MỞ ĐẦU I. Lý do chọn đề tài Ngày nay, với sự phát triển mạnh của lĩnh vực thông tin truyền thông đỏi hỏi cần có các bộ chuyển mạch quang có kích thước siêu nhỏ và tốc độ cao nhằm đáp ứng quá trình truyền tải dữ liệu thông tin khổng lồ trong các bộ vi xử lý. Tuy nhiên, những nghiên cứu cơ bản về chuyển mạch quang chưa đáp ứng được yêu cầu của các thiết bị thực tế với công suất chuyển mạch thấp, tốc độ chuyển mạch cao và tín hiệu suy hao thấp. Vì vậy, việc tìm kiếm các vật liệu có tính đáp ứng phi tuyến cao, tốc độ chuyển mạch lớn là chủ đề luôn thu hút được sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học bởi các ứng dụng tiềm năng của chúng trong các hệ thống thông tin quang, chuyển mạch và xử lý dữ liệu quang, máy tính lượng tử [1-5].
Đặc biệt, gần đây, với sự khám phá ra hiệu ứng trong suốt cảm ứng điện từ (EIT) [6-10] đã mở ra nhiều ứng dụng thú vị trong quang học lượng tử bởi khả năng làm suy giảm sự hấp thụ của môi trường. Hiệu ứng EIT lần đầu tiên được đề xuất bởi Harris và cộng sự vào năm 1989 [6] và sau đó đã được kiểm chứng bằng thực nghiệm năm 1991 [7]. Sự giao thoa gây ra bởi EIT đã làm triệt tiêu biên độ xác suất dịch chuyển giữa các kênh bên trong hệ nguyên tử dưới tác dụng đồng thời của một trường laser mạnh (trường điều khiển) và một trường laser yếu (trường dò) dẫn đến xuất hiện một cửa sổ trong suốt (hay cửa sổ EIT) đối với trường laser dò, tức là khi đó trường laser dò có thể lan truyền qua môi trường mà không bị suy hao. Cùng với sự triệt tiêu hấp thụ thì độ dốc của tán sắc được tăng cường trong lân cận tần số cộng hưởng nguyên tử [10, 11].
Với đặc điểm này, các xung ánh sáng lan truyền qua môi trường EIT với vận tốc nhóm rất nhỏ [12] nên thời gian sống hiệu dụng của photon được tăng lên đáng kể, dẫn đến làm tăng thời gian tương tác hiệu dụng của xung ánh sáng với môi trường. Do đó, sự đáp ứng 1 luan an phi tuyến của môi trường EIT được tăng lên đáng kể so với các môi trường truyền thống [13-16]. Như vậy, môi trường EIT không chỉ làm suy giảm sự hấp thụ mà còn làm tăng cường tính chất phi tuyến của môi trường. Hơn nữa, do độ cao và độ dốc của đường cong tán sắc có thể điều khiển được theo các tham số của các trường laser liên kết nên hệ số phi tuyến cũng điều khiển được [16].
Vì vậy, môi trường EIT là đối tượng thú vị để tạo ra các quá trình quang phi tuyến tại các cường độ ánh sáng rất thấp, thậm chí đơn photon [17-19]. Từ đó môi trường EIT đã được mở rộng nghiên cứu trong một loạt các chủ đề như phát laser mà không đảo lộn độ cư trú (LWI) [7, 20], làm chậm vận tốc nhóm [11], thông tin lượng tử [21], quang phi tuyến ngưỡng thấp [17] và tăng cường Kerr phi tuyến [12-15, 23], lưỡng ổn định và chuyển mạch quang học [24, 25], lan truyền và hình thành các soliton quang học [26-28], v. Mặt khác, sử dụng ánh sáng điều khiển ánh sáng ở cường độ thấp dựa trên sự kết hợp và giao thoa lượng tử cũng đã nhận được sự quan tâm lớn trong những năm gần đây bởi những ưu điểm vượt trội như tốc độ đáp ứng cao, công suất chuyển mạch thấp so với chuyển mạch quang điện và chuyển mạch sử dụng ống dẫn sóng silicon hay hệ các sợi quang thông thường. Một số phương pháp chuyển mạch quang học đã được đề xuất và chứng minh cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm [29-40] dựa trên các hiệu ứng kết hợp và giao thoa lượng tử này.
Điển hình, Schmidt và Ram [29] đã đề xuất một phương pháp để tạo bộ chuyển mạch toàn quang trong hệ ba mức lambda dựa trên hiệu ứng EIT. Cơ chế chuyển đổi khác so với các phương pháp trước đó và dẫn đến các tính chất độc đáo của thiết bị, đáng chú ý nhất là chớp xung không đáng kể và bảo toàn định dạng dữ liệu. Sau đó, Ham và cộng sự đã đề xuất một số kỹ thuật cho chuyển mạch toàn quang dựa trên việc tạo ra các trạng thái tối trong hệ ba mức [30] và hệ bốn mức [31]. Tiếp đến, Li và cộng sự [32] cũng đã đề xuất một phương pháp chuyển mạch nhanh trong hệ bốn mức giếng lượng tử bán dẫn thông qua điều khiển 2 luan an cường độ liên kết trong điều kiện giao thoa kiểu Fano.
Bằng cách sử dụng sơ đồ hấp thụ hai photon trong hơi kim loại kiềm, Yavuz [33] đã đề xuất một kỹ thuật trong đó một chùm tia laser mạnh sẽ điều khiển một chùm tia laser có bước sóng khác trong khoảng thời gian femtô giây. Anton và cộng sự [34] cũng đã đề xuất một phương pháp cho chuyển mạch toàn quang bởi một kỹ thuật dựa trên việc điều khiển cộng hưởng tối kép. Ngoài ra, Li và cộng sự [35, 36] đã nghiên cứu sự lan truyền ánh sáng và thực hiện chuyển mạch quang từ trong môi trường nguyên tử bốn mức chữ Y ngược. Gần đây, một số nhóm nghiên cứu đã sử dụng sự chuyển đổi từ hiệu ứng EIT sang hiệu ứng hấp thụ cảm ứng điện từ (EIA) [29] và ngược lại để nghiên cứu điều khiển chuyển mạch toàn quang.
EIA là hiện tượng tăng cường hấp thụ tại tần số cộng hưởng nguyên tử do sự kết hợp nguyên tử gây ra bởi cảm ứng điện từ. Nghiên cứu lưỡng ổn định và chuyển mạch toàn quang cũng được thực hiện trong hệ nguyên tử ba mức lượng tử bởi Jafarzadeh [38] và năm mức bởi H R Hamedi [39]. Bên cạnh đó, Fountoulakis và cộng sự [26] cũng nghiên cứu một cách có hệ thống hiệu suất chuyển mạch từ mô hình đã được đề xuất bởi Schmidt và Ram [29]. Sự lan truyền của cặp xung laser trong hệ lượng tử được tính toán bằng cách giải số hệ các phương trình Maxwell - Bloch.
Hiệu suất của biến điệu quang học được nghiên cứu đối với các giá trị khác nhau của độ rộng xung liên kết và đối với các giá trị khác nhau của cường độ trường liên kết, tốc độ phân rã của hệ lượng tử. Rõ ràng là việc tạo ra một quá trình biến điệu toàn quang phụ thuộc vào các thông số khác nhau của hệ lượng tử và các xung laser được áp dụng. Gần đây nhất, Nguyễn Huy Bằng và cộng sự [41] cũng đã đề xuất một mô hình cho sự chuyển mạch toàn quang trong hệ nguyên tử ba mức cấu hình lambda dạng vòng, được kích thích bởi các trường vi ba kết hợp với các trường quang học. Trong công trình này nhóm tác giả đã cho thấy sự lan truyền tín hiệu chùm dò liên tục có thể được chuyển thành một chuỗi xung gần vuông 3 luan an có chu kỳ biến điệu cùng với pha tương đối hoặc trường vi sóng.
Mặc dù đã có nhiều công trình được nghiên cứu trong lĩnh vực này đối với hệ nguyên tử nhiều mức năng lượng, trong đó tất cả các trường tương tác cần phải được điều khiển đồng bộ. Tuy nhiên, việc điều khiển đồng bộ nhiều trường laser khi áp dụng vào thực tế sẽ gặp khó khăn về mặt kỹ thuật. Do đó, một sơ đồ kích thích đơn giản, ví dụ như, hai mức mà có thể đáp ứng và giải quyết các khó khăn này là một giải pháp hữu ích và thích hợp cho tình huống trên. Hơn nữa, các nghiên cứu thường bỏ qua sự suy biến của các mức Zeeman, do đó việc tính đến sự tách mức năng lượng khi các nguyên tử được đặt vào trong từ trường ngoài hoặc khi có sự phân cực của các trường laser là cần được đưa vào xem xét.
Chính vì vậy, chúng tôi đã đề xuất một mô hình đơn giản mà trong đó tích hợp được cả chuyển mạch quang từ và chuyển mạch toàn quang trong môi trường nguyên tử hai mức suy biến dưới ảnh hưởng của từ trường ngoài và hiệu ứng EIT [42]. Chúng tôi nghiên cứu sự phụ thuộc của các đặc trưng hấp thụ của môi trường lên trường dò dưới ảnh hưởng của từ trường ngoài. Đây là cơ sở để có thể thực hiện điều khiển các dạng chuyển mạch dựa trên hiệu ứng EIT. Bên cạnh đó, xung lan truyền với dạng ổn định (soliton quang học) cũng luôn nhận được sự quan tâm nghiên cứu của các nhóm nghiên cứu trên thế giới bởi nó có các ứng dụng quan trọng trong truyền thông và xử lý dữ liệu quang [43-62].
Tuy nhiên, đối với các cơ chế kích thích xa cộng hưởng theo các phương pháp thông thường trong các vật liệu truyền thống như sợi quang thì việc tạo ra các soliton quang đòi hỏi các xung laser là cực ngắn và cường độ bức xạ mạnh, do đó sẽ tạo ra các hiệu ứng nhiệt và các hiệu ứng không mong muốn. Hơn nữa, trong môi trường được kích thích xa cộng hưởng có các hiệu ứng phi tuyến yếu nên khoảng cách lan truyền lớn là cần thiết để đạt được sự cân bằng giữa hiệu ứng phi tuyến và tán sắc trong môi trường. Ngược lại, trong các môi trường cộng 4 luan an hưởng chỉ với các trường kích thích yếu cũng có thể tạo ra một phi tuyến lớn, làm thay đổi đáng kể tính chất tán sắc của môi trường quang học và làm chậm vận tốc nhóm của các bó sóng quang học [11, 45]. Do đó, lan truyền xung gần cộng hưởng trong môi trường EIT là điều kiện thuận lợi để tạo ra các xung ánh sáng.
Cho đến nay, hầu hết các công trình về sự lan truyền ánh sáng chậm dựa trên EIT đã được nghiên cứu cả trong môi trường ba mức [46-57], bốn mức và năm mức [58-62]. Do đó, chúng tôi đã đề xuất một mô hình đơn giản cho lan truyền và hình thành soliton dựa trên hệ nguyên tử hai mức suy biến dưới ảnh hưởng của từ trường tĩnh và EIT, đề xuất này được phát triển từ công trình [46]. Trong công trình này, sự hình thành của các soliton sáng và tối với các vận tốc nhóm có thể điều khiển được là đã được nghiên cứu. Hơn nữa, chúng ta có thể chuyển đổi giữa soliton sáng và soliton tối là đơn giản chỉ bằng việc đảo ngược hướng của từ trường.
Sơ đồ đề xuất của chúng tôi có thể sẽ hữu ích trong các ứng dụng của thiết bị chuyển mạch quang từ và chuyển mạch toàn quang, các thiết bị lưu trữ quang từ và toàn quang trong xử lý tín hiệu truyền thông và các cổng logic.