از نظر تئوری، لیزر با عرض خط باریک یک فرکانس است، به عنوان مثال، حالت عرضی منفرد، حالت تک طولی، مربوط به یک خروجی لیزر طیفی منفرد در حوزه فرکانس است که تنها توسط تشعشعات تحریک‌شده منسجم، افزایش و سقوط حامل درون حفره، فاز نوری و فوتون تولید می‌شود. چگالی در حالت پایدار، با نویز با شدت نسبی کم و نویز فرکانس پایین و غیره هستند و در عین حال، طول موج تحریک دارای نسبت سرکوب حالت جانبی بسیار بالایی است.
با این حال، در عمل، به دلیل تابش خود به خودی که در ناحیه فعال قابل حذف نیست، اثرات اغتشاش فاز و شدت در حالت تشعشع برانگیخته معرفی می‌شود و باعث می‌شود فرکانس سیگنال خروجی لیزر همیشه نویز سفید گاوسی باشد که منجر به یک لورنتزی ذاتی می‌شود. گسترش نوع خطی طیف فرکانس لیزر تک، و عرض معینی از پوشش روی طیف، و نوسانات این نویز کوانتومی، حد پایینی پهنای خط لیزر را تعیین می‌کند. این نوسان کوچک به راحتی توسط نوسانات بزرگتر ناشی از تغییرات مکانیکی/آکوستیک یا تغییرات حرارتی در محیط خارجی پوشانده می شود که منجر به گسترش مداوم پهنای خط لیزر می شود و این اثرات نویز کلاسیک حد بالایی پهنای خط لیزر را تعیین می کند. Linewidth فرکانس یا نویز فاز را از منظر حوزه فرکانس توصیف می کند و پهنای خط باریکتر به معنای فرکانس لیزر یا نویز فاز کمتر است.
پهنای خط با ضریب تابش خود به خودی لیزر و فاکتور پخش پهنای خط همبستگی مثبت دارد. و با طول حفره رزونانس لیزر و توان خروجی همبستگی منفی دارد. هرچه طول حفره لیزر بیشتر باشد، از دست دادن درون حفره کوچکتر، بازتاب انتهایی بالاتر، طول عمر فوتون بیشتر می شود. هرچه توان خروجی بیشتر باشد، نسبت تابش خود به خودی کمتر است. بنابراین، افزایش طول حفره و قدرت یک راه موثر برای فشرده سازی عرض خط لیزر تک حالت طولی است.
فرض اصلی خروجی لیزر با عرض خط باریک دستیابی به یک خروجی حالت طولی واحد است، لیزرهای نیمه هادی با پهنای خط باریک معمولاً در ساختار انتخاب فرکانس حفره تشدید یکپارچه می شوند یا با دستگاه انتخاب حالت خارج از حفره همراه می شوند تا بازخورد نوری را در یک فرکانس خاص ارائه دهند. ، هنگامی که پهنای باند عبور دستگاه انتخاب فرکانس کمتر از 2 برابر فاصله حالت طولی باشد، می توانید به طور موثر بهره و افت حالت های طولی مختلف را کنترل کنید تا اطمینان حاصل کنید که پهنای باند افزایش لیزر در بهره موثر تنها یک طولی است. حالت تحریک فقط برای یک حالت طولی منفرد در پهنای باند بهره موثر لیزر به دست می آید.
با توجه به ساختارهای مختلف انتخاب فرکانس توزیع شده در داخل و خارج از حفره فعال، لیزرهای نیمه هادی با عرض خط باریک به طور کلی به نوع بازخورد حفره داخلی و نوع لیزر بازخورد حفره خارجی طبقه بندی می شوند.
لیزرهای نیمه هادی با پهنای باریک بازخورد حفره داخلی معمولاً توری های براگ یا ساختارهای هدایت موج ویژه را در داخل حفره فعال ادغام می کنند، مانند لیزرهای نیمه هادی بازخورد توزیع شده (DFB)، لیزرهای نیمه هادی نیمه هادی بازتابی توزیع شده براگ (DBR) و لیزرهای نیمه هادی نیمه هادی جفت شده. لیزرهای نیمه هادی DFB، DBR و حفره جفت شده. دوپینگ لایه موجبر در حفره های فعال طولانی منجر به افزایش چشمگیر اتلاف نوری می شود که قدرت لیزر را محدود می کند، افزایش طول حفره فعال را محدود می کند و منجر به فشرده سازی محدود پهنای خط لیزر می شود. لیزرهای معمولی DFB و DBR معمولاً از ساختارهای گریتینگ براگ بازخورد یکنواخت یا توزیع شده با تغییر فاز به عنوان حفره های تشدید، با اندازه تراشه محدود به حدود صد میکرون، فاکتورهای کیفیت کوچک برای حفره های تشدید، توان خروجی کم، و پهنای خط لیزر در دستگاه استفاده می کنند. محدوده چند مگاهرتز تا ده ها مگاهرتز.
لیزر دایود حفره خارجی (ECDL) به دو بخش تقسیم می‌شود، یعنی حفره داخلی فعال برای ارائه سود و حفره خارجی غیرفعال برای ارائه بازخورد. نور ساطع شده از محیط بهره فعال پس از عبور از محیط خارجی غیرفعال کم تلفات به محیط بهره برمی گردد، در حالی که معرفی حفره خارجی غیرفعال کم تلفات طول عمر فوتون سیستم را افزایش می دهد و در نتیجه پهنای خط را باریک می کند. لازم به ذکر است که حفره خارجی لیزر نیمه هادی با عرض خط یک مفهوم گسترده است، به معنای دقیق، تنها زمانی که حفره فعال برای حفره غیر تشدید، شناخته شده به عنوان ساختار حفره خارجی، مانند تقویت کننده نوری نیمه هادی بازتابی (نیمه هادی بازتابی) تقویت کننده نوری (RSOA) سطح جلویی ساخته شده از فیلم بازتابنده، سطح پشتی تولید غشای گذرندگی بالا (بازتاب سطح انتهایی به طور کلی 10-3 ~10-5 است).
از آنجایی که بازخورد اپتیکی صورت عقب خیلی کوچک است، حفره نمی تواند نوسان نوری ایجاد کند، بنابراین فقط در خارج از حفره برای ارائه یک بازخورد نوری به اندازه کافی بالا است، به طوری که بهره نوری در فرآیند رفت و برگشت مسیر نور لیزر در داخل حفره بالاتر است. از از دست دادن نوری، به منظور تشکیل تحریک. وضعیت دیگر حفره فعال برای تحریک مستقل لیزر است که به ساختار خود تزریق معروف است، انتخاب یک طول موج خاص از حالت طولی تزریق شده به لیزر، در نتیجه حالت طولی در حالت رقابت در اولویت قرار دارد. رزونانس، اشباع اولویت به دست می‌آید، که باعث می‌شود پروفایل بهره در ناحیه فعال کاهش یابد. با این حال، هر دو به فرکانس خروجی حفره تشدید با افزایش طول حفره لیزر و تزریق فرکانس لیزر انتخاب شده به حفره تشدید از طریق یک عنصر بازخورد باریک باریک، به فرکانس خروجی حفره رزونانس "قفل می‌شوند" و ایده اصلی دستیابی به پهنای خط باریکتر یکسان است. هر دو مورد
تراشه موجبر نور مسطح (PLC) یک کاربرد مهم از فناوری یکپارچه سازی فوتونیک است که انتخاب های متنوع و انعطاف پذیرتری را برای فیلترهای باند باریک و دستگاه های بازخورد نوری در لیزرهای نیمه هادی بازخورد حفره خارجی ارائه می دهد. با ساخت سازه های موجبر، گریتینگ یا میکرو حلقه بر روی مواد مبتنی بر سیلیکون با تلفات نوری کم، مانند سیلیکون روی عایق (SOI)، دی اکسید سیلیکون (SiO2) یا نیترید سیلیکون (Si3N4)، و سپس کوپلینگ و ادغام آنها با III- تراشه های بهره نیمه هادی V، RSOA ها یا DFB ها از طریق مبدل های حالت-نقطه ای یا میکرولنزها، PLC ها می توانند چگالی فوتونی فوتون را در داخل حفره بهبود بخشند در حالی که چگالی حفره را در نظر می گیرند. اتصال و ادغام با تراشه گینر نیمه هادی III-V، RSOA یا DFB از طریق مبدل نقطه ای حالت یا میکرولنز می تواند طول عمر فوتون را بهبود بخشد و پهنای خط لیزر را فشرده کند و در عین حال چگالی فوتون حفره را نیز در نظر بگیرد. علاوه بر این، با تثبیت هر دوی آنها بر روی یک هیت سینک از طریق فرآیند اتصال، می توان یک ساختار شبه یکپارچه تشکیل داد که به کاهش اندازه و هزینه دستگاه کمک می کند.
گروه آقای چانگ لین در دانشگاه پکن یک لیزر ترکیبی با پهنای خط باریک ترکیبی با پهنای خط فوق العاده باریک ساخته است که قسمت فعال آن لیزر DFB و قسمت فیلتر غیرفعال یک میکرو حلقه Si3N4 با ضریب کیفیت 2.6×1{{{{ 8}}8، و ساختار موجبر نیترید سیلیکون با محدودیت کم، تلفات انتقال نوری را به 0.1 دسی بل بر متر کاهش داده است، که در نهایت یک خروجی پهنای خط در مقیاس هرتز را محقق می کند.
