עקרונות טכנולוגיית לייזר על בסיס סיליקון ניטריד צר במיוחד

תיאורטית, הלייזר ברוחב הקו הצר הוא תדר יחיד, כלומר מצב רוחבי יחיד, מצב אורך יחיד, המתאים לפלט לייזר ספקטרלי יחיד בתחום התדר שנוצר רק על ידי קרינה מגורה קוהרנטית, עלייה ונפילה של נושאות תוך חלל, הפאזה האופטית והפוטון. הצפיפות במצב יציב, עם רעש בעוצמה יחסית נמוכה ורעש בתדר נמוך וכו', ובמקביל, לאורך גל העירור יש יחס דיכוי מצב צדדי גבוה מאוד.
עם זאת, בפועל, בשל הקרינה הספונטנית שלא ניתנת לביטול באזור הפעיל, השפעות הפרעות הפאזה והעוצמה מוצגות בתוך מצב הקרינה הנרגשת, מה שהופך את תדר אות פלט הלייזר תמיד לרעש לבן גאוסי, מה שמוביל לורנציאן מהותי. הרחבה מסוג קו של ספקטרום תדר הלייזר היחיד, ורוחב מסוים של המעטפת על הספקטרום, והתנודתיות של רעש קוונטי זה קובעות את הגבול התחתון של רוחב קו הלייזר. תנודה קטנה זו מוסווה בקלות על ידי תנודות גדולות יותר הנגרמות על ידי שינויים מכניים/אקוסטיים או שינויים תרמיים בסביבה החיצונית, וכתוצאה מכך מתמשכת הרחבה של רוחב קו הלייזר, והשפעות הרעש הקלאסיות הללו קובעות את הגבול העליון של רוחב קו הלייזר. רוחב קו מתאר את רעש התדר או הפאזה מנקודת מבט של תחום התדר, ורוחב קו צר יותר פירושו תדר לייזר נמוך יותר או רעש פאזה.
רוחב הקו נמצא בקורלציה חיובית עם מקדם הקרינה הספונטנית של הלייזר וגורם התפשטות רוחב הקו של הלייזר; ובקורלציה שלילית עם אורך חלל התהודה ועוצמת המוצא של הלייזר. ככל שאורך החלל של הלייזר ארוך יותר, כך האובדן התוך-חללי קטן יותר, הרפלקטיביות הקצה גבוהה יותר, כך אורך חיי הפוטון ארוך יותר; ככל שהספק הפלט גבוה יותר, כך שיעור הקרינה הספונטנית נמוך יותר. לכן, הגדלת אורך החלל והעוצמה היא דרך יעילה לדחוס את רוחב קו הלייזר במצב אורך יחיד.
הנחת היסוד של פלט לייזר ברוחב קו צר היא להשיג פלט מצב אורך יחיד, לייזרים מוליכים למחצה ברוחב קו צר משולבים בדרך כלל במבנה בחירת תדר חלל התהודה או בשילוב עם התקן בחירת המצב מחוץ לחלל, כדי לספק משוב אופטי על תדר מסוים , כאשר רוחב פס המעבר של מכשיר בחירת התדרים קטן מפי 2 מרווח המצב האורך, אתה יכול לשלוט ביעילות על ההגברה והאובדן של מצבי האורך השונים, כדי להבטיח שרוחב הפס של הלייזר מגדיל את ההגברה האפקטיבית של אורך אחד בלבד. מצב העירור מתקבל רק עבור מצב אורך בודד בתוך רוחב הפס ההגבר האפקטיבי של הלייזר.
על פי מבני בחירת התדרים השונים המופצים בתוך ומחוץ לחלל הפעיל, לייזרים מוליכים למחצה ברוחב קו צר מסווגים בדרך כלל ללייזרים מסוג משוב חלל פנימי וללייזרים מסוג משוב חלל חיצוני.
לייזרים מוליכים למחצה ברוחב קו צר משלבים בדרך כלל משוב חלל פנימי של בראג או מבנים מיוחדים של מוליכי גל בתוך החלל הפעיל, כגון לייזרים מוליכים למחצה משוב מבוזר (DFB), לייזרים מוליכים למחצה מבוזרים בראג רפלקטור (DBR) ולייזרים מוליכים למחצה עם חלל מצמד. הלייזרים המוליכים למחצה DFB, DBR וחללים מצמדים. סימום של שכבת מוליך הגל בחללים פעילים ארוכים מוביל לעלייה דרמטית באובדן אופטי, המגביל את עוצמת הלייזר, מגביל את העלייה באורך החלל הפעיל ומוביל לדחיסה מוגבלת ברוחב קו הלייזר. לייזרים טיפוסיים של DFB ו-DBR משתמשים בדרך כלל במבני משוב אחידים או מבוזרים של Bragg עם הזזות פאזה כחללי תהודה, עם גדלי שבבים מוגבלים לסדר גודל של מאה מיקרון, גורמי איכות קטנים עבור חללי התהודה, הספקי פלט נמוכים ורוחב קו לייזר ב- טווח של כמה מגה-הרץ עד עשרות מגה-הרץ.

External Cavity Diode Laser (ECDL) מחולק לשני חלקים, כלומר חלל פנימי אקטיבי כדי לספק רווח וחלל חיצוני פסיבי כדי לספק משוב. האור הנפלט ממדיום ההגבר האקטיבי מוזן בחזרה למדיום ההגברה לאחר שעבר דרך המדיום החיצוני הפסיבי עם הפסד נמוך, בעוד שהחדרה של החלל החיצוני הפאסיבי עם הפסד נמוך מגדילה את חיי הפוטונים של המערכת, ובכך מצמצמת את רוחב הקו. יש לציין שהחלל החיצוני של מוליכים למחצה בלייזר צר ברוחב קו הוא מושג רחב, במובן המחמיר, רק כאשר החלל הפעיל לחלל הלא-תהודה, המכונה מבנה החלל החיצוני, כגון מגבר אופטי מוליך למחצה רפלקטיבי (Reflective Semiconductor משטח קדמי של מגבר אופטי (RSOA) עשוי סרט רפלקטיבי, המשטח האחורי של ייצור קרום שידור גבוה (הרפלקטיביות של פני הקצה היא בדרך כלל 10-3 ~10-5).
מכיוון שהמשוב האופטי של הפנים האחורי קטן מדי, החלל לא יכול ליצור תנודה אופטית, כך שרק מחוץ לחלל כדי לספק משוב אופטי גבוה מספיק, כך שהרווח האופטי בתהליך הלוך ושוב של נתיב אור הלייזר בתוך החלל גבוה יותר מאשר ההפסד האופטי, על מנת ליצור את העירור; מצב נוסף הוא החלל הפעיל לעירור עצמאי של הלייזר, המכונה מבנה ההזרקה העצמית, בחירת אורך גל מסוים של מצב האורך המוזרק ללייזר, וכתוצאה מכך המצב האורך במצב התחרות בעדיפות של הרזוננס, רווית העדיפות מושגת, מה שגורם לפרופיל הרווח באזור הפעיל לרדת. עם זאת, שניהם "נעולים" לתדר המוצא של חלל התהודה על ידי הארכת אורך חלל הלייזר והזרקת תדר הלייזר הנבחר לתוך חלל התהודה דרך אלמנט משוב צר פס, והרעיון המרכזי של השגת רוחב קו צר יותר הוא זהה ב- שני המקרים.
Planar Light Waveguide Chip (PLC) הוא יישום חשוב של טכנולוגיית אינטגרציה פוטונית, המספק אפשרויות מגוונות וגמישות יותר עבור סינון פס צר והתקני משוב אופטי בלייזרים מוליכים למחצה משוב חיצוניים. על ידי ייצור מבנים מוליכי גל, סורג או מיקרו-טבעות על חומרים מבוססי סיליקון עם אובדן אופטי נמוך, כגון סיליקון על מבודד (SOI), סיליקון דו חמצני (SiO2) או סיליקון ניטריד (Si3N4), ולאחר מכן צימוד ושילובם עם III- שבבי רווח מוליכים למחצה V, RSOAs או DFBs באמצעות מתמרי מצב-נקודה או מיקרועדשות, ה-PLCs יכולים לשפר את הצפיפות הפוטונית של הפוטון בתוך החלל תוך התחשבות בצפיפות החלל. הצימוד והשילוב עם שבב גובר מוליכים למחצה III-V, RSOA או DFB באמצעות ממיר נקודתי או מיקרועדשה יכולים לשפר את חיי הפוטון ולדחוס את רוחב קו הלייזר תוך התחשבות בצפיפות הפוטונים של החלל. בנוסף, ניתן ליצור מבנה מעין מונוליטי על ידי קיבוע שניהם על אותו גוף קירור באמצעות תהליך הדבקה, מה שעוזר להפחית את גודלו ועלות המכשיר.
הקבוצה של מר צ'אנג לין באוניברסיטת פקין מימשה לייזר היברידי משולב ברוחב קו צר במיוחד, כאשר החלק האקטיבי הוא לייזר DFB, חלק הסינון הפאסיבי הוא מיקרו-טבעת Si3N4 עם מקדם איכות של 2.6 × 1{{ 8}}8, ומבנה מוליך הגל סיליקון ניטריד בעל הגבלה נמוכה הפחית את אובדן השידור האופטי ל-0.1 dB/m, מה שבסופו של דבר מממש פלט רוחב קו בקנה מידה הרץ.