Design of a homodyne photodetector for squeezed states at 2 µm

Next-generation gravitational-wave interferometers will transition to cryogenic crystalline silicon test masses to capitalize on their exceptionally low optical absorption and scattering, thereby reducing critical noise sources. To date, observatories like GEO600, LIGO, and Virgo have successfully pushed past the shot-noise limit by injecting squeezed light states. However, combining the advantages of quantum squeezing with silicon optics dictates a departure from the standard 1064 nm laser wavelength. Because silicon is hindered by severe two-photon absorption at wavelengths shorter than 1500 nm, the 2 µm region has emerged as the targeted operational wavelength for future detector designs. This thesis describes the design, realization, and characterization of a custom balanced homodyne photodetector explicitly conceived to measure squeezed light at 2 µm. The detector relies on a low-noise transimpedance amplifier and two extended InGaAs p-i-n photodiodes configured in series. This architecture physically subtracts the photocurrents before amplification, thereby minimizing additional electronic noise. The electronics were rigorously simulated for stability and gain prior to being implemented on custom printed circuit boards. The system was experimentally validated using a 2090 nm Tm-Ho:YAG laser. In the 100 kHz to 200 kHz frequency band, the device successfully resolved the optical shot noise, providing a maximum shot noise clearance over the detector's dark noise of 13.54 dB when operated with a local oscillator power of approximately 2.6 mW. Performance testing confirmed the detector's capability to resolve at least 6 dB of quantum squeezing, validating its potential for future squeezed state detection.

Gli interferometri per onde gravitazionali di prossima generazione passeranno all'uso di masse di prova in silicio cristallino a temperature criogeniche per sfruttare i loro eccezionalmente bassi livelli di assorbimento e scattering ottico, riducendo di conseguenza le principali fonti di rumore. Ad oggi, osservatori come GEO600, LIGO e Virgo hanno superato il limite dello shot noise iniettando stati di luce squeezed. Tuttavia, combinare i vantaggi dello squeezing quantistico con l'ottica in silicio impone di abbandonare la lunghezza d'onda laser standard di 1064 nm. Poiché il silicio è fortemente limitato dall'assorbimento a due fotoni a lunghezze d'onda inferiori a 1500 nm, la regione dei 2 µm è emersa come lunghezza d'onda operativa di riferimento per i futuri rivelatori. Questa tesi descrive la progettazione, la realizzazione e la caratterizzazione di un fotorivelatore in configurazione omodina bilanciata concepito per rilevare stati di luce squeezed a 2 µm. Il rivelatore si basa su un amplificatore a transimpedenza a basso rumore e su due fotodiodi p-i-n in InGaAs esteso collegati in serie. Questa architettura sottrae fisicamente le fotocorrenti prima dell'amplificazione, riducendo così al minimo il rumore elettronico aggiuntivo. L'elettronica è stata rigorosamente simulata in termini di stabilità e guadagno prima di essere implementata su circuiti stampati dedicati. Il sistema è stato validato sperimentalmente utilizzando un laser Tm-Ho:YAG a 2090 nm. Operando con una potenza massima dell'oscillatore locale di 2.6 mW, il dispositivo ha misurato con successo lo shot noise ottico nella banda di frequenza compresa tra 100 kHz e 200 kHz. In questa configurazione ha garantito una clearance massima (o margine massimo) dal rumore elettronico del fotorivelatore pari a 13.54 dB. I test prestazionali hanno inoltre confermato la capacità del rivelatore di misurare almeno 6 dB di squeezing quantistico, dimostrandone il potenziale per future misurazioni di stati squeezed.