Ukrainian Journal of Physical Optics


2026 Volume 27, Issue 4


ISSN 1816-2002 (Online), ISSN 1609-1833 (Print)

THERMAL-FEEDBACK-INDUCED TRANSMISSION SYMMETRY BREAKING IN AN ASYMMETRIC MICROCAVITY

Min She and Guohao Shi

Author Information
She Min ORCID logo, Shi, Guohao ORCID logo
College of Computer Engineering, Jiangsu University of Architectural Technology, Xuzhou 221116, China
*Corresponding author: m.she@smail.nju.edu.cn

ABSTRACT

Transmission symmetry breaking is important for realizing direction-selective light transport in integrated photonics, while existing approaches generally rely on magneto-optical materials, temporal modulation, or strong optical nonlinearities. We theoretically investigate thermal-feedback-induced transmission symmetry breaking in an asymmetric Fabry-Pérot microcavity filled with polydimethylsiloxane. Due to unequal mirror reflectivities, counterpropagating optical fields exhibit different coupling efficiencies and absorption powers, resulting in distinct thermally induced resonance shifts and transmission characteristics. Numerical results show that the proposed nonmagnetic structure can achieve a transmission contrast exceeding 50 dB. The proposed mechanism provides a simple approach for realizing compact integrated photonic devices with direction-selective transmission

Keywords: thermo-optic nonlinearity, asymmetric Fabry-Perot microcavity, transmission symmetry breaking, fiber-integrated

UDC: 535.3

    1. Iwamura, H., Hayashi, S., & Iwasaki, H. (1978). A compact optical isolator using a Y₃Fe₅O₁₂ crystal for near infra-red radiation. Optical and Quantum Electronics, 10, 393-398.
      doi:10.1007/BF00620305
    2. Gauthier, D. J., Narum, P., & Boyd, R. W. (1986). Simple, compact, high-performance permanent-magnet Faraday isolator. Optics Letters, 11(10), 623-625.
      doi:10.1364/OL.11.000623
    3. Dötsch, H., Bahlmann, N., Zhuromskyy, O., Hammer, M., Wilkens, L., Gerhardt, R., Hertel, P., & Popkov, A. F. (2005). Applications of magneto-optical waveguides in integrated optics: Review. Journal of the Optical Society of America B, 22(1), 240-253.
      doi:10.1364/JOSAB.22.000240
    4. Bi, L., Hu, J., Jiang, P., Kim, D. H., Dionne, G. F., Kimerling, L. C., & Ross, C. A. (2011). On-chip optical isolation in monolithically integrated non-reciprocal optical resonators. Nature Photonics, 5, 758-762.
      doi:10.1038/nphoton.2011.270
    5. Ren, S. Y., Yan, W., Feng, L. T., Chen, Y., Wu, Y. K., Qi, X. Z., Liu, X. J., Cheng, Y. J., Xu, B. Y., Deng, L. J., Guo, G. C., Bi, L., & Ren, X. F. (2022). Single-photon nonreciprocity with an integrated magneto-optical isolator. Laser & Photonics Reviews, 16(5), 2100595.
      doi:10.1002/lpor.202100595
    6. Peng, P., Thapa, G., Zhou, J., & Talbayev, D. (2023). Emergent optical nonreciprocity and chirality-controlled magneto-optical resonance in a hybrid magneto-chiral metamaterial. Optica, 10(2), 155-161.
      doi:10.1364/OPTICA.480791
    7. Lira, H., Yu, Z., Fan, S., & Lipson, M. (2012). Electrically driven nonreciprocity induced by interband photonic transition on a silicon chip. Physical Review Letters, 109, 033901.
      doi:10.1103/PhysRevLett.109.033901
    8. Yu, Z., & Fan, S. (2009). Complete optical isolation created by indirect interband photonic transitions. Nature Photonics, 3, 91-94.
      doi:10.1038/nphoton.2008.273
    9. Tian, H., Liu, J., Siddharth, A., Wang, R. N., Blesin, T., He, J., Kippenberg, T. J., & Bhave, S. A. (2021). Magnetic-free silicon nitride integrated optical isolator. Nature Photonics, 15, 828.
      doi:10.1038/s41566-021-00882-z
    10. Guo, X., Ding, Y., Duan, Y., & Ni, X. (2019). Nonreciprocal metasurface with space-time phase modulation. Light: Science & Applications, 8, 123.
      doi:10.1038/s41377-019-0225-z
    11. Xu, L., Huang, J., & Ouyang, X. (2021). Tunable thermal wave nonreciprocity by spatiotemporal modulation. Physical Review E, 103, 032128.
      doi:10.1103/PhysRevE.103.032128
    12. Wu, J., & Yousefzadeh, B. (2024). Nonreciprocal energy transmission in short discrete systems with strong spatiotemporal modulations. Journal of the Acoustical Society of America, 155(3), A121.
      doi:10.1121/10.0027019
    13. Wang, D. W., Zhou, H. T., Guo, M. J., Zhang, J. X., Evers, J., & Zhu, S. Y. (2013). Optical diode made from a moving photonic crystal. Physical Review Letters, 110, 093901.
      doi:10.1103/PhysRevLett.110.093901
    14. Horsley, S. A. R., Wu, J. H., Artoni, M., & La Rocca, G. C. (2013). Optical nonreciprocity of cold atom Bragg mirrors in motion. Physical Review Letters, 110, 223602.
      doi:10.1103/PhysRevLett.110.223602
    15. Ramezani, H., Jha, P. K., Wang, Y., & Zhang, X. (2018). Nonreciprocal localization of photons. Physical Review Letters, 120, 043901.
      doi:10.1103/PhysRevLett.120.043901
    16. Manipatruni, S., Robinson, J. T., & Lipson, M. (2009). Optical nonreciprocity in optomechanical structures. Physical Review Letters, 102, 213903.
      doi:10.1103/PhysRevLett.102.213903
    17. Shen, Z., Zhang, Y. L., Chen, Y., Zou, C. L., Xiao, Y. F., Zou, X. B., Sun, F. W., Guo, G. C., & Dong, C. H. (2016). Experimental realization of optomechanically induced non-reciprocity. Nature Photonics, 10, 657-661.
      doi:10.1038/nphoton.2016.161
    18. Xu, X., Zhao, Y., Wang, H., Jing, H., & Chen, A. (2020). Quantum nonreciprocity in quadratic optomechanics. Photonics Research, 8(2), 143-150.
      doi:10.1364/PRJ.8.000143
    19. Yang, K. Y., Skarda, J., Cotrufo, M., Dutt, A., Ahn, G. H., Sawaby, M., Vercruysse, D., Arbabian, A., Fan, S., Alù, A., & Vučković, J. (2020). Inverse-designed non-reciprocal pulse router for chip-based LiDAR. Nature Photonics, 14, 369-374.
      doi:10.1038/s41566-020-0606-0
    20. Sounas, D. L., Soric, J., & Alù, A. (2018). Broadband passive isolators based on coupled nonlinear resonances. Nature Electronics, 1, 113-119.
      doi:10.1038/s41928-018-0025-0
    21. Cotrufo, M., Cordaro, A., Sounas, D. L., Polman, A., & Alù, A. (2024). Passive bias-free nonreciprocal metasurfaces based on thermally nonlinear quasi-bound states in the continuum. Nature Photonics, 18, 81.
      doi:10.1038/s41566-023-01333-7
    22. Del Bino, L., Silver, J. M., Woodley, M. T. M., Stebbings, S. L., Zhao, X., & Del'Haye, P. (2018). Microresonator isolators and circulators based on the intrinsic nonreciprocity of the Kerr effect. Optica, 5(3), 279-282.
      doi:10.1364/OPTICA.5.000279
    23. Sounas, D. L., & Alù, A. (2018). Fundamental bounds on the operation of Fano nonlinear isolators. Physical Review B, 97, 115431.
      doi:10.1103/PhysRevB.97.115431
    24. Yang, S., Liu, M., Zhao, C., Fan, S., & Qiu, C. W. (2024). Nonreciprocal thermal photonics. Nature Photonics, 18, 412.
      doi:10.1038/s41566-024-01409-y
    25. Li, B., Özdemir, S. K., Xu, X. W., Zhang, L., Kuang, L. M., & Jing, H. (2021). Nonreciprocal optical solitons in a spinning Kerr resonator. Physical Review A, 103, 053522.
      doi:10.1103/PhysRevA.103.053522
    26. Yu, Z. F., Yan, P. F., Wang, Y., Xu, H. P., Zhang, A. X., & Xue, J. K. (2025). Kerr nonlinearity regulated nonreciprocal amplification in cavity magnon polaritons. Optics Letters, 50(18), 5885-5888.
      doi:10.1364/OL.570018
    27. Ren, L. H., Xu, X. B., Zhu, S., Shi, L., & Zhang, X. L. (2020). Experimental realization of on-chip nonreciprocal transmission by using the mechanical Kerr effect. ACS Photonics, 7(11), 2995-3002.
      doi:10.1021/acsphotonics.0c00961
    28. Shi, Y., Yu, Z., & Fan, S. (2015). Limitations of nonlinear optical isolators due to dynamic reciprocity. Nature Photonics, 9, 388.
      doi:10.1038/nphoton.2015.79
    29. Yang, P. F., Xia, X. W., He, H., Li, S. K., Han, X., Zhang, P., Li, G., Zhang, P. F., Xu, J. P., Yang, Y. P., & Zhang, T. C. (2019). Realization of nonlinear optical nonreciprocity on a few-photon level based on atoms strongly coupled to an asymmetric cavity. Physical Review Letters, 123, 233604.
      doi:10.1103/PhysRevLett.123.233604
    30. Markos, C., Vlachos, K., & Kakarantzas, G. (2010). Bending loss and thermo-optic effect of a hybrid PDMS/silica photonic crystal fiber. Optics Express, 18(23), 24344-24351.
      doi:10.1364/OE.18.024344
    31. Veysset, D., Ling, T., Zhu, Y., Pandiyan, V. P., Sabesan, R., & Palanker, D. (2022). Interferometric imaging of thermal expansion for temperature control in retinal laser therapy. Biomedical Optics Express, 13(2), 728-743.
      doi:10.1364/BOE.448803
    32. Ott, K., Garcia, S., Kohlhaas, R., Schüppert, K., Rosenbusch, P., Long, R., & Reichel, J. (2016). Millimeter-long fiber Fabry-Perot cavities. Optics Express, 24(9), 9839-9853.
      doi:10.1364/OE.24.009839
    33. Yan, Y., Xiao, X., Nie, Q., Wang, Z., Chen, Y., Wu, J., Zhou, N., Zhou, R., Yang, S., & Ren, W. (2024). Nanoliter-scale light-matter interaction in a fiber-tip cavity enables sensitive photothermal gas detection. Laser & Photonics Reviews, 18(12), 2400907.
      doi:10.1002/lpor.202400907

    Порушення симетрії пропускання є важливим для реалізації напрямково-селективного транспорту світла в інтегрованій фотоніці, тоді як наявні підходи зазвичай спираються на магнітооптичні матеріали, часову модуляцію або сильні оптичні нелінійності. Ми теоретично досліджуємо порушення симетрії пропускання, індуковане тепловим зворотним зв'язком, в асиметричному мікрорезонаторі Фабрі-Перо, заповненому полідиметилсилоксаном. Через неоднакові відбивні здатності дзеркал зустрічно поширювані оптичні поля мають різну ефективність зв'язку та поглинання, що призводить до різних термічно індукованих резонансних зміщень і характеристик пропускання. Числові результати показують, що запропонована немагнітна структура може досягти контрасту пропускання, що перевищує 50 дБ. Запропонований механізм забезпечує простий підхід до реалізації компактних інтегрованих фотонних пристроїв з напрямково-селективним пропусканням.

    Ключові слова: термооптична нелінійність, асиметричний мікрорезонатор Фабрі-Перо, порушення симетрії пропускання, волоконно-інтегровані пристрої

Free download this article 

This work is licensed under CC BY 4.0