[論文レビュー] Phase Symmetry Breaking of Counterpropagating Light in Microresonators for Switches and Logic Gates

Alekhya Ghosh, Arghadeep Pal+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2024

Photonic and Optical Devices被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、高Qのマイクロ共振器における反伝搬光の位相対称性破れを実証し、全光スイッチを実現するとともに Kerr 誘起の位相および強度 SSB を用いた XOR および NAND ゲート設計を提案する。

ABSTRACT

The rapidly growing field of integrated photonics is enabling a large number of novel devices for optical data processing, neuromorphic computing and circuits for quantum photonics. While many photonic devices are based on linear optics, nonlinear responses at low threshold power are of high interest for optical switching and computing. In the case of counterpropagating light, nonlinear interactions can be utilized for chip-based isolators and logic gates. In our work we find a symmetry breaking of the phases of counterpropagating light waves in high-Q ring resonators. This abrupt change in the phases can be used for optical switches and logic gates. In addition to our experimental results, we provide theoretical models that describe the phase symmetry breaking of counterpropagating light in ring resonators.

研究の動機と目的

• integrated photonics で低閾値非線形応答による全光処理を動機づける。
• 高Qリング共振器における反伝搬光の位相および強度の自発対称性破れ（SSB）を分析する。
• 強度SSBと位相ダイナミクスに基づく全光スイッチを開発する。
• オンチップ規模プラットフォーム上での全光 XOR および普遍的 NAND ゲートの設計を提案する。

提案手法

• 1550 nmで高Qマイクロロッド共振器を用いて反伝搬光のSSBを二方向ポンピングする実験的観察。
• 自己およびクロス位相変調を含む正規化された結合Lugiato-Lefever方程式を用いて、位相と強度のSSBを取り込む（E±, ζ0, f）。
• 場を位相へ変換し定常状態の位相方程式（tan(phi±)）と強度関係（I±）を導出して位相関係を解析する。
• Kerr誘起の共振シフトと出力干渉を3-dBカップラーで相関付けて、スイッチングを実証する。
• Kerr増強の位相非対称性と強度SSBを活用したオンチップ全光論理ゲート（XORおよびNAND）を提案する。

Figure 1: Spontaneous symmetry breaking (SSB) of intensities and phases. (a) At low input power, when the resonator is pumped bi-directionally, the intracavity power and phase profiles of the two circulating fields remain degenerate as shown in panel (b). (c) Photograph of the microrod resonator cou

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Kerr非線形性は、マイクロ共振器内の反伝搬場の強度と位相の自発対称性破れをどのように生じさせるか？
• RQ2 位相SSBを外部電力バイアスなしで実現可能な全光スイッチとして活用できるか？
• RQ3 統合型マイクロ共振器でSSBと位相ダイナミクスを用いてどのようなゲート機能（xor, nand）を実装できるか？
• RQ4 デタuningと入力電力の不均衡はSSBバブルとスイッチング帯域にどう影響するか？

主な発見

• 反転電力済みの高Qマイクロ共振器で、強度と位相のSSBが閾値を超えた入力電力で発生する。
• Kerr誘起の共振シフトが一方の方向を優勢に導き、クロス位相変調によってもう一方を抑制し、位相と電力プロファイルにSSBの“バブル”を生成する。
• 全光スイッチが実証され、ON状態は強度SSBが干渉計を透過する伝送を可能にし、OFF状態は対称で破壊的干渉となる。
• 結合LLEを用いたシミュレーションは、観測されたSSBバブルとスイッチング挙動を再現し、位相ダイナミクスと高電力域での振動的領域を含む。
• ゲートの提案：XORと普遍的NANDはSSB領域内またはその周辺で動作させ、入力電力レベルで論理状態を設定する。
• SSB下の位相応答は、位相非対称性を活用した統合フォトニック計算機およびセンサー応用への道を提供する。

Figure 2: Schematics of the optical switch. (a) Symmetrical light intensities of the counter-propagating fields leads to constructive interference in interferometer at the output port, corresponding to the “OFF” state. (b) Breaking this symmetry (in this case with suppressed transmission in counterc