Esquema para la medición simultánea del ruido de intensidad y del ruido cuántico de un láser de semiconductor con estados comprimidos de la luz

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1 SOMI XV OPT-1 Esquema para la medición simultánea del ruido de intensidad y del ruido cuántico de un láser de semiconductor con estados comprimidos de la luz A. Arvizu Mondragón*, M. L. Oviedo Berrelleza*, P.Gallion** *CICESE departamento de Electrónica y Telecomunicaciones km. 107 Carretera Tijuana-Ensenada Ensenada, B.C. México arvizu@cicese.mx **Ecole nationale supérieure des télécommunications département Communications & Electronique 46, rue Barrault, Paris cedex 13 CONGRESO NACIONAL DE INSTRUMENTACION

2 Esquema para la medición simultánea del ruido de intensidad y del ruido cuántico de un láser de semiconductor con estados comprimidos de la luz A. Arvizu Mondragón*, M. L. Oviedo Berrelleza*, P.Gallion** *CICESE departamento de Electrónica y Telecomunicaciones km. 107 Carretera Tijuana-Ensenada Ensenada, B.C. México arvizu@cicese.mx **Ecole nationale supérieure des télécommunications département Communications & Electronique 46, rue Barrault, Paris cedex 13 RESUMEN En el presente trabajo se describe el principio de funcionamiento de un esquema empleado para la medición simultánea del ruido de intensidad y del ruido cuántico de un láser de semiconductor. Se muestran asimimismo algunas curvas típicas obtenidas con este esquema. ABSTRACT In this work we describe the principles of operation of a balanced photodetection scheme used for the simultaneous measurement of the intensity and the shot noise of a semiconductor laser. We shown several typical curves obtained using this scheme. 1. INTRODUCCIÓN. La reducción del ruido de intensidad de láseres de semiconductor tiene una gran importancia para diversas aplicaciones tales como sensores y sistemas de comunicaciones ópticas con detección directa entre otras [1]. Una posible técnica de reducción del ruido de intensidad de un láser es la denominada "compresión de la luz" [2], mediante la cual, se reduce el "nivel de aleatoriedad" de los tiempos de arribo de los fotones emitidos por el láser al fotodetector (obteniéndose fluctuaciones "sub-poissonianas"[3] del ruido del fotodetector, disminuyendo a su vez la cantidad de ruido (potencia de ruido) cuántico, ocasionando un incremento de la relación señal a ruido en el fotorreceptor, lo que mejora el desempeño del sistema de comunicaciones (se disminuye la probabilidad de error de bit). Cuando se realizan experimentos para comprimir la luz de un laser de semiconductor, es necesario disponer de un sistema de medición que permita caracterizar, preferentemente de manera simultánea, el denominado RIN (ruido de intensidad relativo) y el ruido cuántico (shot), así como la relación entre ambos. Un esquema que permite realizar esta medición es el denominado esquema de fotorrecepción balanceada con una línea de retardo en una de sus ramas y un dispositivo que realice la suma (o resta) de las señales de ambas ramas. En el presente trabajo se describirán de manera muy general los principios básicos para la compresión de la luz de un láser de semiconductor, así como los criterios de diseño para el esquema de medición mencionado y algunos resultados típicos. 2. COMPRESIÓN DE LA LUZ. La señal de un oscilador láser puede ser representada mediante el uso de un fasor con una amplitud A = P (donde P es la potencia promedio de la señal óptica) al cual se le adiciona un vector de ruido N(t) (ver figura 1) [4]. El vector de ruido puede ser descrito mediante la representación de Rice [5], es decir, mediante sus componentes en fase y cuadratura.

3 Im N NQ NI δφ A ϕ Re Figura 1. Representación de Rice de un oscilador láser. Puede demostrarse que el componente en fase está relacionado al ruido de intensidad del láser [6], mientras que el componente en cuadratura lo está con el ruido de fase [7]. Puede demostrarse también (ver por ejemplo [8]) que el ruido de intensidad de un láser puede ser reducido a costa de aumentar su ruido de fase (pues debe cumplirse siempre el principio de incertidumbre de Heisenberg). Si se realiza la reducción del ruido de amplitud de esta manera, se dice, que se han generado "estados comprimidos de la luz". Cuando se trabaja "comprimiendo" la luz es muy conveniente disponer de un sistema de medición que sea capaz de medir simultáneamente el ruido de intensidad del láser y el ruido cuántico para poder evaluar la cantidad de "compresión" (en caso de que se logre comprimir la luz). 3. ESQUEMA DE MEDICIÓN. 3.1 PRINCIPIO DE OPERACIÓN. El ruido de intensidad relativo (R.I.N.) de un láser de semiconductor puede ser evaluado mediante el uso de un fotodetector y un analizador de espectros [9], sin embargo dicho esquema requiere de una "calibración" continua del ruido cuántico para tener la certeza de que se ha logrado la compresión de la luz ( se dice que hay compresión de la luz cuando el ruido de intensidad es menor que el nivel de ruido cuántico [8]). Es por esta razón que se prefiere la utilización de dos fotodetectores en configuración balanceada [10] con una línea de retardo eléctrica en una de sus ramas [8] tal como se observa en la figura 2. Las señales procedentes de ambas ramas son inyectadas a un dispositivo de suma (o resta indistintamente).

4 Laser 9V Control de temp. Fuente de corriente T Lente 1 R A placa retardadora PIN 9V Divisor de haz R A G línea de retardo T amplificador PIN G + - Analizador de espectros Figura 2. Esquema de medición del ruido. La utilización de una línea de retardo nos permite obtener una curva "tipo senoide" (en el dominio de la frecuencia) con una frecuencia de repetición : f = 1 T d (1) donde T d es el tiempo de retardo de la línea de retardo. La forma más sencilla de implementar este retardo es mediante el uso de un cable "largo". El único compromiso de esta implementación son las pérdidas introducidas por el cable (las cuales son más significativas conforme aumenta la frecuencia). Cuando las pérdidas son importantes, es conveniente agregar un atenuador en la otra rama del esquema balanceado. 3.2 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA IMPLEMENTADO. El sistema reportado en el presente trabajo se muestra en la figura 2, el cual se describe a continuación. El láser a caracterizar se monta sobre una base cuya temperatura es controlada mediante el sistema ilustrado en la figura 3, consistente de un sensor de temperatura (termistor), un módulo controlador de temperatura (MPT) y un arreglo de dispositivos de efecto Peltier (TEC). fuente de corriente láser termistor montura del láser TEC MPT fuente de voltaje monitor de temp. del láser mon itor de temp. deseada Figura 3. Sistema de control de temperatura. La corriente de operación del láser es controlada mediante el uso de una fuente de corriente.

5 Se utiliza una lente para enfocar el haz del láser. A continuación, se utiliza una placa retardadora de media onda λ 2 ( ) operando a 1.55 µm, cuya salida incide sobre un cubo divisor de haz dependiente de la polarización [11]. Cada una de las salidas del divisor de haz incide a su vez sobre cada uno de los fotorreceptores del esquema de detección balanceada. Los fotorreceptores se implementaron utilizando los fotodiodos PIN de banda ancha C3019 de EG&G Optoelectronics (con una responsividad típica de 0.9 a 1.55 µm), y con una resistencia de carga de 1 kÿ /RV IRWRGLRGRV VH SRODUL]DQ FRQ EDWHUtDV LQGHSHQGLHQWHV GH 9ROWV D WUDYpV GH XQD 7 GH polarización para evitar el acoplamiento del ruido de la línea de AC. Se colocan amperímetros en serie, con la finalidad de medir la corriente que circula por cada fotodetector, la cual, es proporcional a la potencia óptica incidente sobre los mismos. Para balancear el esquema de fotodetección, es decir, para lograr que incida la misma potencia óptica sobre cada fotodetector, nos auxiliamos del uso de la placa retardadora de media onda y del divisor de haz [11]. La salida de uno de los fotorreceptores es inyectada a un amplificador de voltaje de la compañía MITEQ, el cual tiene una ganancia de 40 db en la banda de 1 MHz a 1 GHz. La salida del otro fotorreceptor es pasada a través de una línea de retardo eléctrica, para después ser amplificada por un dispositivo similar al mencionado anteriormente. La salida de ambos amplificadores es aplicada a un dispositivo de suma (o resta), en este caso, a un dispositivo denominado "unión híbrida" de la compañía Maacom, el modelo H-19. Este dispositivo es capaz de realizar la suma (o la resta, pues dispone de dos salidas), de dos señales de voltaje, con un ancho de banda de 1 MHz a 2 GHz. 4. RESULTADOS EXPERIMENTALES. La salida del esquema de medición es observada en un analizador de espectros eléctrico, mostrándose en las figuras 4a y 4b, resultados obtenidos para láseres sin compresión de la luz. Los valores máximos corresponden al ruido de intensidad del láser, mientras que los mínimos indican el ruido "shot" (límite cuántico [8]); nótense asimismo los efectos de la interferencia electromagnética (picos abruptos). a)

6 b) Figura 4. Relación entre el ruido de intensidad del láser (máximos de la curva) y el ruido "shot" (mínimos de la curva) en el dominio de la frecuencia para; a) corriente del láser 100mA, temperatura del láser 20 C, b) corriente del láser 110 ma, temperatura del laser 25 C 5. CONCLUSIÓN. En este trabajo se describen de manera general algunos de los conceptos relacionados con la compresión de la luz. Se describen también los criterios de diseño de un esquema de medición simultánea del ruido de intensidad y el ruido cuántico de un láser de semiconductor mostrandose algunos resultados típicos sin compresión. La utilización de un esquema como el reportado es muy conveniente pues evita la "calibración de ruido shot" continua. Al momento de realizar el presente trabajo no fue posible presentar mediciones de la luz con compresión, sin embargo, los autores se encuentran trabajando en la obtención de la misma. 6. REFERENCIAS. 1. Young-qing Li, Min Xiao, "Generation and applications of amplitude-squeezed states of light from semiconductor diode lasers", Optics Express, Vol.2, No.3, 2 february 1998, S.F. Pereira, Z.Y. Ou, H.J. Kimble, "Quantum communication with correlated nonclassical states", publicación sometida por los autores a la revista Phys. Rev., tomada de la página 3. P.Gallion, "Classical approach of noise in optical amplifiers", COST 267 Meeting, Paris October 19-20, A.Yariv, "Optical electronics in modern communications", Oxford University Press, S. Haykin, "Communication systems", John Wiley and sons, 1978, USA.

7 6. P.Gallion, "A classical corpuscular approach to optical noise", (Invited paper),10th Optical Amplifiers and their applications '99, ENST, Paris, A.Arvizu, P. Gallion, "Schallow-Townes relationship derivation using the Rice representation of optical noise", (en preparación). 8. F. Jérémie, "Contribution à l'étude de la génération des états comprimés de la lumière par les lasers semi-conducteurs: théorie classique et applications aux lasers DFB 1,55 µm", tesis doctoral, ENST, París, Francia, 23, de enero de G.P. Agrawal, N.K. Dutta, "Semiconductor lasers 2nd edition", Van Nostrand Reinhold, NY, USA, J.P. Poizat, T.Chang, P. Grangier, "Quantum intensity noise of laser diodes and nonorthogonal spatial eigenmodes", Physical Review A, Vol. 61, , Melles Griot Handbook 2000, páginas