激光器的工作过程包括两个要素：
能够放大光信号的增益介质
能够提供持续激光振荡的反馈机制
在下图所示的法布里-珀罗(FP)激光器中，两个反射镜为光场提供反馈，其中??为电场反射系数，而它的平方为??，即功率反射系数。
光在腔内的往返增益为：
其中??和α??分别为增益系数和内部损耗系数，λ为真空波长，????????为有效折射率，??为腔长。当往返增益为1时，解方程可导出关于振幅和相位的阈值条件：
其中α??为反射镜损耗，??为表示模式数的递增整数。
在半导体(二极管)激光器中，增益介质由正向偏置二极管结区的注入电流进行激发。如果结区存在高浓度的电子和空穴，粒子数反转就有可能形成并提供光学增益。
对于半导体增益介质，两个切面可通过菲涅尔反射形成法布里-珀罗(FP)腔，而结区相当于波导。垂直于波导的原始切面提供??~30%的反射率。为了优化最大输出功率，可通过光学镀膜改变两个端面的反射率。FP激光二极管通常在后端面镀高反膜，在前端面镀低反膜，以此实现最大功率。
FP激光二极管的发射光谱取决于注入电流。当偏置低于阈值且?? > α??时，发射光谱包含一系列峰值，对应于FP腔的纵模。当注入电流增加到?? = α?? + α??阈值后将形成受激辐射放大。激光波长取决于最先满足阈值条件的纵模。输出光谱并不总是坍缩为单一波长，而是由一系列纵模组成的窄光谱。
基于InP的FP激光器尤其如此，它们通常具有5到10 nm的线宽。GaAs器件可根据波长和输出功率提供单纵模工作，通常具有小于2 nm的输出线宽。
考虑一个典型的850 nm激光二极管，其腔长约为300 µm而群折射率约为4，因此纵模间隔为0.3 nm，这类似于腔长1 mm、波长1550 nm激光二极管的纵模间隔。改变腔长或折射率(比如通过温度控制)能使整个模式结构发生偏移，从而改变输出波长。
激光线宽
半导体激光器的单纵模线宽(FWHM)由肖洛-汤斯-亨利激光线宽公式给出[1]：
其中????为光子能量，????为群速度，??????为粒子数反转因子，????????为单面输出功率。上式相当于在肖洛-汤斯线宽公式中额外引入一个α??，即亨利线宽增强因子。它说明激光谱线会发生展宽，因为自发辐射光子不可避免要进入相干激光模式，从而引入相位和振幅噪声，即量子噪声。虽然量子噪声决定了激光线宽的最小值，但机械/声音振动或温度变化会导致更大的噪声，因此肖洛-汤斯-亨利线宽通常无法实现。
根据前面的阈值条件公式可知，增加腔长可减小α??，从而减小线宽。这一点也可通过线宽公式来理解：量子极限线宽正比于激光模式中的自发辐射光子。增加腔长不仅能减少自发辐射光子数，还能在输出功率固定时增加腔内光子的总数。这就是为什么腔长项(α??)在线宽公式中出现了两次。
对于腔长为0.3 mm的单频分布反馈(DFB)二极管激光器，发射线宽通常在1到10 MHz量级。如果腔长增加到3厘米，发射线宽将被压缩100倍以上。研究表明[2]，长腔半导体激光器的发射线宽可降低到<1 kHz。
单波长和可调谐
很多应用需要单纵模(单频)和/或可调谐激光。半导体激光器可通过芯片外部的选频反馈元件实现可调谐和单频工作。这种结构叫做外腔二极管激光器(ECDL)，但它们必须抑制FP腔固有的光学反馈，比如在一个芯片端面镀增透膜，以免干扰外腔反馈。
芯片端面反射率(???)至少应比外部反射率低100倍[3]。即使镀增透膜，残留反射通常仍会限制ECDL的稳定性、输出功率和光谱质量，特别是在可调谐激光器中。单角面(Single Angled Facet)芯片可进一步减少内部反馈，因此非常适合宽带可调谐ECDL配置[4]。
外腔二极管激光器设计
实现外腔二极管激光器(ECDL)的方法有很多[3]。多数方法首先考虑选频反馈元件，通常光栅，它适用于单频激光器和宽带可调谐外腔激光器。当增益芯片的准直输出光束以角度θ入射光栅时，衍射光束将以角度θ'离开光栅。根据光栅方程：
其中??为衍射级数，λ为波长，??为光栅常数。由于衍射角和波长有关，因此增益芯片的输出光谱将通过衍射分离，从而利用不同的方法选择波长，并使其返回增益介质。
Littrow配置
Littrow配置是最简单外腔激光器配置之一。它使一级衍射光回射至芯片中，即θ = θ'，因此光栅方程可简化为：
输出激光功率通常从光栅的零级反射中提取，因为这样只需要一个透镜和一个光栅。
光栅通过旋转改变反射回波导的波长，以此调节激光波长。通过选择光栅(常数)、准直透镜和腔长，可以只将一个纵模反射回增益芯片，从而产生单频激光。准直透镜的选择也非常重要，因为它同时影响被照射的光栅面积以及耦合回增益芯片的焦斑尺寸。
Littrow配置的一个缺点是零级输出光束的角度随波长调谐而改变。不过，如果激光从SAF芯片的垂直端面输出，这个问题就能避免。在此配置中，垂直端面的反射率通常降低至约10%，而光栅需要把光高效地衍射至特定的级次，以此实现最高输出功率的外腔结构。
Littman-Metcalf配置
Littman-Metcalf配置额外使用一个可调反射镜选择反馈波长[5]。这种外腔能使光以更大的入射角两次通过光栅，更有利于波长选择，因此输出线宽通常比Littrow配置更窄。在Littman-Metcalf配置中，输出光束通常来自光栅的零级反射，因为传播方向不随波长调谐而改变。在这种情况下，SAF垂直端面通常镀反射率大于90%的高反膜，以此减小外腔中的损耗并提高输出功率。
有些应用可能仍要求使用垂直端面作为激光器的输出耦合镜，这时垂直端面需要镀低反膜才能最大限度地提高输出功率。
Littman-Metcalf配置的一个缺点是内部损耗高于Littrow配置，因此输出功率通常更低。内部损耗的增加主要源于调谐反射镜上的零级光束损耗，而且光栅在更大入射角条件下的效率降低，因此光栅损耗也将增加。
参考文献
[1] Henry, C. H., "Theory of the Linewidth of Semiconductor Lasers." IEEE J. of Quantum Electron QE-18, 259 (1982).
[2] Wyatt, R., Cameron, K. H., and Matthews, M. R. "Tunable Narrow Line External Cavity Lasers for Coherent Optical Communication Systems." Br. Telecom. Technol. J. 3, 5 (1985).
[3] Zorabedian, P. "Tunable External Cavity Semiconductor Lasers." Tunable Lasers Handbook Ed. Duarte, F. J. New York, Academic, 1995. Chapter 8.
[4] Heim, P. J. S., Fan, Z. F., Cho, S.-H., Nam, K., Dagenais, M., Johnson, F. G., and Leavitt, R. "Single-angled-facet Laser Diode for Widely Tunable External Cavity Semiconductor Lasers with High Spectral Purity." Electron. Lett. 33, 1387 (1997).
[5] Littman, M. G. and Metcalf, H. J. "Spectrally narrow pulsed dye laser without beam expander." Appl. Opt. 17, 2224 (1978).
