En el presente trabajo se ha estudiado experimentalmente la fase óptica de dos tipos de láseres de semiconductor. Se ha estudiado cómo la dinámica de estos láseres puede describirse a partir de las ecuaciones diferenciales estocásticas definidas mediante fuentes de ruido de Langevin. Se ha probado, de esta manera, que el ruido en fase de los láseres de semiconductor tiene estadística Gaussiana. Asimismo, se ha evidenciado una mayor difusión de la fase para una corriente inducida menor. De esta manera, en este trabajo se ha pretendido verificar un comportamiento de la fase óptica de los láseres de semiconductor aleatorio, cuya principal utilidad es el desarrollo de sistemas de generación cuántica de números aleatorios y de distribución cuántica de clave.
En el presente trabajo se ha estudiado experimentalmente la fase óptica de dos tipos de láseres de semiconductor. Se ha estudiado cómo la dinámica de estos láseres puede describirse a partir de las ecuaciones diferenciales estocásticas definidas mediante fuentes de ruido de Langevin. Se ha probado, de esta manera, que el ruido en fase de los láseres de semiconductor tiene estadística Gaussiana. Asimismo, se ha evidenciado una mayor difusión de la fase para una corriente inducida menor. De esta manera, en este trabajo se ha pretendido verificar un comportamiento de la fase óptica de los láseres de semiconductor aleatorio, cuya principal utilidad es el desarrollo de sistemas de generación cuántica de números aleatorios y de distribución cuántica de clave.
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”.
En el presente trabajo se ha estudiado la generación cuántica de números aleatorios (QRNG) mediante láseres de semiconductor de emisión lateral, con especial atención al ruido de fase originado por la emisión espontánea. Se han aplicado conocimientos impartidos en la carrera sobre óptica, fotónica, tecnologías cuánticas, programación y estadística. Se ha reproducido un montaje experimental basado en la interferencia de la señal emitida por un láser de modo discreto (DML) con la señal emitida por un láser sintonizable con objeto de medir la fase óptica del DML. El análisis de la fase óptica se ha llevado a cabo mediante técnicas numéricas avanzadas de desenvolvimiento de fase. Se ha confirmado que la variación de fase sigue un proceso estocástico gaussiano con un valor alto de varianza, lo que permite su uso como fuente de entropía cuántica. Posteriormente, se ha reproducido otro experimento con objeto de generar números aleatorios variando la corriente del láser, observándose que las intensidades cercanas al umbral (14,5–15 mA) ofrecen distribuciones de fase y entropía óptimas para la extracción de bits. Las métricas estadísticas de aleatoriedad -entropía de Shannon y min-entropía- alcanzan valores próximos al máximo teórico (en nuestro experimento 10 bits). Se ha implementado el algoritmo de Von Neumann para eliminar sesgos en la extracción de bits, obteniendo distribuciones casi uniformes tras el postprocesado. En conjunto, este trabajo demuestra la viabilidad de utilizar láseres de emisión lateral como fuentes compactas y eficientes de aleatoriedad cuántica, siendo de especial interés para aplicaciones en criptografía cuántica y distribución cuántica de claves (QKD). Asimismo, se han aportado resultados adicionales no explorados previamente, como la caracterización de la dependencia del sistema con la corriente y el análisis detallado de la fase desenvuelta.
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 proposito general de esta tesis es estudiar, mediante simulaciones numericas, la propagacion de haces de luz laser en los denominados medios opticos cubico-quimicos (C-Q). Estos materiales se caracterizan por tener un indice de refraccion que depende de la potencia del haz de luz incidente, de tal manera que es autoenfocante para intensidades bajas y autodesenfocante para intensidades altas. En este tipo de medios la luz adquiere unas propiedades fisicas similares a las de los fluidos habituales, como la existencia de vortices estables y de tension superficial. Este proceso puede interpretase como una transicion de fase de un gas de fotones a un 'liquido de luz'.
En primer lugar se ha estudiado, de manera teorica, como utilizar un sistema atomico de cuatro niveles con transparencia inducida electromagneticamente (EIT) para alcanzar una situacion con susceptibilidades de tercer y quinto orden gigantescas y de signo opuesto. Una eleccion adecuada de los parametros permite obtener condensados de luz bidimensionales estables. Nuestros resultados teoricos podrian ser la base para experimentos reales en optica no lineal con laseres continuos de mW.
Para la determinacion de indices de refraccion no lineales, se ha considerado la tecnica de Z scan. Se ha desarrollado una teoria simple basada en el metodo de los momentos, que permite ajustar los datos experimentales de Z scan.
Se han obtenido los estados estacionarios de la ecuacion no lineal de Schrodinger C-Q, para diferentes potencias del haz, y se han formulado experimentos ideales para estudiar su dinamica. Las propiedades fisicas del estado resultante, como tension superficial, son similares a las de los fluidos habituales.
Despues se ha realizado una comparacion entre los estados estacionarios del medio C-Q y los que se obtienen para el sistema atomico de cuatro niveles con EIT, obteniendo resultados muy similares.
Posteriormente se han calculado estados ti
En la primera parte, el tema de estudio son las fluctuaciones cuanticas en el Oscilador Optico Parametrico (OPO) de tipo II. En esencia, los OPOs son cavidades opticas que contienen un cristal con una no linealidad de segundo orden. Cuando bombeamos con un laser de frecuencia 2w0, el OPO es capaz de generar frecuencias ws (senal) y wi (vago) de tal forma que ws+wi=2w0. Que el dispositivo sea de Tipo II hace referencia a que estos haces tienen polarizaciones ortogonales. En una descripcion clasica, la generacion de frecuencias requiere que el OPO sea bombeado por encima de un cierto valor umbral; sin embargo, cuanticamente las parejas de fotones senal-vago pueden ser generadas incluso por debajo de ese umbral, lo cual les confiere propiedades cuanticas muy interesantes. En particular, los OPOs de tipo I, en los cuales senal y vago tienen la misma polarizacion, mantienen el record de reduccion de ruido en cuadraturas (single-mode squeezing), lo que se manifiesta en el modo degenerado de frecuencia ws=wi=w0; consistiendo el squeezing en reducir el ruido cuantico en un observable a costa de incrementarlo en su par canonico, preservando asi el principio de incertidumbre, lo que permite, por ejemplo, realizar medidas ultraprecisas virtualmente libres de ruido cuantico. Por otro lado, los OPOs de tipo II ademas de proporcionar squeezing en la suma de fases de senal y vago (lo que no resulta detectable puesto que se trata de una cuadratura mixta que implica a dos modos de frecuencias y polarizaciones diferentes), tiene reduccion completa de ruido en la resta de intensidades, lo cual quiere decir que sus amplitudes estan perfectamente correlacionadas y los haces ?entrelazados?. Cuando dos sistemas estan entrelazados, presentan correlaciones cuanticas no-locales que pueden explotarse para muchas aplicaciones impensables en el dominio clasico. Sin embargo, para la manipulacion y deteccion de estos estados es muy conveniente que los campos generados esten degenerados en frecuencia (locking). Hasta ahora, las tecnicas conocidas que consiguen locking deterioran los niveles de squeezing y entrelazamiento. La primera vez que fue propuesta una tecnica de locking fue por Fabre y colaboradores. En esta parte de la tesis, nosotros proponemos una alternativa de conseguir degeneracion a frecuencia w0. Mostramos que el locking puede ser conseguido en el OPO tipo II preservando buenos niveles de entrelazamiento. En la segunda parte de la tesis nos centramos en el estudio de simuladores cuanticos de la fisica de sistemas de muchos cuerpos. En particular, nos centramos en el estudio de colecciones (arrays) de cavidades opticas, cada una interactuando fuertemente con un emisor de dos niveles. Este tipo de sistemas han recibido una atencion considerable en los ultimos anos. Se han descubierto fases coherentes fuertemente correlacionadas y se ha discutido sobre analogias con el efecto hall cuantico y con estados cuanticos topologicamente protegidos. En investigaciones anteriores el mecanismo de bombeo utilizado ha sido un bombeo coherente para cada cavidad, con lo que la relacion de fase entre los campos de cavidades distantes podia ser atribuida, al menos en parte, a la relacion de fase entre los campos coherentes bombeados. En este trabajo mostramos que la coherencia entre cavidades distantes puede construirse espontaneamente, provocada solo por los procesos fisicos dentro del array. De esta forma nos preguntamos si en estas estructuras se pueden desarrollar superfluidos fuera del equilibrio o condensados de Bose Einstein. Por este motivo, consideramos que el array de cavidades esta bombeado solo de forma incoherente. Para una sola cavidad el sistema se reduce al laser de un solo emisor (one- emitter laser), ampliamente estudiado en trabajos anteriores. En nuestro analisis nos concentramos en las correlaciones en cavidades distantes, tipicamente consideradas para investigar efectos de rango lejano y la emergencia de superfluidez. De hecho encontramos correlaciones colectivas cuando las cavidades se encuentran en regimen de emision laser. Estas correlaciones decaen mas rapido que ninguna potencia de la distancia cuando la distancia entre cavidades tiende a infinito para cualquier dimension del array. Como es de esperar, la longitud de correlacion asociada aumenta al aumentar el acoplo entre cavidades. Tambien encontramos propiedades intrinsecas del laser, como el tipico espectro de fotoluminiscencia, el triplete de Mollow, el cual puede ser observado lejos de la resonancia entre emisor y cavidad debido a la aparicion de modos fotonicos colectivos. La tercera parte de la tesis se centra en el estudio de cavidades optomecanicas, que son resonadores opticos (dos espejos enfrentados, por ejemplo) iluminados por un laser, en los que se produce una interaccion entre la luz y uno o varios sistemas mecanicos. Estos dispositivos pueden implementarse de varias formas, siendo la mas sencilla la que asume que la luz ejerce una presion de radiacion que puede modificar la posicion de un espejo movil. El uso de resonadores opticos permite aumentar en varios ordenes de magnitud la intensidad de la luz en el interior de la cavidad, lo cual conduce a una mejora impresionante de la interaccion. Las cavidades optomecanicas han sido implementadas usando diferentes osciladores mecanicos (OMs) como, por ejemplo, resonadores microtoroidales o membranas suspendidas en una cavidad. Desde el punto de vista cuantico, estos dispositivos tambien pueden proporcionar estados cuanticos de la luz como squeezed o entrelazados, asi como enfriamiento del OM (laser cooling). El laser cooling es una tecnica para enfriar el OM hasta su estado fundamental (el de minima energia), punto de partida para estudiar la transicion microscopica-macroscopica de las leyes mecano-cuanticas. El modelo propuesto en esta parte de la tesis, permite la coexistencia de muchos modos tanto mecanicos como opticos (estamos entonces en presencia de un sistema intrinsecamente multimodo). A traves del estudio de la estabilidad del sistema hemos obtenido que pueden coexistir dos soluciones homogeneas (biestabilidad) y que no solo existen inestabilidades temporales, sino que tambien pueden formarse estructuras espaciales disipativas. Por ejemplo, partiendo de una inyeccion plana (invariante bajo traslaciones) encontramos patrones hexagonales (que rompen espontaneamente la simetria espacial), y, en la zona de biestabilidad, donde los patrones coexisten con una solucion homogenea, encontramos solitones de cavidad.
LA TESIS PRESENTA LOS MODELOS DE UN LASER EN QUE UN MEDIO AMPLIFICADOR DE TRES NIVELES EN ESCALERA (ESQUEMA DE CASCADA) INTERACCIONA CON UN MODO (CONFIGURACION DEGENERADA) O DOS MODOS DE FRECUENCIA SUFICIENTEMENTE DISTINTA (CONFIGURACION NO DEGENERADA) DEL RESONADOR OPTICO. SE DETERMINAN LAS SOLUCIONES ESTACIONARIAS Y SU ESTABILIDAD EN EL CASO NO DEGENERADO, EN SITUACIONES DE PERFECTA RESONANCIA ASI COMO EN PRESENCIA DE DESINTONIAS. TAMBIEN SE REALIZA EL ESTUDIO DE LAS SOLUCIONES DEPENDIENTES DEL TIEMPO, EVIDENCIANDOSE COMPORTAMIENTOS PERIODICOS Y CAOTICOS, CON ESCENARIOS DE CUASIPERIODICIDAD Y DE INTERMITENCIAS DE TIPOS I Y II. EL LIMITE DE ALTAS DESINTONIAS DA LUGAR AL LASER DE DOS FOTONES QUE ES ESTUDIADO POR PRIMERA VEZ EN SU VERTIENTE DINAMICA A PARTIR DE UN ESQUEMA DE TRES NIVELES. LA TESIS PONE DE MANIFIESTO LA GRAN IMPORTANCIA QUE EL NIVEL INTERMEDIO POSEE SOBRE LAS PROPIEDADES DE EMISION Y ESTABILIDAD DE ESE LASER.