会变色的纳米激光灯

多波长（或多频率）激光器是纳米光子芯片实现大容量信息应用（如波分复用、高密度光互连、大规模光子计算和多路细胞追踪等）的关键光源，需具备发射峰隔离良好、光谱覆盖宽、效率高且尺寸紧凑等特点。传统多波长激光器依赖多个独立波长的激光器，存在尺寸大、功耗高的问题；多段分布式反馈（DFB）激光器波长数量有限；随机激光器或混沌激光器虽能在紧凑半导体芯片上限制多发射模式，却缺乏有效频率调控技术，且纳米腔阵列的光刻调谐易受微加工无序导致的随机频率偏差影响。
彩虹捕获是指不同频率的状态在同一结构中依次被困在不同空间位置，已在电磁、声学和弹性波系统中广泛研究。将其应用于片上激光器设计，可通过分离光学模式缓解增益竞争，在超紧凑结构中实现宽带多波长激光发射，但因缺乏有效调控工作模式特性（波长、模式限制、模式分布等）、消除寄生态及提供实验制备鲁棒性的机制，纳米彩虹激光器尚未实现。
近年来，拓扑光子晶体为纳米光子器件提供了稳健平台，合成维度作为人工维度被引入拓扑光子系统，为片上纳米光子器件设计带来自由度。本研究首次提出并实验实现了基于合成维度纳米光子平台的拓扑多波长激光器——“拓扑纳米彩虹激光器”。该激光器在近红外多量子阱（MQW）晶圆上构建，支持一系列跨越整个带隙、占据不同空间位置的隔离合成拓扑光子态（“合成模式”），这些模式具有衍射极限的模式体积和设计合理的高品质（Q）因子。
实验结果显示，该激光器在约0.0003 mm²的超紧凑尺寸内，实现了10个以上发射波长，光谱覆盖达143 nm，边模抑制比（SMSR）在18-38 dB之间；阈值泵浦功率密度约为2.92 kW/cm²，考虑增益材料对泵浦光的吸收效率后，有效阈值约为0.58 kW/cm²；自发辐射因子β约为0.45，输出峰值功率超过0.36 mW（更长界面结构可达1.63 mW）。通过扭转光子晶体晶格，还实现了具有随机多波长发射特性的多个不同纳米彩虹。
该拓扑纳米彩虹激光器的发射特性由光谱和空间隔离的拓扑合成模式的超小模式体积和高Q因子预先决定，克服了传统多波长激光器的缺陷，为片上光子学提供了高性能、空间复用的多波长发射方案，有望推动宽带信号处理、光计算等领域的发展。