Подавление фотонного шума методами линейной и нелинейной оптики

• Автор: Масалов, Анатолий Викторович
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 208 с. : ил.

^ Часть I. Фотонный шум света в опто-электронной петле
Глава 1. Опто-электронная петля с электро-оптическим
модулятором
§ 1.1. Постановка эксперимента
§ 1.2. Схема установки
§ 1.3. Экспериментальные результаты
§ 1.4. Трактовка результатов
§ 1.5. Усиление света в опто-электронной петле
# В ыводы к Главе
Глава 2. Опто-электронное усиление света
§ 2.1. Механизм усиления и теоретическое описание
опто-электронного усилителя света
§ 2.2. Место опто-электронного усилителя среди
аналогичных устройств
§ 2.3. Экспериментальная реализация опто-электронного
услителя света
Выводы к Главе
Глава 3. Опто-электронный генератор света
§ 3.1. Схема и теоретическое описание
# § 3.2. Порог, модовая структура, КПД
§ 3.3. Режимы работы и динамический хаос
§ 3.4. Преобразование мощности и частоты в
опто-электронном генераторе
Выводы к Главе
Заключение к первой части

^ Часть II. Неклассические поляризационные состояния света
Глава 4. Поляризация света в квантовой оптике и подавление
шумов поляризационных переменных света
§ 4.1. Элементы поляризационного описания света
# § 4.2. ХУ-бифотонный свет
§ 4.3. Схема установки
§ 4.4. Подавление шума поляризационной переменной света
Выводы к Главе
Глава 5. Генерация света со скрытой поляризацией
§ 5.1. Свойство скрытой поляризации неполяризованного
света
§ 5.2. Генерация света со скрытой поляризацией
^ Выводы к Главе
Глава 6. Поляризационная томография квантового
состояния света
§ 6.1. Множество наблюдаемых в поляризационной
квантовой оптике
(Р §6.2. Функция поляризационной квазивероятности
§ 6.3. Атлас функций поляризационной квазивероятности
§ 6.4. Первый опыт поляризационной томографии
Выводы к Главе
Заключение ко второй части
р Заключение
Бдагодарно сти
Литература
(«г

Представленные экспериментальные иследования нацелены на управление квантовыми флуктуациями света. Понятие квантовые флуктуации электромагнитного поля подразумевает такие флуктуации, которые выходят за рамки классического описания (где поля детерминированы) и которые не сводятся к стохастическому поведению источников. Согласно современным физическим представлениям квантовые флуктуации поля (или квантовый шум) не являются фиксированными, их уровень формируется процессами в источнике поля, кроме того, они подвержены влияниям и изменяются при преобразованиях световых пучков. Поэтому квантовыми флуктуациями поля можно управлять. В связи с прогрессом лазерной техники и успехами в стабилизации параметров лазерных источников технические флуктуации генерируемого излучения оказываются в ряде случаев значительно подавленными, и на первый план выступают квантовые флуктуации светового поля. Можно назвать несколько областей применения лазеров, где квантовые флуктуации поля играют принципиальную роль, становятся ограничивающим фактором и определяют основные характеристики устройств. В первую очередь это область прецизионных оптических измерений, где лазерное излучение используется для интерферометрии, фотометрии и т. п. Здесь фактором, ограничивающим чувствительность измерений, как правило, является фотонный шум стандартного квантового уровня, свойственный когерентному состоянию лазерного излучения. Другая область - это оптические линии связи, где квантовые флуктуации играют роль фундаментального предела плотности кодировки и являются источником ошибок при передаче информации. Хотя современные линии оптической связи по плотности кодировки пока далеки от фундаментального предела, квантовый шум амплитуды передаваемых битов информации (особенно в условиях многоступенчатого оптического усиления) дает заметный вклад в скорость ошибок. Особого упоминания заслуживает третья область - квантовые вычисления, где важны не столько уровни квантовых флуктуаций, сколько весь характер квантового состояния излучения. Здесь наблюдаемые квантовые флуктуации являются указателями соответствия квантового состояния ожидаемому и сигналами для управления. Таким образом, вопрос управления квантовыми флуктуациями излучения относится к числу актуальных тем современной оптики.
Прогресс последних десятилетий в совершенствовании лазерных источников и в создании нелинейно-оптических устройств позволил реализовать источники света с весьма необычными квантовыми шумами. Наиболее ярким примером здесь является свет в сжатом состоянии (см. [1,2] и ссылки в них): квантовые флуктуации одной из квадратур поля у
- после электронного усиления переменная составляющая фототока преобразуется в напряжение, действующее в модуляторе.
В то время как преобразование модуляционных компонент на каждой стадии тривиально (рис. 15), преобразование шумовых компонент сопровождается добавлением нового шума. Действительно, свет, выходящий из модулятора, несет с собой пуассоновский шум (г), который исходно не связан с процессом модуляции. При светоделении к пуассоновскому шуму прошедшего и выведенного пучка добавится шум светоделения (й), представляющий результат случайного разделения фотонного потока на два. В фотодетекторе новый шум возникает как результат его неединичной квантовой эффективности (/«). А на выходе электронного усилителя к напряжению управления модулятором добавляется собственный шум усиления (г’у). Преобразование последнего источника шума тривиально, поскольку данный шум добавляется к току в "классической" части устройства и для него не нужны квантовые формулы. Только первые три "источника шума" нуждаются в квантовом описании. Причем квантовая формула для пуассоновского шума мощности наиболее проста и некоторая аккуратность требуется лишь для описания шумов, добавляемых светоделителем и фотодетектором. Выпишем необходимые формулы преобразования модуляционных и шумовых компонент на всех четырех стадиях преоблразования излучения и тока, применяя по необходимости стандартные соотношения квантовой оптики.
Преобразование в модуляторе. Из-за приложенного к модулятору напряжения бы выходящий световой пучок содержит (помимо средней мощности Р) модуляционную компоненту 5РМ
йРи=Р?Г' с-18)

и шумовую ЗР{у, представляющую собой соответствующую частотную компоненту пуассоновского шума
(бР^) = 2Н0)РА/. (1.19)
Впоследствии обратная связь установит между ними соответствие.
Преобразование в светоделителе. Преобразование средних мощностей световых пучков при светоделении (Р и Рг) равно как и модуляционных компонент (6РШ и ЗРгм) тривиально