Abstract

A pulsed, balanced homodyne detector has been developed for precise measurement of the electric field quadratures of pulsed optical quantum states. A high level of common mode suppression >85 dB and low electronic noise (730 electrons per pulse) provide a signal-to-noise ratio of 14  dB for measurement of the quantum noise of individual pulses. Measurements at repetition rates as high as 1  MHz are possible. As a test, quantum tomography of the coherent state was performed, and the Wigner function and the density matrix were reconstructed with 99.5% fidelity. The detection system can be used for ultrarsensitive balanced detection in cw mode, e.g., for weak absorption measurements.

© 2001 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. H. P. Yuen and V. W. S. Chan, Opt. Lett. 8, 177 (1983).
    [CrossRef] [PubMed]
  2. R. E. Slusher, L. W. Hollberg, B. Yurke, J. C. Mertz, and J. F. Valley, Phys. Rev. Lett. 55, 2409 (1985).
    [CrossRef] [PubMed]
  3. L. A. Wu, H. J. Kimble, J. L. Hall, and H. Wu, Phys. Rev. Lett. 57, 2520 (1986).
    [CrossRef] [PubMed]
  4. D. T. Smithey, M. Beck, M. G. Raymer, and A. Faridani, Phys. Rev. Lett. 70, 1244 (1993).
    [CrossRef] [PubMed]
  5. G. Breitenbach, S. Schiller, and J. Mlynek, Nature 387, 471 (1997).
    [CrossRef]
  6. M. Vasilyev, S.-K. Choi, P. Kumar, and G. M. D’Ariano, Phys. Rev. Lett. 84, 2354 (2000).
    [CrossRef] [PubMed]
  7. Z. Y. Ou, S. F. Pereira, H. J. Kimble, and K. C. Peng, Phys. Rev. Lett. 68, 3663 (1992).
    [CrossRef] [PubMed]
  8. A. Furusawa, J. L. Sorensen, S. L. Braunstein, C. A. Fuchs, H. J. Kimble, and E. S. Polzik, Science 282, 706 (1998).
    [CrossRef] [PubMed]
  9. G. T. Foster, L. A. Orozco, H. M. Castro-Beltran, and H. J. Carmichael, Phys. Rev. Lett. 85, 3149 (2000).
    [CrossRef] [PubMed]
  10. D. T. Smithey, M. Beck, M. Belsley, and M. G. Raymer, Phys. Rev. Lett. 69, 2650 (1992).
    [CrossRef] [PubMed]
  11. M. E. Anderson, M. Beck, M. G. Raymer, and J. D. Bierlein, Opt. Lett. 20, 620 (1995).
    [CrossRef] [PubMed]
  12. K. Schneider, M. Lang, J. Mlynek, and S. Schiller, Opt. Express 2, 59 (1998), www.opticsexpress.org .
    [CrossRef] [PubMed]
  13. P. K. Lam, T. C. Ralph, B. C. Buchler, D. E. McClelland, H. A. Bachor, and J. Gao, J. Opt. B 1, 469 (1999).
    [CrossRef]
  14. E. M. Daly, A. S. Bell, E. Riis, and A. I. Ferguson, Phys. Rev. A 62, 043807 (2000).
    [CrossRef]
  15. T. Hirano and M. Matsuoka, Opt. Lett. 15, 1153 (1990).
    [CrossRef] [PubMed]
  16. U. Leonhardt, Measuring the Quantum State of Light (Cambridge U. Press, Cambridge, 1997).
  17. G. M. D’Ariano, U. Leonhardt, and H. Paul, Phys. Rev. A 52, R1801 (1995).
    [CrossRef]
  18. A. I. Lvovsky, H. Hansen, T. Aichele, O. Benson, J. Mlynek, and S. Schiller, Phys. Rev. Lett. 87, 050402 (2001).
    [CrossRef]

2001 (1)

A. I. Lvovsky, H. Hansen, T. Aichele, O. Benson, J. Mlynek, and S. Schiller, Phys. Rev. Lett. 87, 050402 (2001).
[CrossRef]

2000 (3)

E. M. Daly, A. S. Bell, E. Riis, and A. I. Ferguson, Phys. Rev. A 62, 043807 (2000).
[CrossRef]

M. Vasilyev, S.-K. Choi, P. Kumar, and G. M. D’Ariano, Phys. Rev. Lett. 84, 2354 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

G. T. Foster, L. A. Orozco, H. M. Castro-Beltran, and H. J. Carmichael, Phys. Rev. Lett. 85, 3149 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

1999 (1)

P. K. Lam, T. C. Ralph, B. C. Buchler, D. E. McClelland, H. A. Bachor, and J. Gao, J. Opt. B 1, 469 (1999).
[CrossRef]

1998 (2)

A. Furusawa, J. L. Sorensen, S. L. Braunstein, C. A. Fuchs, H. J. Kimble, and E. S. Polzik, Science 282, 706 (1998).
[CrossRef] [PubMed]

K. Schneider, M. Lang, J. Mlynek, and S. Schiller, Opt. Express 2, 59 (1998), www.opticsexpress.org .
[CrossRef] [PubMed]

1997 (1)

G. Breitenbach, S. Schiller, and J. Mlynek, Nature 387, 471 (1997).
[CrossRef]

1995 (2)

G. M. D’Ariano, U. Leonhardt, and H. Paul, Phys. Rev. A 52, R1801 (1995).
[CrossRef]

M. E. Anderson, M. Beck, M. G. Raymer, and J. D. Bierlein, Opt. Lett. 20, 620 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

1993 (1)

D. T. Smithey, M. Beck, M. G. Raymer, and A. Faridani, Phys. Rev. Lett. 70, 1244 (1993).
[CrossRef] [PubMed]

1992 (2)

D. T. Smithey, M. Beck, M. Belsley, and M. G. Raymer, Phys. Rev. Lett. 69, 2650 (1992).
[CrossRef] [PubMed]

Z. Y. Ou, S. F. Pereira, H. J. Kimble, and K. C. Peng, Phys. Rev. Lett. 68, 3663 (1992).
[CrossRef] [PubMed]

1990 (1)

1986 (1)

L. A. Wu, H. J. Kimble, J. L. Hall, and H. Wu, Phys. Rev. Lett. 57, 2520 (1986).
[CrossRef] [PubMed]

1985 (1)

R. E. Slusher, L. W. Hollberg, B. Yurke, J. C. Mertz, and J. F. Valley, Phys. Rev. Lett. 55, 2409 (1985).
[CrossRef] [PubMed]

1983 (1)

Aichele, T.

A. I. Lvovsky, H. Hansen, T. Aichele, O. Benson, J. Mlynek, and S. Schiller, Phys. Rev. Lett. 87, 050402 (2001).
[CrossRef]

Anderson, M. E.

Bachor, H. A.

P. K. Lam, T. C. Ralph, B. C. Buchler, D. E. McClelland, H. A. Bachor, and J. Gao, J. Opt. B 1, 469 (1999).
[CrossRef]

Beck, M.

M. E. Anderson, M. Beck, M. G. Raymer, and J. D. Bierlein, Opt. Lett. 20, 620 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

D. T. Smithey, M. Beck, M. G. Raymer, and A. Faridani, Phys. Rev. Lett. 70, 1244 (1993).
[CrossRef] [PubMed]

D. T. Smithey, M. Beck, M. Belsley, and M. G. Raymer, Phys. Rev. Lett. 69, 2650 (1992).
[CrossRef] [PubMed]

Bell, A. S.

E. M. Daly, A. S. Bell, E. Riis, and A. I. Ferguson, Phys. Rev. A 62, 043807 (2000).
[CrossRef]

Belsley, M.

D. T. Smithey, M. Beck, M. Belsley, and M. G. Raymer, Phys. Rev. Lett. 69, 2650 (1992).
[CrossRef] [PubMed]

Benson, O.

A. I. Lvovsky, H. Hansen, T. Aichele, O. Benson, J. Mlynek, and S. Schiller, Phys. Rev. Lett. 87, 050402 (2001).
[CrossRef]

Bierlein, J. D.

Braunstein, S. L.

A. Furusawa, J. L. Sorensen, S. L. Braunstein, C. A. Fuchs, H. J. Kimble, and E. S. Polzik, Science 282, 706 (1998).
[CrossRef] [PubMed]

Breitenbach, G.

G. Breitenbach, S. Schiller, and J. Mlynek, Nature 387, 471 (1997).
[CrossRef]

Buchler, B. C.

P. K. Lam, T. C. Ralph, B. C. Buchler, D. E. McClelland, H. A. Bachor, and J. Gao, J. Opt. B 1, 469 (1999).
[CrossRef]

Carmichael, H. J.

G. T. Foster, L. A. Orozco, H. M. Castro-Beltran, and H. J. Carmichael, Phys. Rev. Lett. 85, 3149 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Castro-Beltran, H. M.

G. T. Foster, L. A. Orozco, H. M. Castro-Beltran, and H. J. Carmichael, Phys. Rev. Lett. 85, 3149 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Chan, V. W. S.

Choi, S.-K.

M. Vasilyev, S.-K. Choi, P. Kumar, and G. M. D’Ariano, Phys. Rev. Lett. 84, 2354 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

D’Ariano, G. M.

M. Vasilyev, S.-K. Choi, P. Kumar, and G. M. D’Ariano, Phys. Rev. Lett. 84, 2354 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

G. M. D’Ariano, U. Leonhardt, and H. Paul, Phys. Rev. A 52, R1801 (1995).
[CrossRef]

Daly, E. M.

E. M. Daly, A. S. Bell, E. Riis, and A. I. Ferguson, Phys. Rev. A 62, 043807 (2000).
[CrossRef]

Faridani, A.

D. T. Smithey, M. Beck, M. G. Raymer, and A. Faridani, Phys. Rev. Lett. 70, 1244 (1993).
[CrossRef] [PubMed]

Ferguson, A. I.

E. M. Daly, A. S. Bell, E. Riis, and A. I. Ferguson, Phys. Rev. A 62, 043807 (2000).
[CrossRef]

Foster, G. T.

G. T. Foster, L. A. Orozco, H. M. Castro-Beltran, and H. J. Carmichael, Phys. Rev. Lett. 85, 3149 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Fuchs, C. A.

A. Furusawa, J. L. Sorensen, S. L. Braunstein, C. A. Fuchs, H. J. Kimble, and E. S. Polzik, Science 282, 706 (1998).
[CrossRef] [PubMed]

Furusawa, A.

A. Furusawa, J. L. Sorensen, S. L. Braunstein, C. A. Fuchs, H. J. Kimble, and E. S. Polzik, Science 282, 706 (1998).
[CrossRef] [PubMed]

Gao, J.

P. K. Lam, T. C. Ralph, B. C. Buchler, D. E. McClelland, H. A. Bachor, and J. Gao, J. Opt. B 1, 469 (1999).
[CrossRef]

Hall, J. L.

L. A. Wu, H. J. Kimble, J. L. Hall, and H. Wu, Phys. Rev. Lett. 57, 2520 (1986).
[CrossRef] [PubMed]

Hansen, H.

A. I. Lvovsky, H. Hansen, T. Aichele, O. Benson, J. Mlynek, and S. Schiller, Phys. Rev. Lett. 87, 050402 (2001).
[CrossRef]

Hirano, T.

Hollberg, L. W.

R. E. Slusher, L. W. Hollberg, B. Yurke, J. C. Mertz, and J. F. Valley, Phys. Rev. Lett. 55, 2409 (1985).
[CrossRef] [PubMed]

Kimble, H. J.

A. Furusawa, J. L. Sorensen, S. L. Braunstein, C. A. Fuchs, H. J. Kimble, and E. S. Polzik, Science 282, 706 (1998).
[CrossRef] [PubMed]

Z. Y. Ou, S. F. Pereira, H. J. Kimble, and K. C. Peng, Phys. Rev. Lett. 68, 3663 (1992).
[CrossRef] [PubMed]

L. A. Wu, H. J. Kimble, J. L. Hall, and H. Wu, Phys. Rev. Lett. 57, 2520 (1986).
[CrossRef] [PubMed]

Kumar, P.

M. Vasilyev, S.-K. Choi, P. Kumar, and G. M. D’Ariano, Phys. Rev. Lett. 84, 2354 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Lam, P. K.

P. K. Lam, T. C. Ralph, B. C. Buchler, D. E. McClelland, H. A. Bachor, and J. Gao, J. Opt. B 1, 469 (1999).
[CrossRef]

Lang, M.

Leonhardt, U.

G. M. D’Ariano, U. Leonhardt, and H. Paul, Phys. Rev. A 52, R1801 (1995).
[CrossRef]

U. Leonhardt, Measuring the Quantum State of Light (Cambridge U. Press, Cambridge, 1997).

Lvovsky, A. I.

A. I. Lvovsky, H. Hansen, T. Aichele, O. Benson, J. Mlynek, and S. Schiller, Phys. Rev. Lett. 87, 050402 (2001).
[CrossRef]

Matsuoka, M.

McClelland, D. E.

P. K. Lam, T. C. Ralph, B. C. Buchler, D. E. McClelland, H. A. Bachor, and J. Gao, J. Opt. B 1, 469 (1999).
[CrossRef]

Mertz, J. C.

R. E. Slusher, L. W. Hollberg, B. Yurke, J. C. Mertz, and J. F. Valley, Phys. Rev. Lett. 55, 2409 (1985).
[CrossRef] [PubMed]

Mlynek, J.

A. I. Lvovsky, H. Hansen, T. Aichele, O. Benson, J. Mlynek, and S. Schiller, Phys. Rev. Lett. 87, 050402 (2001).
[CrossRef]

K. Schneider, M. Lang, J. Mlynek, and S. Schiller, Opt. Express 2, 59 (1998), www.opticsexpress.org .
[CrossRef] [PubMed]

G. Breitenbach, S. Schiller, and J. Mlynek, Nature 387, 471 (1997).
[CrossRef]

Orozco, L. A.

G. T. Foster, L. A. Orozco, H. M. Castro-Beltran, and H. J. Carmichael, Phys. Rev. Lett. 85, 3149 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Ou, Z. Y.

Z. Y. Ou, S. F. Pereira, H. J. Kimble, and K. C. Peng, Phys. Rev. Lett. 68, 3663 (1992).
[CrossRef] [PubMed]

Paul, H.

G. M. D’Ariano, U. Leonhardt, and H. Paul, Phys. Rev. A 52, R1801 (1995).
[CrossRef]

Peng, K. C.

Z. Y. Ou, S. F. Pereira, H. J. Kimble, and K. C. Peng, Phys. Rev. Lett. 68, 3663 (1992).
[CrossRef] [PubMed]

Pereira, S. F.

Z. Y. Ou, S. F. Pereira, H. J. Kimble, and K. C. Peng, Phys. Rev. Lett. 68, 3663 (1992).
[CrossRef] [PubMed]

Polzik, E. S.

A. Furusawa, J. L. Sorensen, S. L. Braunstein, C. A. Fuchs, H. J. Kimble, and E. S. Polzik, Science 282, 706 (1998).
[CrossRef] [PubMed]

Ralph, T. C.

P. K. Lam, T. C. Ralph, B. C. Buchler, D. E. McClelland, H. A. Bachor, and J. Gao, J. Opt. B 1, 469 (1999).
[CrossRef]

Raymer, M. G.

M. E. Anderson, M. Beck, M. G. Raymer, and J. D. Bierlein, Opt. Lett. 20, 620 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

D. T. Smithey, M. Beck, M. G. Raymer, and A. Faridani, Phys. Rev. Lett. 70, 1244 (1993).
[CrossRef] [PubMed]

D. T. Smithey, M. Beck, M. Belsley, and M. G. Raymer, Phys. Rev. Lett. 69, 2650 (1992).
[CrossRef] [PubMed]

Riis, E.

E. M. Daly, A. S. Bell, E. Riis, and A. I. Ferguson, Phys. Rev. A 62, 043807 (2000).
[CrossRef]

Schiller, S.

A. I. Lvovsky, H. Hansen, T. Aichele, O. Benson, J. Mlynek, and S. Schiller, Phys. Rev. Lett. 87, 050402 (2001).
[CrossRef]

K. Schneider, M. Lang, J. Mlynek, and S. Schiller, Opt. Express 2, 59 (1998), www.opticsexpress.org .
[CrossRef] [PubMed]

G. Breitenbach, S. Schiller, and J. Mlynek, Nature 387, 471 (1997).
[CrossRef]

Schneider, K.

Slusher, R. E.

R. E. Slusher, L. W. Hollberg, B. Yurke, J. C. Mertz, and J. F. Valley, Phys. Rev. Lett. 55, 2409 (1985).
[CrossRef] [PubMed]

Smithey, D. T.

D. T. Smithey, M. Beck, M. G. Raymer, and A. Faridani, Phys. Rev. Lett. 70, 1244 (1993).
[CrossRef] [PubMed]

D. T. Smithey, M. Beck, M. Belsley, and M. G. Raymer, Phys. Rev. Lett. 69, 2650 (1992).
[CrossRef] [PubMed]

Sorensen, J. L.

A. Furusawa, J. L. Sorensen, S. L. Braunstein, C. A. Fuchs, H. J. Kimble, and E. S. Polzik, Science 282, 706 (1998).
[CrossRef] [PubMed]

Valley, J. F.

R. E. Slusher, L. W. Hollberg, B. Yurke, J. C. Mertz, and J. F. Valley, Phys. Rev. Lett. 55, 2409 (1985).
[CrossRef] [PubMed]

Vasilyev, M.

M. Vasilyev, S.-K. Choi, P. Kumar, and G. M. D’Ariano, Phys. Rev. Lett. 84, 2354 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Wu, H.

L. A. Wu, H. J. Kimble, J. L. Hall, and H. Wu, Phys. Rev. Lett. 57, 2520 (1986).
[CrossRef] [PubMed]

Wu, L. A.

L. A. Wu, H. J. Kimble, J. L. Hall, and H. Wu, Phys. Rev. Lett. 57, 2520 (1986).
[CrossRef] [PubMed]

Yuen, H. P.

Yurke, B.

R. E. Slusher, L. W. Hollberg, B. Yurke, J. C. Mertz, and J. F. Valley, Phys. Rev. Lett. 55, 2409 (1985).
[CrossRef] [PubMed]

J. Opt. B (1)

P. K. Lam, T. C. Ralph, B. C. Buchler, D. E. McClelland, H. A. Bachor, and J. Gao, J. Opt. B 1, 469 (1999).
[CrossRef]

Nature (1)

G. Breitenbach, S. Schiller, and J. Mlynek, Nature 387, 471 (1997).
[CrossRef]

Opt. Express (1)

Opt. Lett. (3)

Phys. Rev. A (2)

E. M. Daly, A. S. Bell, E. Riis, and A. I. Ferguson, Phys. Rev. A 62, 043807 (2000).
[CrossRef]

G. M. D’Ariano, U. Leonhardt, and H. Paul, Phys. Rev. A 52, R1801 (1995).
[CrossRef]

Phys. Rev. Lett. (8)

A. I. Lvovsky, H. Hansen, T. Aichele, O. Benson, J. Mlynek, and S. Schiller, Phys. Rev. Lett. 87, 050402 (2001).
[CrossRef]

M. Vasilyev, S.-K. Choi, P. Kumar, and G. M. D’Ariano, Phys. Rev. Lett. 84, 2354 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Z. Y. Ou, S. F. Pereira, H. J. Kimble, and K. C. Peng, Phys. Rev. Lett. 68, 3663 (1992).
[CrossRef] [PubMed]

R. E. Slusher, L. W. Hollberg, B. Yurke, J. C. Mertz, and J. F. Valley, Phys. Rev. Lett. 55, 2409 (1985).
[CrossRef] [PubMed]

L. A. Wu, H. J. Kimble, J. L. Hall, and H. Wu, Phys. Rev. Lett. 57, 2520 (1986).
[CrossRef] [PubMed]

D. T. Smithey, M. Beck, M. G. Raymer, and A. Faridani, Phys. Rev. Lett. 70, 1244 (1993).
[CrossRef] [PubMed]

G. T. Foster, L. A. Orozco, H. M. Castro-Beltran, and H. J. Carmichael, Phys. Rev. Lett. 85, 3149 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

D. T. Smithey, M. Beck, M. Belsley, and M. G. Raymer, Phys. Rev. Lett. 69, 2650 (1992).
[CrossRef] [PubMed]

Science (1)

A. Furusawa, J. L. Sorensen, S. L. Braunstein, C. A. Fuchs, H. J. Kimble, and E. S. Polzik, Science 282, 706 (1998).
[CrossRef] [PubMed]

Other (1)

U. Leonhardt, Measuring the Quantum State of Light (Cambridge U. Press, Cambridge, 1997).

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (4)

Fig. 1
Fig. 1

Electro-optic scheme of the homodyne system.

Fig. 2
Fig. 2

(a) Oscilloscope traces of the homodyne detector (HD) output obtained at a laser repetition rate of 204  kHz and a LO power of 1.6×108 photons per pulse. Each laser pulse produces a time-resolved quantum noise sample. (b)  rms peak amplitude of the noise pulses as a function of the LO power, showing the expected square root power dependence on the LO intensities of 3×108 photons per pulse. The filled squares show the measured noise variances; the open squares were obtained from these values by subtraction of the noise background. (c)  Frequency-resolved noises at a LO power of 2.3×107 photons per pulse. Inset, the low-frequency spectrum illustrates the strong effect of background light sources.

Fig. 3
Fig. 3

(a) Raw quadrature data and (b) reconstructed Wigner function of a coherent state with the excitation α=2.24.

Fig. 4
Fig. 4

(a) Absolute value of the density matrix elements in the Fock basis obtained by quantum state sampling of the marginal data shown in Fig.  3, (b)  photon number distribution (dots) with a Poissonian distribution for the same average n (columns) shown for comparison.

Metrics