному спектральному выходному сигналу лазера в частотной области, генерируемой только когерентным стимулированным излучением, подъемом и спадом внутрирезонаторной несущей, оптической фазой и фотоном. плотности находятся в стабильном состоянии, с шумом низкой относительной интенсивности, низкочастотным шумом и т. д., и в то же время длина волны возбуждения имеет очень высокий коэффициент подавления боковой моды.
Однако на практике из-за спонтанного излучения, которое невозможно устранить в активной области, в режиме возбужденного излучения вводятся эффекты возмущения фазы и интенсивности, в результате чего частота выходного сигнала лазера всегда становится гауссовым белым шумом, что приводит к появлению собственного лоренцева явления. уширение линейного типа одиночного лазерного частотного спектра и определенная ширина огибающей спектра, а флуктуации этого квантового шума определяют нижний предел ширины лазерной линии. Эта небольшая флуктуация легко маскируется более крупными флуктуациями, вызванными механическими/акустическими изменениями или термическими изменениями во внешней среде, что приводит к постоянному расширению ширины линии лазера, и эти классические шумовые эффекты определяют верхний предел ширины линии лазера. Ширина линии описывает частоту или фазовый шум с точки зрения частотной области, а более узкая ширина линии означает более низкую частоту лазера или фазовый шум.
Ширина линии положительно коррелирует с коэффициентом спонтанного излучения лазера и коэффициентом расширения линии; и отрицательно коррелирует с длиной резонансного резонатора лазера и выходной мощностью. Чем больше длина резонатора лазера, тем меньше внутрирезонаторные потери, тем выше конечная отражательная способность, тем дольше время жизни фотона; чем выше выходная мощность, тем меньше доля спонтанного излучения. Следовательно, увеличение длины и мощности резонатора является эффективным способом сжатия ширины линии однопродольного лазерного излучения.
Основная предпосылка выходного сигнала лазера с узкой шириной линии заключается в достижении выхода одной продольной моды. Полупроводниковые лазеры с узкой шириной линии обычно интегрируются в структуру выбора частоты резонансного резонатора или соединяются с устройством выбора моды вне резонатора, чтобы обеспечить оптическую обратную связь на определенной частоте. Когда ширина полосы пропускания устройства выбора частоты менее чем в 2 раза превышает расстояние между продольными модами, вы можете эффективно контролировать усиление и потери различных продольных мод, чтобы гарантировать, что полоса пропускания лазерного усиления находится в пределах эффективного усиления только одной продольной моды. мода Возбуждение получается только для одной продольной моды в пределах эффективной полосы усиления лазера.
В соответствии с различными структурами выбора частоты, распределенными внутри и снаружи активного резонатора, полупроводниковые лазеры с узкой шириной линии обычно делятся на лазеры с обратной связью с внутренним резонатором и лазеры с обратной связью с внешним резонатором.
Полупроводниковые лазеры с узкой шириной линии с внутренней резонаторной обратной связью обычно включают брэгговские решетки или специальные волноводные структуры внутри активного резонатора, такие как полупроводниковые лазеры с распределенной обратной связью (DFB), полупроводниковые лазеры с распределенным брэгговским отражателем (DBR) и полупроводниковые лазеры со связанным резонатором. Полупроводниковые лазеры DFB, DBR и со связанными резонаторами. Легирование волноводного слоя в длинных активных резонаторах приводит к резкому увеличению оптических потерь, что ограничивает мощность лазера, сдерживает увеличение длины активного резонатора и приводит к ограниченному сжатию ширины лазерной линии. Типичные DFB и DBR лазеры обычно используют структуры брэгговских решеток с однородной или распределенной обратной связью с фазовыми сдвигами в качестве резонансных резонаторов, с размерами чипов, ограниченными порядком ста микрон, малыми добротностями резонансных резонаторов, низкой выходной мощностью и шириной лазерной линии в Диапазон от нескольких МГц до десятков МГц.
Диодный лазер с внешним резонатором (ECDL) разделен на две части: активный внутренний резонатор для обеспечения усиления и пассивный внешний резонатор для обеспечения обратной связи. Свет, излучаемый активной усиливающей средой, возвращается обратно в усиливающую среду после прохождения через пассивную внешнюю среду с малыми потерями, а введение пассивного внешнего резонатора с малыми потерями увеличивает время жизни фотонов в системе, тем самым сужая ширину линии. Следует отметить, что внешний резонатор полупроводникового лазера с узкой шириной линии представляет собой широкое понятие, в строгом смысле слова, только тогда, когда активный резонатор для нерезонансного резонатора, известный как структура внешнего резонатора, такой как отражающий полупроводниковый оптический усилитель (Reflective Semiconductor Передняя поверхность оптического усилителя (RSOA) изготовлена из отражающей пленки, задняя поверхность изготовлена из мембраны с высоким коэффициентом пропускания (отражательная способность торцевой поверхности обычно составляет 10-3 ~10-5).
Поскольку оптическая обратная связь на задней поверхности слишком мала, полость не может формировать оптические колебания, поэтому только снаружи полости, чтобы обеспечить достаточно высокую оптическую обратную связь, чтобы оптическое усиление в процессе прохождения туда и обратно по пути лазерного луча внутри полости было выше. чем оптические потери, чтобы сформировать возбуждение; другая ситуация - активный резонатор для независимого возбуждения лазера, известный как структура самоинжекции, выбор конкретной длины волны продольной моды, инжектируемой в лазер, в результате чего продольная мода в режиме конкуренции в приоритете резонансе достигается приоритетное насыщение, в результате чего профиль усиления в активной области уменьшается. Однако оба «привязаны» к выходной частоте резонансного резонатора за счет увеличения длины лазерного резонатора и подачи выбранной лазерной частоты в резонансный резонатор через узкополосный элемент обратной связи, и основная идея получения более узкой ширины линии одинакова. оба случая.
Планарный световодный чип (PLC) — это важное применение технологии фотонной интеграции, которое обеспечивает более разнообразный и гибкий выбор устройств узкополосной фильтрации и оптической обратной связи в полупроводниковых лазерах с обратной связью с внешним резонатором. Изготавливая волноводные, решетчатые или микрокольцевые структуры из материалов на основе кремния с низкими оптическими потерями, таких как кремний на изоляторе (SOI), диоксид кремния (SiO2) или нитрид кремния (Si3N4), а затем соединяя и интегрируя их с III- Полупроводниковые чипы усиления V, RSOA или DFB через преобразователи модового пятна или микролинзы, ПЛК могут улучшить фотонную плотность фотонов внутри резонатора, принимая во внимание плотность резонатора. Соединение и интеграция с полупроводниковым чипом усиления III-V, RSOA или DFB через преобразователь модового пятна или микролинзу может улучшить время жизни фотонов и сжать ширину лазерной линии, принимая во внимание плотность фотонов резонатора. Кроме того, можно сформировать квазимонолитную структуру, закрепив их оба на одном радиаторе посредством процесса склеивания, что помогает уменьшить размер и стоимость устройства.
Группа г-на Чан Линя в Пекинском университете реализовала гибридный интегрированный лазер с узкой шириной линии сверхузкой линии, в котором активной частью является DFB-лазер, а пассивной фильтрующей частью является микрокольцо Si3N4 с добротностью 2,6 × 1{{ 8}}8, а волноводная структура из нитрида кремния с низким пределом снизила потери оптической передачи до 0,1 дБ/м, что в конечном итоге обеспечивает выходную ширину линии в Гц.
