Квантовые шумы света в опто-электронной петле тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Московский ордена Трудового Красного Зпаменп Физпко-Техяпческпй Институт

На правах рукописи УДК 621.373.8

ВАСИЛЬЕВ Михаил Валерьевич

КВАНТОВЫЕ ШУМЫ СВЕТА В ОПТО-ЭЛЕКТ.РОННОЙ ПЕТЛЕ

(01.04.03 - радиофизика)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учеяоп степени кандидата физпко-математпчесхих иаук

Москва-1995

Работа зьшолнена на кафедре квантовой радиофизики Московского физико-технического института. ,

Научные руководители: . доктор физико-математических наук, профессор В.Н.Сорокин кандидат физико-математических наук А.В.Масалов

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Д.Н.Клышко доктор физико-математических наук М.А.Губин

Ведущая .организация: Международный лазерный центр при МГУ им.М.В.Ломоносова

Защита состоится "^"^¡^лл«'^ 1996 г. в (О часов на заседании Диссертационного Совета К 063.91.02 по присуждению ученой степени кандидата физико-математических наук при Московском физико-техническом институте по адресу: 141700^ г.Долгопрудный Московской обл., Институтский пер.9, Московский физико-технический институт, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского физико-технического института.

Автореферат разослан " . ¿> " 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

С.М.Коршунов

1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Одним из достижений квантовой оптики последних лет является генерация света в сжатом состоянии. Под сжатым понимают свет, квантовые флуктащш одной из квадратур которого понижепы ("сжаты") по сравнению с кваитовымп флуктуациями когерентного состояния света. Известно, что при фотоприеме когерентного состояния, являющегося идеализацией излучения одиочастотзшх лазерных источников, квантовые флуктуации приводят к возникновению дробового шума фототока. Этот шум определяет стандартный квантовый предел чувствительности оптических измерений. Поэтому сжатый свет представляет для исследователей интерес тем, что позволяет преодолеть такой предел, и принцип," хльные ограниченна чувствительности, накладываемые оптическими шумами, могут быть в значительной мере сняты.

К сжатому свет тесно примыкает субпуассоновскпй свет, флуктуации числа фотонов которого понижены по сравнению с проявляющими пуассоновскую статистику флуктуациями числа фотонов в когерентном состоянии. Субпуассоновскнй свет позволяет снизить шумы фотоприема при прямом детектировании.

Впервые реализованное с непрерывном режиме а 1985 г., сжатие постепенно распространилось и на импульсные источники света. Термин "сжатие" был Также расширен на поляризационные и пространственно-многомодолые состояния света л па колебательные состояния молекул.

Для генерации сжатых состояний необходимо использование эффектов нелинейного взаимодействия сьета со средой, что требует высоких

интелсивностей излучения. Фотоприем субпуассоноиского света налагает высокие требования на квантовую эффективность детектора и уровень шумов электронного тракта, а квадратурно-сжатый свет наряду с этим требует применения схемы оптического гомодшшрования.

За последнее десятилетне были реализованы различные способы генерации сжатых и субпуассоновских состояний: использование эффекта ап-тигрушшровкп фотонов в процессе резонавспой флуоресценции, сжатие в процессах параметрического усиления и генерации, четырехволноао-го смешения и генерации второй гармоники, получение субпуассоновской статистики на выходе полупроводниковых лазеров при стабилизации тока накачки.

Один из наилучших результатов но подавлению дробового шума фототока (-7 дБ) был получен группой Ямамото в экспериментах с опто-электронной петлей (Phys. Rev. А 33, 3243 (1986) ). Такая петля представляет собой источник света, часть излучения которого регистрируется фотодиодом и используется как управляющий сигнал в цепи отрицательной обратной свази по интенсивности. Подобное устройство получило распространение для подавления технических шумов лазерных источников. В экспериментах Ямамото ставилась задача выяснить, возможно ли подавление квантовых шумов света в опто-электронной петле. Основной результат экспериментов Ямамото состоял в следующем: в то время как шум фототока в петле опускался па 7 дБ ниже дробового уровня, излучение, выведенное из петли светоделителем, обладало избыточ-' ним шумом. Это означает, что опто-зпектроивая петля ие может быть использована, в качестве источника субпуассоновского света.

Эти эксперименты стимулировали создание квантовой теорий источника света с обратной связью (Шапиро со соавторами, JOSA В 4, 1604 (1987) ). Расчет не только подтвердил качественно результаты Яма' 4.

/

»

'.moto, по и дал рабочие формулы для уровней шума фотодетекторов, установленных как в петле обратной связп, так п в выведенном пупке. Однако следует отметить, что основной результат расчета Шапиро - выражение для шума тока фотодиода обратной связи - оказался в противоречии с традиционной квантовой теорией фотопрпема света Глаубера. Действительно, распеты Шапиро с соавторами предсказывают, что по мерс увеличения силы обратной связи шум фототока может быть подавлен до сколь угодно малой величины, в то время как в традиционной теории фотопрпема шум фототока не может быть сколь угодно малым и всегда больше величины так называемого предельного шума фотодетектора (1 — 1?){Дг')у, где ^Д»'2) - уровень дробовых флукту--' ации фототока. Такой предельный шум фотодетектора достигается при приеме идеального субпуасгоновского света, у которого полностью отсутствуют флуктуации интенсивности (Д/2) = 0. Указанное противоречие между традиционной теорией фотоприема и теорией источника света с обратной связью оказалось вне поля зрения авторов теоретических исследований опто-электронной петли. Это обстоятельство было связано с тем, что Ямамото с сотрудниками могли использовать лишь неглубокую обратную связь и не преодолели предел,фотодетектора.

Такт! образом, к началу наших исследований опто-электроннои петли с отрицательной обратной связью существовало явное противоречие между традиционной квантовой теорией фотопрпема и теоретическим предсказанием возможности сколь уюдно малого шума фототока в петле. При этом отсутствовали эксперименты с петлей, где сила обратной связи была бы достаточно велика, чтобы проверить теоретические предсказания.В случае, сели шум фототока не подавляется ниже предельного даже при достаточно большой величине силы обратной связи, теория Шапиро не работает и необходимо нозое теоретическое описание. В другом

случае^ если шум подавляется ниже предела фотодетектора, необходима новая концепция состояния света в петле, примиряющая теорию Шапиро с традиционной теорией фотодетектирования.

Царяду с проблемой преодоления предельного шума фотодетектора в петле существует к другая проблема происхождения избыточного шума в выведенном пучке. Этот шум можно интерпретировать как ва: куумные флуктуации открытого входа светоделителя, усиленные опто-электронной петлей и переданные в выходной пучок. Если такая интерпретация верна, то следует ожидать, что петля будет усиливать и регулярный световой сигнал, поданный на открытый вход светоделителя. Обнаружение подобного эффекта оптического усиления в опто-электронной петле и характеризацня его основных параметров (таких как коэффициент усиления, рабочая полоса частот, шумовая характеристика) могли бы сделать это устройство полезным для практики.

Вышеизложенные нерешенные проблемы источника с обратной связью позволяют сформулировать цель диссертационного исследования: экспериментальное изучение квантовых флуктуации света в опто-электронной петле с отрицательной обратной связью.

Задачи диссертационной работы

В задачу данной диссертационной работы входило:

в Создать экспериментальную установку с опто-электронной петлей, где сила обратной связи была бы достаточно велика для подавления шума фототока ниже предела фотодетектора.

в Измерить уровни шума фототока в опто-электронной петле и сопоставить их как с традиционной теорией фотопрпема, так и с предсказаниями теории опто-электронной петли Шапиро.

• Исследовать возможность оптического усиления света, подаваемого на открытый вход светоделителя в петле.

• Измерить основные 'параметры оптического усилителя на основе спто-электроипой петли.

Научная новизна диссертационной работы

Новизна данной работы обусловлена следующими факторами:

» эксперименты с опто-электронной петлей проводятся в неисследованной до сих пор области параметров, где неприменимы соотношения традиционной квантовой теории фотоприема;

о предлагается использовать данное устройство в качестве оптического усилителя, что открывает совершенно новую область его применений.

Практическая ценность работы

Практическая значимость выполненных исследования состоят в следующем: предложена новая область применения опто-элехстронной петли в качестве оптлческбго усилителя. Такой усилитель может Сыть использовал в режиме генерации когерентного излучения и служить преобразователем излучения лазерных источников.

Основные положения, выносимые на защиту:

в Экспериментальные результаты по подавлению шума фототока в опто-электрочной петле паже предела фотодетектора более, чем в 50 раз.

в Экспериментальные результаты наблюдения эффекта оптического усиления с помощью опто-электронной петли, демонстрирующие близость шумовых характеристик к случаю идеального фазо-нечувствительного усилителя.

• Модель антикоррелированного состояния света в опто-электронной петле, количественно онисывающая всю совокупность полученных экспериментальных данных.

Апробация работы

Материалы диссертации докладывались на конференциях: Семинар по сжатым состояниям и соотношениям неопределенности (Балтимор, США, 1993), Международная конференция по нелинейным квантовым явлениям (Дубна, Россия, 1993), Семинар по квантовой оптике (Минск, Беларусь, 1994), Квантовая передача информации и измерения (Ноттингем, Англия, 1994), Квантовая оптика (Давос, Швейцария, 1994), Ро-честерская конференция по когерентной и квантовой оптике (Рочестер, США, 1995), Международная конференция по когерентной и нелинейной оптике (Санкт-Петербург, Россия, 1995), Квантовая оптика и спектроскопия твердых тел (Билькент, Турция, 1995).

Публикации

Основные результаты диссертации были опубликованы в 4 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Общий объем составляет 115 страниц, включая 37 рисунков и

библиографию из 52 пунктов.

2 СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и сформулированы основные задачи диссертационной работы, кратко изложено основное содержание ма-. тернала по главам.

В перзой главе описаны эксперименты по преодолению предельного шума фототока, обусловленного неединпчной квантовой эффективностью фотодет'ектора. Для этого была собрана экспериментальная установка па основе аргонового лазера и электро-оптического модулятора, позволившая исследовать подавление дробового шума фототоха при различных значениях силы обратной связи. В этой установке обратная связь управляла интенсивностью светового пучка с помощью модулятора, что дало возможность варьировать силу обратной связи в широких пределах независимо от режима работы лазера и достичь значений, достаточных для преодоления предального шума фотодетектора. Было обнаружено, что шум фототока дпода обратной связи подавляется глубже предельного шума фотодетектора. Достигнуто рекордное подавление дробового шума фототока в 262 раза (24,2 ±0,4 дБ), что при квантозоЗ эффективности 0,80 соответствует уровню шума в 52 раза ниже предельного шума 9 фотодетектора.' Этот факт с особой остротой ставит вопрос о состоянии света в петле. Впервые проведены систематические измерения шума фототока в петле и в выведенном пучке для широкого диапазона значений силы обратной связи. Это позволило провести количественное сравнение экспериментальных данных с теорией опто-электронной петли.

Во второй главе предложена и теоретически разработана концепция ангпкоррелцроваиного света. Согласно этой концепция поле в пё-

тле трактуется как состояние с пуассоновскимп флуктуацнями ннтен-. сивности и наложенными на них антикоррелированными классическими флуктуацнями. Учет такой антикорреляции позволяет модифицировать соотношения традиционной квантовой теории фотоприема для описания света в петле. Степень антикорреляции в фототоке может быть сделана сколь угодно близкой к единице, и в результате шум фототока подавляется неограниченно. В то же время степень антикорреляции классических ц квантовых флуктуацпй в свете ограничена квантовой эффективностью фотодиода обратной связи. Получены формулы для величин шума в петле обратной связи и в выведенном пучке, согласующиеся со всей совокупностью экспериментальных результатов первой главы. Эти формулы обосновывают возможность усиления света петлей.

В третьей главе описаны эксперименты по осуществлению оптического усиления в петле. Такое усиление осуществляется в результате двойного преобразования: сначала' спектр оптического сигнала переносится в раднодиапазоя при гетеродинном фотоприеме и усиливается традиционной электроникой, а затем возвращается в оптический диапазон электро оптическим модулятором. Экспериментально реализовано усиление светового сигнала в '6,7 раз при ширине полосы усиления 1 МГц. Продемонстрирована фазо-нечувствительность такого усилителя. Измерены значения коэффициента усиления для широкого диапазона величин силы обратной связи. На основе концепции антикоррелцрованного света теоретически показано, что коэффициент усиления в таком устройстве определяется обратной величиной пропускания светоделительвого зеркала, полоса частот - временем обхода петли, а избыточные (по сравнению с идеальным фазо-нечувствительным.усилктелем) шумы - квантовой эффективностью фотодиода обратной связи. Полученные формулы хорошо согласуются с экспериментальными величинами коэффициента усиления.

Четвертая глава посвящена экспериментальному изучению шумовых характеристик усилителя. При различных коэффициентах усиления проведены измерения падения отношения "сигнал/шум" выходного оптического сигнала по отношению ко входному. При усилении света в 6,7 раза зарегистрировано ухудшение отношения "сигнал/шум" в фототоке на 1,75 дБ, что соответствует ухудшению отношения "сигнал/шум" в свете на 4,1 дБ. Полученные данные свидетельствуют о близости такого устройства по своим шумовым параметра}.! к идеальному фазо-нечувствительному усилителю, ухудшающему отношение "сигнал/шум" на 3 дБ для случая когерентного состоянпя'света на входе..Измерения шу-* ма выходного пучка, проведенные в широком диапазоне значений коэффициента обратной связи, демонстрируют хорошее согласие с теоретическими расчетами, основанными на концепции антикоррслпрсванного состояния света.

В заключении кратко излагаются основные результаты работы.

В приложении выводятся соотношения квантовой теории гетеро- и го.модпнного фотоприсма, необходимые для обоснования теоретического описания усиления в опто-электронноп петле.

3 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

• Впервые экспериментально осуществлено подавление шума фототока ниже предела, накладываемого традиционной квантовой теорией фотоприсма и обусловленной неединичной квантовой-эффективностью фотодетектора. Достигнут уровень шума в 52 раза ниже указанного предела (при этом подавление дробового шума фототока составляет 262 раза или 24,2 ±0,4 дБ). Этот экспериментальный

факт требует введения новой концепции состояния света в опто-электронной петле, пргмнряющей традиционную теорию фотоприема с полученными результатами. Максимальное подавление квантовых флуктуации интенсивности света в петле составляет 0.32 от пуаесоновекого уровня.

* Предложен новый тип когерентного оптического усилителя на основе опто-электронной петли; в этом устройстве усиление оптического сигнала осуществляется в результате двойного преобразования: сначала спектр оптического сигнала переносится в-радиодиапазон при гетеродинном фотопрпеме и усиливается традиционной электроникой, а затем возвращается в оптический диапазон электрооптическим модулятором. Показано, что коэффициент усиления в таком -устройстве определяется обратной величиной пропускания светоделителыюго зеркала, полоса частот - временем обхода петли, а избыточные (по сравнению с идеальным фазо-нечувствительным усилителем) шумы - квантовой эффективностью фотодиода обратной связи.

в Реализован когерентный оптический усилитель на основе опто-.электроннои петли.. Достигнут коэффициент усиления 6.7 раз при полосе усиления в 1 МГц и шумовых параметрах, близких к идеальному линейному фазо-нечувствитсльному оптическому усилителю (превышение шума над шумом идеального усилителя составляет 1,1 дБ или 28%). Областью применения данного усилителя может стать генерация когерентного света в преобразователях лазерного излучения.

в Предложена концепция антикоррелированного состояния света в

1.2

опго-элекгропшш петле, согласно которой спет п петле находится в когерентном состоянии со случайной модуляцией, и его наблюдаемые флуктуации слагаются из пуасссновских флуктуации и ан-тнкоррелпрованцых с ними вариаций средней интенсивности. Эта концепция примиряет традицпопную теорию фотоприема с фактом преодоления предела шумоз фотодетектора. С помощью данной концепции проведено количественное описание шумов в наблюдаемых фототоках, согласующееся со всей совокупностыо полученных экспериментальных результатов. Кроме того, разшгтая концепция позволила предсказать и списать режим усиления а петле. Сформулированы парадоксы, свойственные состоянию спета в петле, и дано их рпзъяспение в рамках концепции антцкоррелирсвашюго состоя-* ппя.

П У Б Л И К. А Ц И И ПО ТЕ M Б ДИССЕРТАЦИИ

Результаты работ, составляющих данную диссертацию, представлены в следующих публикациях:

1. Masalov A.V., Putilin A.A., Vasilyev M.V,, "Sub-Poissonian Light and Photocurrent Sliot-Noise Suppression in Closed Optoelectronic Loop", Journal of Modern Optics, 41, 1941 (1994),

2. Masalov A.V., Putilin A.A., Vasilyev M.V., "Anticorrelation State of Light and Photocurrent Shot-Noise Suppression in Closed Optoelectronic Loop-', Laser Physics, 4, 653 (1994),

3. A.V.Masalov, A.A.Putilin, M.V.Vasilyev, "Sub-Poissonian Light and Photocurrent Shot-Noise Suppression in Closed Optoelectronic Loop", Proceedings of The Third International Workshop on Squeezed States and Uncertainty Relations (August 10-13, 1993, Baltimore, USA), NASA Conference Publication 3219, Eds. D.Han, Y.S.Kim, Y.Shih, VV.W.Zachary, 213 (1994),

4.. A.V.Masalov, A.A.Putilin, M.V.Vasilyev, "Photocurrent Noise Suppression and Optical Amplification in Negativc-Feedback Opto-Electronic Loop", Quantum Communications and Measurement, Eds. V.P.Belavkin, O.Hirota,-R.L.Hudson, Plenum Press, New York, 511 (1995).