Un amplificador optico no respeta la estadistica de la luz incidente, por tanto, es necesario caracterizarlo estadisticamente. Con este fin se obtiene un modelo matematico basado en la ecuacion de la matriz densidad de fotones, la cual describe el comportamiento tanto lineal como no lineal del amplificador. Este modelo conduce a un sistema de ecuaciones diferenciales no lineales que proporcionan la evolucion temporal de los momentos estadisticos de la luz amplificada. Se ha puesto enfasis en el estudio de los momentos estadisticos y mas concretamente el de primer y segundo orden ya que su conocimiento permite calcular la relacion senal/ruido. Con el estudio del caso de hoy alta saturacion se vislumbra la posibilidad de reducir las fluctuaciones estadisticas relativas de la luz amplificada. Y, en consecuencia, mejorar la relacion senal/ruido. Con los resultados y conclusiones obtenidos hasta aqui, se realiza el estudio de un sistema formado por dos amplificadores opticos en cascada, el primero amplifica la senal proporcionando un nivel adecuado a la entrada del segundo para que este trabaje en regimen no lineal. Se ha analizado la influencia de los parametros de saturacion de los dos amplificadores y de sus longitudes en la relacion senal/ruido. Finalmente, se ha desarrollado un nuevo modelo para caracterizar una mezcla de medios saturables a partir de la e.M.D.F., lo cual ofrece la posibilidad de calcular las fluctuaciones estadisticas relativas de la luz. Se demuestra que un amplificador optico con una combinacion adecuado de los procesos saturables y de las perdidas lineales puede comportarse como un regenerador no sincronizado.
Un amplificador optico no respeta la estadistica de la luz incidente, por tanto, es necesario caracterizarlo estadisticamente. Con este fin se obtiene un modelo matematico basado en la ecuacion de la matriz densidad de fotones, la cual describe el comportamiento tanto lineal como no lineal del amplificador. Este modelo conduce a un sistema de ecuaciones diferenciales no lineales que proporcionan la evolucion temporal de los momentos estadisticos de la luz amplificada. Se ha puesto enfasis en el estudio de los momentos estadisticos y mas concretamente el de primer y segundo orden ya que su conocimiento permite calcular la relacion senal/ruido. Con el estudio del caso de hoy alta saturacion se vislumbra la posibilidad de reducir las fluctuaciones estadisticas relativas de la luz amplificada. Y, en consecuencia, mejorar la relacion senal/ruido. Con los resultados y conclusiones obtenidos hasta aqui, se realiza el estudio de un sistema formado por dos amplificadores opticos en cascada, el primero amplifica la senal proporcionando un nivel adecuado a la entrada del segundo para que este trabaje en regimen no lineal. Se ha analizado la influencia de los parametros de saturacion de los dos amplificadores y de sus longitudes en la relacion senal/ruido. Finalmente, se ha desarrollado un nuevo modelo para caracterizar una mezcla de medios saturables a partir de la e.M.D.F., lo cual ofrece la posibilidad de calcular las fluctuaciones estadisticas relativas de la luz. Se demuestra que un amplificador optico con una combinacion adecuado de los procesos saturables y de las perdidas lineales puede comportarse como un regenerador no sincronizado.
El presente Trabajo de Fin de Grado se centra en el estudio del comportamiento de la fase óptica en un láser de semiconductor de emisión lateral y modo discreto (DML). La motivación principal radica en la relevancia de comprender y controlar la difusión de fase de estos dispositivos, ya que es un fenómeno clave en el desarrollo de Generadores Cuánticos de Números Aleatorios. El estudio se ha abordado de forma sistemática, comenzando por el análisis del ruido en fase del láser bajo corriente continua sin modulación, como paso previo a su caracterización bajo una modulación sinusoidal de pequeña senñal. Los resultados experimentales muestran que, en ausencia de modulación, la difusión de la fase óptica disminuye a medida que la corriente continua se incrementa por encima del umbral, debido a la menor influencia relativa de la emisión espontánea. Al introducir la modulación sinusoidal, se observa un incremento notable en la difusión de fase, atribuible a las fluctuaciones de frecuencia (chirp) generadas. Se ha comprobado que tanto el aumento en la frecuencia como en la amplitud de la señal moduladora conllevan un aumento de la varianza de la fase. Un resultado clave es que, en ambas situaciones (con y sin modulación), el ruido en fase sigue una estadística Gaussiana, un comportamiento consistente con los modelos de ecuaciones de balance presentados, que describen la evolución estadística de la fase, cuya varianza aumenta linealmente con el tiempo para corrientes por encima de la corriente umbral. Estos resultados son de gran importancia para la investigación en el futuro de regímenes de modulación más complejos, como el ”gain switching”.
Usando las ecuaciones Ópticas de Bloch y considerando un sistema molecular que interactúa con un reservorio térmico, derivamos expresiones analíticas para las propiedades ópticas no lineales en la espectroscopia de mezcla de cuatro ondas. En este trabajo se introducen diferentes metodologías para el estudio de las polarizaciones macroscópicas y susceptibilidades ópticas no lineales. En un sistema de dos niveles, hemos considerado una frecuencia dependiente del tiempo para describir los efectos colectivos del reservorio térmico, cuya manifestación es el ensanchamiento del nivel superior según una función aleatoria prescrita. Aquí, las respuestas ópticas son calculadas mediante una metodología basada en el promedio de la coherencia obtenida por la resolución de las ecuaciones de Bloch ópticas estocásticas. Evaluamos las susceptibilidades ópticas a diferentes frecuencias, representadas como superficies numéricas para el comportamiento de las respuestas ópticas, en función del factor de desintonización de frecuencias bombeo-prueba, y de la intensidad del ruido. Se estudian los tiempos de relajación utilizando las propiedades de simetría de las respuestas ópticas y los efectos de la difusión espectral en la susceptibilidad no lineal de tercer orden para sistemas cuánticos de dos y tres estados. Los resultados presentados en este trabajo muestran aplicaciones potenciales para la caracterización de sistemas moleculares complejos a través de sus propiedades ópticas no lineales.
El objetivo principal de la investigación de la que da cuenta esta memoria es el estudio de la propagación sublumínica y superlumínica de pulsos y señales sinusoidales de luz a través de fibras dopadas con iones de Er3+. Debido a la interacción de la radiación con los iones de erbio, la velocidad de grupo de las señales puede diferir en varios órdenes de magnitud de la velocidad de la luz en el vacío c.\nEn concreto, se ha estudiado la influencia de los procesos de ganancia/absorción y de los fenómenos de transferencia de energía en la propagación sublumínica y superlumínica de señales sinusoidales y pulsos de luz en fibras altamente dopadas con iones de erbio (HEDFs). En estas fibras, los efectos no lineales de propagación son importantes, debido a la alta concentración de iones de Er3+, y a la presencia de clusters de iones, que dan lugar a fenómenos de transferencia de energía (upconversion). El estudio de estos fenómenos ha sido imprescindible para interpretar los resultados experimentales obtenidos. Por otro lado, se han buscado nuevos mecanismos que permitan mejorar la figura de mérito retardo/ancho de banda en fibras dopadas con erbio a temperatura ambiente. Se ha desarrollado una técnica, basada en la modulación de un haz de bombeo, que permite la mejora de los resultados anteriormente conseguidos en fibras dopadas con erbio. Se estudió teóricamente la implementación de esta técnica en otro sistema experimental, los amplificadores ópticos de semiconductor. Complementariamente al estudio del retardo/adelanto, se han estudiado otros parámetros de la señal propagada, como el ensanchamiento y la distorsión, importantes para una posible implementación de la técnica en dispositivos tecnológicos. La metodología de trabajo ha consistido en la realización de experimentos para medir la velocidad de grupo de señales propagándose en fibras dopadas con erbio. La realización de simulaciones numéricas, así como el desarrollo de modelos analíticos, han permitido explicar los resultados obtenidos. Con el fin de estudiar la dependencia de los retardos/avances con las propiedades de la fibra (dopaje, longitud), así como con las propiedades de la señal (anchura en el caso de los pulsos, frecuencia de modulación en el caso de señales sinusoidales, amplitud, cociente potencia de señal/potencia background) y con el bombeo óptico, se ha implementado un sistema experimental que permite la medida de adelantos y retardos de señales luminosas de ancho de banda variable que se propagan por las fibras, respecto de una señal de referencia. Se ha desarrollado un modelo teórico a partir del modelo de oscilaciones coherentes de la población (CPO) particularizado para fibras dopadas con erbio, que incluye los fenómenos de upconvesion, para explicar los resultados experimentales. Para ciertas situaciones experimentales, este modelo permite obtener expresiones analíticas para el desfase debido a las CPO. Para las situaciones donde los efectos de propagación son importantes, las ecuaciones de propagación fueron resueltas numéricamente mediante simulaciones por ordenador.
Nuestras investigaciones versan sobre las cuatro principales areas de la biestabilidad optica (ob). Primero comenzamos con la busqueda de algunos problemas basicos de biestabilidad optica multifotonica en una cavidad anillo de q alta con un sistema atomico de ensanchamiento homogeneo, tales como criterios para ob, estabilidad y otros. De la segunda area de ob, destacamos un nuevo tipo de dispositivos opticos biestables: los dispositivos opticos biestables con una red de difraccion. En tercer lugar, estudiamos algunas aplicaciones de la ob tales como: (1) las condiciones para utilizar un dispositivo optico biestable dispersivo, en una cavidad en anillo, como un amplificador y un estabilizador optico; (2) la reduccion del ruido cuantico en un dispositivo optico biestable con una cavidad lineal externa acoplada es estudiado; (3) las aplicaciones de la ob en laseres. Finalmente, estudiamos la ob en laseres. En primer lugar, estudiamos un laser de clase a con un dispositivo optico biestable. Un modelo dinamico semiclasico es desarrollado, y algunas caracteristicas y aplicaciones de esta estructura laser son estudiadas. En segundo lugar, investigamos las caracteristicas de un laser de semiconductor con una cavidad no-lineal externa. Hemos mostrado que este sistema puede usarse para reducir el ruido en intensidad y frecuencia de la luz de salida. Finalmente, estudiamos teorica y experimentalmente un laser de colorante con un espejo biestable opto-termico y hemos demostrado: (1) biestabilidad en longitud de onda e intensidad; (2) la mejora de la estabilidad de la potencia de salida; (3) la operacion flip-flop optica.
En la presente tesis se han realizado un conjunto de investigaciones experimentales en el marco de la micro-espectroscopia optica como base para el estudio de las propiedades opticas y la dinamica de recombinacion excitonica en puntos cuanticos (QDs) auto-ensamblados de InAs crecidos sobre substrato de GaAs e InGaAs (substrato metamorfico). Este estudio se ha completado con experimentos de correlacion de fotones emitidos por estos puntos cuanticos. En el primer analisis se realizo un estudio fundamental de las propiedades opticas de muestras de puntos cuanticos de InAs sobre sustratos de GaAs, con el fin de comprender el comportamiento dinamico de los portadores fotogenerados dentro de un QD ante la variacion de parametros como temperatura, potencia de excitacion y energia de excitacion. La comprension de los aspectos dinamicos de este primer grupo de muestras, bajo el prisma de un modelo numerico de poblacion aleatoria, permitio entender el comportamiento de la emision optica de un QD aislado como un sistema logico, basandonos en sus caracteristicas de emisor de fotones uno a uno, lo cual es de especial interes en el ambito tecnologico de la fotonica logica. En un segundo analisis se estudiaron un grupo de muestras de puntos cuanticos de InAs/GaAs crecidos sobre barreras de InxGa1-xAs (muestras metamorficas). La barrera de InGaAs produce un aumento de la longitud de onda de emision, fenomeno que es de especial interes para generar muestras de puntos cuanticos con emision en la segunda o la tercera ventana de las telecomunicaciones. Se realizo un estudio experimental de las propiedades opticas fundamentales en estas muestras, emitiendo en longitudes de onda largas (1200-1300 nm). El estudio experimental de las propiedades opticas fundamentales en estas muestras se dificulta por la deteccion de la senal de fotoluminiscencia, debido a la baja intensidad de emision de fotones por parte de las muestras y los altos niveles de ruido por parte de los detectores a estas longitudes de onda. Por todo ello, en esta tesis se presentaron alternativas experimentales para aumentar la relacion senal-ruido. En nuestro caso usamos redes de Bragg insertadas en fibras opticas como alternativa a los monocromadores convencionales, ya que presentan una mayor eficiencia en la coleccion de la senal optica.
En la actualidad existen tecnologías cuánticas que requieren de la disponibilidad de fuentes de luz no-clásica eficientes. El fenómeno de generación paramétrica descendente espontánea (SPDC) constituye un método práctico para la generación de este tipo de luz. Este método está basado en la interacción de campos electromagnéticos clásicos con materiales no-lineales por medio de procesos paramétricos. En general, el SPDC se ha utilizado e implementado experimentalmente para la generación de parejas de fotones utilizando materiales no-lineales de segundo y tercer orden. En la última década se ha buscado la manera de obtener múltiples fotones enredados. En este trabajo se presenta un estudio teórico del proceso de generación paramétrica espontánea descendente de tercer orden (TOSPDC) en materiales con una no-linealidad caracterizada por X(3), en donde se generan ternas de fotones enredados. De manera específica, consideramos la utilización de fibras ópticas ultra-delgadas como el medio no-lineal para el proceso de TOSPDC, en configuraciones en donde el empatamiento de fases se logra mediante el uso de diferentes modos transversales de propagación de la fibra, en particular cuando la luz generada se propaga en el modo fundamental y el bombeo en el primer modo excitado. Este trabajo está enfocado en proponer diseños de fuentes de ternas de fotones TOSPDC con los detalles necesarios, de tal manera que puedan ser implementados de manera experimental. Nuestro trabajo de investigación se enfoca en la descripción teórica del estado de tres fotones y en las características de empatamiento de fases de TOSPDC. Además se hace un análisis de la tasa de emisión de las fuentes propuestas en relación con los parámetros experimentales clave, como lo son la longitud de la fibra, el ancho de banda y la potencia de bombeo para cada una de las fuentes propuestas: casos de generación TOSPDC degenerada en frecuencia y no-degenerada en frecuencia. De manera adicional, se hace un estudio preliminar sobre las condiciones de empatamiento de velocidad de grupo para así lograr un control sobre las propiedades de enredamiento de las ternas de fotones emitidas.