Mutual coupling and synchronization of optically coupled quantum-dot micropillar lasers at ultra-low light levels

Abstract

Synchronization of coupled oscillators at the transition between classical physics and quantum physics has become an emerging research topic at the crossroads of nonlinear dynamics and nanophotonics. We study this unexplored field by using quantum dot microlasers as optical oscillators. Operating in the regime of cavity quantum electrodynamics (cQED) with an intracavity photon number on the order of 10 and output powers in the 100 nW range, these devices have high β -factors associated with enhanced spontaneous emission noise. We identify synchronization of mutually coupled microlasers via frequency locking associated with a sub-gigahertz locking range. A theoretical analysis of the coupling behavior reveals striking differences from optical synchronization in the classical domain with negligible spontaneous emission noise. Beyond that, additional self-feedback leads to zero-lag synchronization of coupled microlasers at ultra-low light levels. Our work has high potential to pave the way for future experiments in the quantum regime of synchronization.

Stochastic polarization switching induced by optical injection in bimodal quantum-dot micropillar lasers

“…In order to gain a deeper understanding of the observed dynamics and perform comprehensive parameter studies, we employ theoretical simulations of the injected laser dynamics. The theoretical framework is based on our previously employed semi-classical rate equation approach [30,37,39] (see the Appendix for details). The locking dynamics observed in Figs.…”

“…In these vertically emitting microlasers the gain is provided by only tens to a few hundreds of QDs coupled to the laser mode [25]. Rather small threshold powers together and cavity photon numbers on the order of 10 -100 make micropillar lasers excellent candidates to explore nonlinear laser dynamics in the few-photon limit with future prospects in the quantum regime of optical feedback [26,27] and synchronization [28][29][30]. The application of VCSELs has become important for optical interconnects due to their large modulation bandwidth and energy efficiency.…”

Evaluating entropy rate of laser chaos and shot noise

“…In other words, the photon and carrier lifetime of chaotic laser have effects on the dip depth, and long photon and carrier lifetime contribute to the dip depth increasing and the entropy growing. It should be noted that the measurement can be transposed to other integrated VCSEL and quantum-dot systems of laser chaos [30][31][32]. Under the above acquisition condition, high resolution maps of the H d − H d−1 for the filtered laser chaos over the range of the injection-feedback parameter space is further measured in detail.…”

Динамика Двух Лазеров, Связанных Взаимной Модуляцией Добротности

“…Выявлено, что синхронные колебания плотности фотонов в лазерах происходят в антифазе. Сделан вывод о возможности применения предложенной схемы синхронизации для получения длиннопериодических осцилляций.Ключевые слова: связанные лазеры, скоростные уравнения, синхронизация, оптическая бистабильность, релаксационные колебания.Введение В последние годы исследования по синхронизации полупроводниковых лазеров привлекают к себе большое внимание как из-за удобства использования лазера в качестве модельной нелинейной колебательной системы, так и из-за потенциальных технических приложений явления синхронизации в телекоммуникациях, электронике и вычислительной технике [1][2][3][4].В большинстве схем синхронизации применяется перекрестная оптоэлектронная связь [5], либо взаимная связь торцом к торцу [6]. В первой схеме излучение каждого лазера преобразуется фотодетектором в электрический сигнал и после усиления используется для модуляции тока накачки другого лазера.…”

“…Введение В последние годы исследования по синхронизации полупроводниковых лазеров привлекают к себе большое внимание как из-за удобства использования лазера в качестве модельной нелинейной колебательной системы, так и из-за потенциальных технических приложений явления синхронизации в телекоммуникациях, электронике и вычислительной технике [1][2][3][4].…”