論文の概要: Multiplicative Noise in Nanolaser Amplification: From Discrete Emission Events to the Additive-Noise Limit
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2610.25520v1
- Date: Sun, 18 Oct 2026 20:25:29 GMT
- ステータス: 情報取得中
- システム内更新日: 2026-10-20 22:25:00.265382
- Title: Multiplicative Noise in Nanolaser Amplification: From Discrete Emission Events to the Additive-Noise Limit
- Title（参考訳）: ナノレーザー増幅における乗法ノイズ:離散放出事象から付加雑音限界へ
- Abstract要約: レーザー増幅は、キャビティ内の光子数個で始まります。
我々は、マクロレーザーを直接ナノレーザーに結合する単一モード光子キャリアモデルをマッピングする。
しかしナノレーザーでは、自発的なプロセスはより広い範囲にわたって共存する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
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- Abstract: Laser amplification kicks off with just a few photons in the cavity, a regime where standard additive Langevin noise cannot capture the real fluctuations. To understand how this amplification begins, we map out a single-mode photon-carrier model that links macroscopic lasers directly into nanolasers. Stationary rate equations reveal that stimulated emission takes over across a tight pump window. In nanolasers, however, spontaneous processes coexist across a much broader range. Because steady-state averages miss the individual events that lead to the macroscopic photon number, we frame the stochastic dynamics around the actual discrete transitions, deriving a state-dependent diffusion approximation. The destruction of an excited carrier concurrent with the generation of a photon creates a negative photon-carrier cross-correlation. This unavoidably leads to a correlated, multiplicative Gaussian-noise framework. We track the resulting discrete dynamics with an established, event-based Laser Markov Chain (LMC) which stochastically samples pump, relaxation, emission, and cavity-loss events keeping all physical quantities as non-negative integers. Comparing its predictions to those of our multiplicative model proves that the latter reproduces excellently well the statistical behavior of photons and carrier, as long as a continuous diffusion description holds. Once the emission drops into the few-photon regime, however, the discrete model becomes indispensable. On the other hand, at large photon counts relative fluctuations shrink to a level where the state-dependence of the diffusion matrix can be ignored, to leading order, thus returning to the classic Langevin description of the system's stochastic dynamics.
- Abstract（参考訳）: レーザー増幅はキャビティ内の光子数個で始まり、標準の添加型ランゲヴィンノイズが実際のゆらぎを捉えない状態になる。
この増幅の始まりを理解するために、マクロレーザーを直接ナノレーザーに結合する単一モード光子キャリアモデルをマッピングする。
定常速度方程式は、刺激された放出がタイトなポンプ窓を越えて引き継がれることを示している。
しかしナノレーザーでは、自発的なプロセスはより広い範囲にわたって共存する。
定常状態の平均は、マクロな光子数につながる個々の事象を見逃しているため、実際の離散遷移に関する確率力学をフレーム化し、状態依存拡散近似を導出する。
光子の発生と同時に励起キャリアが破壊されると、負の光子キャリア相互相関が生じる。
これは必然的に、相関し、乗法的なガウス・ノイズ・フレームワークに繋がる。
結果の離散力学を、ポンプ、緩和、放出、キャビティロスイベントを確率的にサンプリングし、全ての物理量を非負整数として保持する、確立されたイベントベースのレーザーマルコフチェイン(LMC)を用いて追跡する。
我々の乗法モデルと比較すると、連続拡散記述が成立する限り、後者は光子とキャリアの統計的挙動を良好に再現する。
しかし、発光が数光子状態に低下すると、離散モデルは必須となる。
一方、大きな光子では、相対的なゆらぎは拡散行列の状態依存性を無視できるレベルに縮まり、ソートオーダーは古典的なランゲヴィンによる系の確率力学の記述に戻る。
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