سالیتون های کاواک

سالیتون برای اولین بار بطور شهودی در سال 1834 توسط جان اسکات راسل در کانال آبی در اسکاتلند مشاهده شد، او مشاهده کرد که قله موج آبی در این کانال، بدون تغییر شکل چندین کیلومتر را در امتداد کانال طی می­کند.  پنجاه سال بعد از گزارش راسل، د. کورتج، د. وریس نقش و اهمیت غیرخطیت را در این پدیده مورد مطالعه قرار دادند. این امواج سالیتونی در اوایل قرن بیست یک بطور مشخصی شناخته نشده بودند و شرایط ایجاد آنها و همچنین ویژگی آنها تا دهه 60 نامعلوم باقی مانده بود.

تاریخ سالیتون های کاواک نوری با مقاله ی مولونی و همکارانش شروع شد که روش گام مجزای تبریل سریع فوریه را برای شبیه سازی اثرات عرضی در دوپایایی نوری به کار بردند. کار دیگری در زمینه ی سالیتون های کاواک باریکه ای را در بر داشت که یا حاوی سالیتون ها نبود یا اینکه پر از سالیتون بود. مک دونالد و فرث نشان دادند که امکان سوئیچ زنی مستقل سالیتون ها با استفاده از پرتو پمپی با دامنه متغیر فضایی وجود دارد. روزانوف از مطالعه امواج سوئیچ زن به ایده ی "سالیتون های خود به خودی پراشی" رسید.

در ده سال اخیر به منظور ارائه ی مدل جامع تر برای میکروکاواک های نیمرسانا، گروه لوجیاتو با استفاده از فرمول بندی ماتریس چگالی، تلاشی را آغاز کرده اند که به پیش بینی وجود سالیتون های کاواک در این سیستم ها منجر شد.

سالیتون های کاواک (CS) قله های منفرد و جایگزیده ی شدت هستند که می توانند در یک زمینه ی همگن تابش ظاهر شوند. در واقع سالیتون کاواک را می توان یک لکه ی روشن یا تاریک نوری در نظر گرفت که بین یک یا چند سطح بازتابنده و در صفحه ی عمود بر راستای انتشار میدان الکتریکی در داخل کاواک به تله افتاده است و با گذشت زمان هیچ تغییری در وضعیت آن رخ نمی دهد. علاوه بر این سالیتون های کاواک می توانند به طور مستقل در محل دلخواه به صورت روشن یا خاموش سوئیچ شوند، در ضمن کنترل مکان و حرکتشان توسط اعمال پالس های لیزری امکان پذیر است. این موضوع سالیتون های کاواک را به عنوان پیکسل های بالقوه برای دستیابی به آرایه های پویا با قابلیت پیکر بندی مجدد یا واحدهای پردازش تمام نوری جالب توجه ساخته است. چنین دستکاری هایی به این دلیل ممکن است که سالیتون های کاواک از یکدیگر و از مرزها مستقل هستند. این ویژگی مستقل بودن سالیتون های کاواک از یکدیگر اساس کار حافظه های نوری است با آرایه ای از سالیتون های فضایی که به طور منفرد قابل آدرس دهی هستند.

آزمایشات متعددی در کاواک های ماکروسکوپی و در سیستم های دارای فیدبک نوری در پی کارهای تئوری پیرامون سالیتون های کاواک پدید آمده است. اما برای عملی و کاربردی تر شدن مطلوب است که سالیتون های کاواک در ساختارهای نیمه هادی تولید شوند که این مزیت را دارد که پاسخ سریع داشته و امکان هر چه کوچکتر شدن اندازه ی ابزارهای اپتوالکترونیکی را بدست می دهد. قبلا در مطالعات مربوط به دینامیک میدان الکتریکی میکرومشددهای نیمرسانا از حذف بی درروی پلاریزاسیون بهره گرفته می شد که این امر باعث بوجود آمدن پدیده های غیر فیزیکی غیر قابل توجیه و ناپایداری سیستم می شود. برای غلبه بر این ناپایداری ها در این پروژه ی تحقیقاتی، در لیزر دیودی نشر کننده ی سطحی با کاواک عمودی "VCSEL " معادله ی مربوط به قطبش به معادلات دینامیک میدان و حاملین اضافه شده و وابستگی قطبش به کمیت هایی همچون چگالی حاملین و میدان الکتریکی مطالعه شده است.

شکل گیری طرح ها و سالیتون های کاواک در VCSEL تحریک شده ی پایین آستانه با مدل معادلات آهنگ توصیف می شود که برای مورد VCSEL بالای آستانه ی لیزری مناسب نیست. در واقع حذف آدیاباتیک پلاریزاسیون اثرات غیر فیزیکی را در حضور پراش وارد می کرد و منجر به حرکت از معادلات ماکسول-بلاخ به سوی معادلات آهنگ می شد.

سوئیچ زنی سالیتون ها به معنی روشن کردن(تولید) یا خاموش کردن(حذف) آنها در هر نقطه ی اختیاری در صفحه عمود بر راستای انتشار میدان الکتریکی می باشد. روش های سوئیچ زنی سالیتون های کاواک تولید شده در میکرومشددها عبارتند از : الف) همدوس، ب) ناهمدوس و ج) شبه همدوس. سالیتون های کاواک تولید شده در بالای آستانه ی لیزری، سالیتون های کاواک لیزری یا به اختصار (CSL) نامیده می شوند و سوئیچ زنی آنها و مقایسه ی آنها با سالیتون های کاواک تولید شده در پایین آستانه ی لیزری، در این پایان نامه مورد بحث قرار می گیرد.

در حالت کلی و مختصر سه روش سوئیچ زنی فوق را می توان به صورت زیر تعریف کرد:

در حالت سوئیچ زنی همدوس باریکه ی سوئیچ زن (address beam) و باریکه ی اصلی (diving beam) موازی هم هستند و فاز باریکه ی سوئیچ زن برای روشن و خاموش کردن سالیتون عوض می شود. در سوئیچ زنی ناهمدوس باریکه ی سوئیچ زن مورد نظر که با باریکه ی اصلی جمع می شود، ناهمدوس است و فاز آنها مخالف هم است.

اگر باریکه ی سوئیچ زن همدوس باشد و تقریبا در تشدید با میدان لیزر  باشد، سوئیچ زنی شبه همدوس خواهیم داشت. چرا که در فرآیند سوئیچ زنی از هیچ رابطه ی فازی خاصی بهره نمی بریم. آنچه در این پروژه مد نظر است مطالعه ی سوئیچ زنی همدوس و ناهمدوس و مقایسه ی نتایج سوئیچ زنی بالای آستانه ی لیزری با پایین آستانه لیزری است.