[论文解读] Color symmetry breaking in a nonlinear optical microcavity

Luca O. Trinchão, Alekhya Ghosh+9 more|arXiv (Cornell University)|Jan 2, 2026

Neural Networks and Reservoir Computing被引用 0

一句话总结

该论文在双色驱动的碳化硅氮（Si3N4）凯尔微腔中演示了颜色对称性破缺，显示 Kerr XPM 驱动的两个非简并模之间的功率不对称，并实现用于神经形态光子的基于 Kerr 的片上激活函数。

ABSTRACT

Spontaneous symmetry breaking leads to diverse phenomena across the natural sciences, from the Higgs mechanism in particle physics to superconductors and collective animal behavior. In photonic systems, the symmetry of light states can be broken when two optical fields interact through the Kerr nonlinearity, as shown in early demonstrations with counterpropagating and cross-polarized modes. Here, we report the first observation of color symmetry breaking in an integrated silicon nitride microring, where spontaneous power imbalance arises between optical mode at different wavelengths, mediated by the Kerr effect. The threshold power for this effect is as low as 19 mW. By examining the system's homogeneous states, we further demonstrate a Kerr-based nonlinear activation-function generator that produces sigmoid-, quadratic-, and leaky-ReLU-like responses. These findings reveal previously unexplored nonlinear dynamics in dual-pumped Kerr resonators and establish new pathways towards compact, all-optical neuromorphic circuits.

研究动机与目标

• 研究在凯尔微腔中由双泵驱动的两个非简并腔模之间的自发对称性破缺。
• 表征颜色 SSB 的阈值与动态以及其对固有不对称性的依赖。
• 证明 Kerr 模间相互作用如何产生非线性激活函数样的响应，适用于片上光子神经形态计算。

提出的方法

• 在 Si3N4 微环中以 1571 nm（蓝色）和 1577 nm（红色）实现两共振的相干双泵激励。
• 包括自相位调制和互相位调制的平均场耦合模建模，XPM 强度为 SPM 的两倍。
• 分析透射不对称性的线性与 Kerr 贡献并提取阈值功率。
• 包含固有 Q 因数差异和失谐偏置的非对称建模以再现观测到的偏置。
• 对多共振（多颜色） SSB 的数值仿真以说明高维对称性破缺。

Figure 1: (a) Mechanisms of light-field spontaneous symmetry breaking (SSB) in Kerr microresonators . (a.i) Counterpropagating SSB between clockwise (CW) and counter-clockwise (CCW) modes. (a.ii) Cross-polarized SSB between orthogonal polarization modes $E_{+}$ and $E_{-}$ . (a.iii) Color SSB betwee

实验结果

研究问题

• RQ1 双色泵浦条件下两非简并腔模之间颜色对称性破缺的条件是什么？
• RQ2 固有不对称性（耦合、损耗、失谐）如何影响 SSB 阈值和占主导地模？
• RQ3 Kerr 模间相互作用是否能产生可调的、激活函数样的非线性响应，适合光学计算？
• RQ4 颜色 SSB 如何扩展到多模态/多颜色（多共振）配置？

主要发现

• 在双泵驱动下，硅氮微环中两非简并共振之间发生颜色对称性破缺；阈值以上出现功率不对称。
• 固有线性不对称导致基线失衡，而 Kerr XPM 在更高功率时增强失衡，考虑线性偏置后阈值接近 19 mW。
• 对称系统理论预测一个清晰的 SSB 阈值（约 18 mW）和棱镜型分支；不对称性偏置系统，导致一个模的确定性支配。
• 实验迹线显示当红泵失谐改变 195 MHz 时，占优模发生确定性翻转，证实偏置控制的 SSB。
• 平均场模型捕捉慢时间演化并再现观测到的行为，包括一个非线性激活函数族。
• 在受控不对称泵浦下，系统在探针透射中呈现基于 Kerr 的激活函数，具有类似 S 形、二次型和 leaky-ReLU 的形状。

Figure 2: (a) Schematic of the experimental setup. EDFA: erbium-doped fiber amplifier, PD: photodetector. (b) Color symmetry breaking threshold. Experimental (i) and theoretical (ii, iii) power imbalance between the two propagating modes ( $a_{\mathrm{blue}}$ corresponding to a pump at \qty 1571 \na