Quantum criptography in optical fibers

As comunicações quânticas aplicam as leis fundamentais da física quântica para codificar, transmitir, guardar e processar informação. A mais importante e bem-sucedida aplicação é a distribuição de chaves quânticas (QKD). Os sistemas de QKD são suportados por tecnologias capazes de processar fotões únicos. Nesta tese analisamos a geração, transmissão e deteção de fotões únicos e entrelaçados em fibras óticas. É proposta uma fonte de fotões única baseada no processo clássico de mistura de quatro ondas (FWM) em fibras óticas num regime de baixas potências. Implementamos essa fonte no laboratório, e desenvolvemos um modelo teórico capaz de descrever corretamente o processo de geração de fotões únicos. O modelo teórico considera o papel das nãolinearidades da fibra e os efeitos da polarização na geração de fotões através do processo de FWM. Analisamos a estatística da fonte de fotões baseada no processo clássico de FWM em fibras óticas. Derivamos um modelo teórico capaz de descrever a estatística dessa fonte de fotões. Mostramos que a estatística da fonte de fotões evolui de térmica num regime de baixas potências óticas, para Poissoniana num regime de potências óticas moderadas. Validamos experimentalmente o modelo teórico, através do uso de fotodetetores de avalanche, do método estimativo da máxima verossimilhança e do algoritmo de maximização de expectativa. Estudamos o processo espontâneo de FWM como uma fonte condicional de fotões únicos. Analisamos a estatística dessa fonte em termos da função condicional de coerência de segunda ordem, considerando o espalhamento de Raman na geração de pares de fotões, e a perda durante a propagação de fotões numa fibra ótica padrão. Identificamos regimes apropriados onde a fonte é quase ideal. Fontes de pares de fotões implementadas em fibras óticas fornecem uma solução prática ao problema de acoplamento que surge quando os pares de fotões são gerados fora da fibra. Exploramos a geração de pares de fotões através do processo espontâneo de FWM no interior de guias de onda com suceptibilidade elétrica de terceira ordem. Descrevemos a geração de pares de fotões em meios com elevado coeficiente de absorção, e identificamos regimes ótimos para o rácio contagens coincidentes/acidentais (CAR) e para a desigualdade de Clauser, Horne, Shimony, and Holt (CHSH), para o qual o compromisso entre perda do guia de onda e não-linearidades maximiza esses parâmetros.

Ultralow voltage resonant tunnelling diode electroabsorption modulator

Embedding a double barrier resonant tunnelling diode (RTD) in a unipolar InGaAlAs optical waveguide gives rise to a very low driving voltage electroabsorption modulator (EAM) at optical wavelengths around 1550 nm. The presence of the RTD within the waveguide core introduces high non- linearity and negative di erential resistance in the current±voltage (I±V) characteristic of the waveguide. This makes the electric ®eld distribution across the waveguide core strongly dependent on the bias voltage: when the current decreases from the peak to the valley, there is an increase of the electric ®eld across the depleted core. The electric ®eld enhancement in the core-depleted layer causes the Franz±Keldysh absorption band-edge to red shift, which is responsible for the electroabsorption e ect. High-frequency ac signals as low as 100mV can induce electric ®eld high-speed switching, producing substantial light modulation (up to 15 dB) at photon energies slightly lower than the waveguide core band-gap energy. The key di erence between this device and conventional p-i-n EAMs is that the tunnelling characteristics of the RTD are employed to switch the electric ®eld across the core-depleted region; the RTD- EAM has in essence an integrated electronic ampli®er and, therefore, requires considerably less switching power.

Electric field switching in a resonant tunneling diode electroabsorption modulator

The basic mechanism underlying electric field switching produced by a resonant tunneling diode (RTD) is analyzed and the theory compared with experimental results; agreement to within 12% is achieved. The electroabsorption modulator (EAM) device potential of this effect is explored in an optical waveguide configuration. It is shown that a RTD-EAM can provide significant absorption coefficient change, via the Franz– Keldysh effect, at appropriate optical communication wavelengths around 1550 nm and can achieve up to 28-dB optical modulation in a 200- m active length device. The advantage of the RTD-EAM over the conventional reverse-biased p–n junction EAM, is that the RTD-EAM has, in essence, an integrated electronic amplifier and, therefore, requires considerably less switching power.