[论文解读] 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 8

一句话总结

论文展示了在高Q微腔中反向传播光的相位对称性破缺，从而实现全光开关，并提出在 Kerr 诱导的相位与强度 SSB 下的 XOR 与 NAND 等门的芯片级设计。

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.

研究动机与目标

• 以集成光子学中的低阈值非线性响应推动全光处理。
• 分析高-Q 环形谐振腔中反向传播光的相位与强度自发对称性破缺（SSB）。
• 开发基于强度 SSB 与相位动力学的全光开关。
• 提出在片上平台实现的全光 XOR 与通用 NAND 门的设计。

提出的方法

• 在1550 nm 下使用高-Q 微棒谐振腔对称泵浦的双向微腔 experimentally 地观察反向传播光的 SSB（品质因子 ~1e8）。
• 用归一化耦合的 Lugiato-Lefever 方程建模系统，包含自相位调制和交叉相位调制以捕捉相位与强度 SSB（E±, ζ0, f）。
• 通过将场变换为相位并推导稳态相位方程（tan(phi±)）与强度关系（I±）来分析相位关系。
• 通过将强度 SSB 与 Kerr 诱导的共振位移和输出干涉在3-dB耦合器处的相关性来实现开关。
• 提出在片上利用 Kerr 增强的相位非对称性与强度 SSB 的全光逻辑门（XOR 与 NAND）。

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

实验结果

研究问题

• RQ1 Kerr 非线性如何在微腔内的反向传播场中同时引发强度与相位的自发对称性破缺？
• RQ2 是否可以利用相位 SSB 来实现无需外部功偏置的全光开关？
• RQ3 在集成微腔中，利用 SSB 与相位动力学可以实现哪些门功能（xor、nand）？
• RQ4 失谐与输入功率不平衡如何影响 SSB 泡泡及开关带宽？],
• RQ5 key_findings ⟮
• RQ6 3-6 concise bullet points on the main quantitative results.

主要发现

• 在双向泵浦的高-Q 微腔中，强度与相位的 SSB 均在阈值输入功率以上发生。
• Kerr 诱导的共振位移驱使一个方向支配并通过交叉相位调制压制另一方向，形成相位与功率剖面的 SSB ‘泡泡’。
• 展示了一个全光开关，其中 ON 状态对应强度 SSB 使通过干涉仪传输成为可能，OFF 状态对应对称、破坏性干涉率。
• 使用耦合 LLE 的数值模拟再现观测到的 SSB 泡泡与开关行为，包括更高功率下的相位动力学与振荡态。
• 提出了逻辑门：XOR 与通用 NAND 门通过在或接近 SSB 区域工作实现，利用输入功率水平设定逻辑状态。
• 在 SSB 下的相位响应为集成光子计算与传感应用提供了一条利用相位不对称性的途径。

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