Về mặt lý thuyết, laser có độ rộng đường truyền hẹp là một tần số đơn, tức là chế độ ngang đơn, chế độ dọc đơn, tương ứng với một đầu ra laser quang phổ duy nhất trong miền tần số chỉ được tạo ra bởi bức xạ kích thích kết hợp, sự tăng giảm của sóng mang trong khoang, pha quang học và photon mật độ ở trạng thái ổn định, với nhiễu cường độ tương đối thấp và nhiễu tần số thấp, v.v., đồng thời, bước sóng kích thích có tỷ lệ triệt tiêu chế độ bên rất cao.
Tuy nhiên, trên thực tế, do bức xạ tự phát không thể loại bỏ trong vùng hoạt động nên các hiệu ứng nhiễu loạn pha và cường độ được đưa vào trong chế độ bức xạ kích thích, khiến tần số tín hiệu đầu ra laser luôn bị nhiễu trắng Gaussian, dẫn đến hiện tượng Lorentzian nội tại. mở rộng loại đường của phổ tần số laser đơn và độ rộng nhất định của đường bao trên phổ và sự dao động của nhiễu lượng tử này xác định giới hạn dưới của băng thông tia laser. Sự dao động nhỏ này dễ dàng bị che giấu bởi những dao động lớn hơn do thay đổi cơ học/âm thanh hoặc thay đổi nhiệt trong môi trường bên ngoài, dẫn đến việc tiếp tục mở rộng băng thông tia laser và các hiệu ứng nhiễu cổ điển này xác định giới hạn trên của băng thông tia laser. Độ rộng đường truyền mô tả tần số hoặc nhiễu pha từ góc độ miền tần số và độ rộng đường truyền hẹp hơn có nghĩa là tần số laser hoặc nhiễu pha thấp hơn.
Độ rộng đường truyền có mối tương quan thuận với hệ số bức xạ tự phát của laser và hệ số trải rộng đường truyền; và tương quan nghịch với chiều dài khoang cộng hưởng và công suất đầu ra của laser. Chiều dài khoang của tia laser càng dài thì tổn thất trong khoang càng nhỏ, độ phản xạ cuối càng cao và tuổi thọ của photon càng dài; công suất đầu ra càng cao thì tỷ lệ bức xạ tự phát càng thấp. Do đó, việc tăng chiều dài khoang và công suất là một cách hiệu quả để nén độ rộng của đường laser ở chế độ dọc.
Tiền đề cơ bản của đầu ra laser băng thông hẹp là đạt được một đầu ra chế độ theo chiều dọc duy nhất, laser bán dẫn có băng thông hẹp thường được tích hợp trong cấu trúc chọn tần số khoang cộng hưởng hoặc kết hợp với thiết bị chọn chế độ bên ngoài khoang, để cung cấp phản hồi quang trên một tần số cụ thể , khi độ rộng băng thông của thiết bị chọn tần số nhỏ hơn 2 lần khoảng cách chế độ dọc, bạn có thể kiểm soát hiệu quả mức tăng và giảm của các chế độ dọc khác nhau, để đảm bảo rằng băng thông đạt được laser trong mức tăng hiệu quả chỉ một chiều dọc duy nhất chế độ Kích thích chỉ thu được đối với một chế độ dọc duy nhất trong băng thông khuếch đại hiệu quả của laser.
Theo các cấu trúc lựa chọn tần số khác nhau được phân bổ bên trong và bên ngoài khoang hoạt động, laser bán dẫn có băng thông hẹp thường được phân loại thành loại phản hồi khoang bên trong và loại laser phản hồi khoang bên ngoài.
Các laser bán dẫn có băng thông hẹp phản hồi khoang bên trong thường tích hợp các cách tử Bragg hoặc các cấu trúc ống dẫn sóng đặc biệt bên trong khoang hoạt động, chẳng hạn như các laser bán dẫn Phản hồi phân tán (DFB), các laser bán dẫn Bragg phản xạ phân tán (DBR) và các laser bán dẫn khoang kết hợp. Các laser bán dẫn DFB, DBR và khoang kết hợp. Sự pha tạp của lớp ống dẫn sóng trong các khoang hoạt động dài dẫn đến sự suy giảm quang học tăng lên đáng kể, điều này làm hạn chế công suất laser, hạn chế sự gia tăng chiều dài khoang hoạt động và dẫn đến việc nén băng thông tia laser bị hạn chế. Các laser DFB và DBR điển hình thường sử dụng các cấu trúc cách tử Bragg phản hồi đồng nhất hoặc phân tán với sự dịch pha như các khoang cộng hưởng, với kích thước chip được giới hạn ở mức một trăm micron, hệ số chất lượng nhỏ đối với các khoang cộng hưởng, công suất đầu ra thấp và độ rộng đường truyền laser trong phạm vi từ vài MHz đến hàng chục MHz.
Laser đi-ốt khoang ngoài (ECDL) được chia thành hai phần, tức là khoang bên trong hoạt động để cung cấp mức khuếch đại và khoang bên ngoài thụ động để cung cấp phản hồi. Ánh sáng phát ra từ môi trường khuếch đại tích cực được đưa trở lại môi trường khuếch đại sau khi đi qua môi trường thụ động bên ngoài có tổn thất thấp, trong khi việc đưa vào khoang bên ngoài thụ động có tổn hao thấp làm tăng tuổi thọ photon của hệ thống, do đó thu hẹp băng thông truyền dẫn. Cần lưu ý rằng khoang bên ngoài của laser bán dẫn có chiều rộng đường truyền hẹp là một khái niệm rộng, theo nghĩa chặt chẽ, chỉ khi khoang hoạt động dành cho khoang không cộng hưởng, được gọi là cấu trúc khoang bên ngoài, chẳng hạn như bộ khuếch đại quang bán dẫn phản xạ (Chất bán dẫn phản xạ Mặt trước của Bộ khuếch đại quang học (RSOA) làm bằng màng phản chiếu, mặt sau sản xuất màng có độ truyền qua cao (Độ phản xạ của mặt cuối thường là 10-3 ~10-5).
Do phản hồi quang học của mặt sau quá nhỏ nên khoang không thể hình thành dao động quang học, do đó chỉ có bên ngoài khoang mới cung cấp phản hồi quang đủ cao, do đó mức tăng quang học trong quá trình di chuyển khứ hồi của đường ánh sáng laser bên trong khoang cao hơn hơn sự mất mát quang học, để hình thành sự kích thích; một tình huống khác là khoang hoạt động để kích thích độc lập tia laser, được gọi là cấu trúc tự tiêm, việc lựa chọn bước sóng cụ thể của chế độ dọc được đưa vào tia laser, dẫn đến chế độ dọc ở chế độ cạnh tranh ở mức độ ưu tiên đạt đến mức cộng hưởng, độ bão hòa ưu tiên, khiến cấu hình khuếch đại trong vùng hoạt động giảm xuống. Tuy nhiên, cả hai đều bị "khóa" với tần số đầu ra của khoang cộng hưởng bằng cách kéo dài chiều dài khoang cộng hưởng và đưa tần số laser đã chọn vào khoang cộng hưởng thông qua phần tử phản hồi băng hẹp và ý tưởng cốt lõi là thu được băng thông hẹp hơn là giống nhau trong cả hai trường hợp.
Chip dẫn sóng ánh sáng phẳng (PLC) là một ứng dụng quan trọng của công nghệ tích hợp quang tử, cung cấp các lựa chọn đa dạng và linh hoạt hơn cho các thiết bị lọc băng hẹp và phản hồi quang trong laser bán dẫn phản hồi khoang bên ngoài. Bằng cách chế tạo các cấu trúc ống dẫn sóng, cách tử hoặc vòng vi mô trên các vật liệu gốc silicon có độ suy giảm quang học thấp, chẳng hạn như Silicon trên chất cách điện (SOI), Silicon Dioxide (SiO2) hoặc Silicon Nitride (Si3N4), sau đó ghép và tích hợp chúng với III- Các chip khuếch đại bán dẫn V, RSOA hoặc DFB thông qua bộ chuyển đổi điểm chế độ hoặc vi thấu kính, PLC có thể cải thiện mật độ quang tử của photon bên trong khoang trong khi tính đến mật độ khoang. Việc ghép và tích hợp với chip khuếch đại bán dẫn III-V, RSOA hoặc DFB thông qua bộ chuyển đổi điểm chế độ hoặc thấu kính vi mô có thể cải thiện tuổi thọ của photon và nén băng thông tia laser trong khi tính đến mật độ photon khoang. Ngoài ra, cấu trúc gần như nguyên khối có thể được hình thành bằng cách cố định cả hai trên cùng một tản nhiệt thông qua quá trình liên kết, giúp giảm kích thước và giá thành của thiết bị.
Nhóm của ông Chang Lin tại Đại học Bắc Kinh đã chế tạo ra một loại laser băng thông hẹp tích hợp băng thông siêu hẹp, với phần hoạt động là laser DFB, phần lọc thụ động là vòng micro Si3N4 có hệ số chất lượng 2,6 × 1{{ 8}}8 và cấu trúc ống dẫn sóng silicon nitride giới hạn thấp đã giảm suy hao truyền dẫn quang xuống 0,1 dB/m, cuối cùng tạo ra đầu ra băng thông đường truyền quy mô Hz.
