Medida de la fase óptica de un láser de semiconductor modulado en corriente

Abstract

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”.

This Final Degree Project focuses on the study of the behaviour of the optical phase in a discrete mode edge-emitting semiconductor laser (DML). The main motivation lies in the relevance of understanding and controlling the phase diffusion of these devices, since it is a key phenomenon in the development of Quantum Random Number Generators. The study has been approached in a systematic way, starting with the analysis of the phase noise of the laser under direct current without modulation, as a previous step to its characterization under a small-signal sinusoidal modulation. The experimental results show that, in the absence of modulation, the optical phase difusión decreases as the direct current increases above threshold, due to the lower relative influence of the spontaneous emission. When the sinusoidal modulation is introduced, a notable increase of the phase diffusion is observed, due to the frequency fluctuations (chirp) generated. It has been proven that the increase in the frequency as well as the amplitude of the modulating signal leads to an increase in the phase variance. A key result is that, in both situations (with and without modulation), the phase noise follows Gaussian statistics. This is consistent with the balance equations models presented, that describe the statistical evolution of the phase, whose variance linearly increases with time for currents above the threshold current. These results are of great importance for the future investigation of more complex modulation regimes, such as gain switching.