以超高速光子學(xué)為基礎(chǔ)的石墨烯在超高速光子學(xué)的各個(gè)方面都迅速發(fā)展--帶寬超過500GHz的超快速石墨烯光電探測器；寬頻帶的石墨烯光學(xué)調(diào)制器；寬頻帶的石墨烯偏光鏡等等，這些都得益于材料的寬帶光子學(xué)屬性。特別是，石墨烯的光飽和吸收，即石墨烯的光吸收性，這個(gè)屬性會(huì)隨著光強(qiáng)度的增加而減弱，并且一旦入射光強(qiáng)度超過一個(gè)閾值，就會(huì)趨于飽和。這是泡利阻斷原則的一個(gè)結(jié)果，這使得石墨烯廣泛適用于波長從1微米至10.6微米之間的不同類型的超快速激光。對基于光子學(xué)的石墨烯的不斷關(guān)注使得傳統(tǒng)光子學(xué)的研究進(jìn)入一個(gè)新的階段。

現(xiàn)在，由湖南大學(xué)物理與微電子科學(xué)學(xué)院張晗教授和文雙春教授領(lǐng)導(dǎo)的中國石墨烯光子學(xué)研究團(tuán)隊(duì)首次實(shí)驗(yàn)證明了石墨烯除了其眾所周知的光飽和吸收性之外，還具有微波和太赫茲飽和吸收性。這些研究成果已發(fā)表在最新一期光學(xué)快報(bào)（“石墨烯的微波和光飽和吸收”）。

在該實(shí)驗(yàn)中，研究人員采用光學(xué)倍頻技術(shù)產(chǎn)生大約100GHz的也被稱為低頻段太赫茲波的微波信號。這種微米波由遠(yuǎn)端天線產(chǎn)生、放大、傳送，到達(dá)石墨烯樣品之后由太赫茲檢測器檢測。通過調(diào)整光衰減器（這會(huì)使得輸出的微波功率可以在大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)），石墨烯中的微波透射率可以在各種微波功率下被測量出來。

圖1 100 GHz微波產(chǎn)生裝置和石墨烯中波飽和吸收特性分析系統(tǒng)裝置（圖片來源：湖南大學(xué)，張博士）

該團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)通過以0.8GHz的頻率間隔從96GHz不斷的調(diào)節(jié)微波頻率直到100GHz（調(diào)制深度為4.58%至12.77%），石墨烯的微波飽和吸收性就會(huì)被證實(shí)。通過對相同樣品進(jìn)行的Z-掃描測量，石墨烯的光飽和吸收性質(zhì)也會(huì)得到確認(rèn)。

圖2 微波飽和吸收曲線（左圖）石墨烯中微波飽和吸收的示意圖（右圖）（圖片來源：湖南大學(xué)，張博士）

這個(gè)實(shí)驗(yàn)表明，寬帶對從光學(xué)波段到微波波段的石墨烯進(jìn)行飽和吸收。根據(jù)其新的微波特性，張教授和文教授預(yù)計(jì)，石墨烯可能在微波光子學(xué)中存在潛在的應(yīng)用。

幾種新的微波器件可能有以下因素產(chǎn)生：1）一個(gè)石墨烯的飽和吸收器可以催生MASER中的鎖模和Q開關(guān)，就像它的光飽和吸收特性；2）一個(gè)調(diào)制水平可以通過調(diào)節(jié)石墨烯費(fèi)米能級來手動(dòng)控制的石墨烯微波調(diào)制器，它的結(jié)構(gòu)與基于石墨烯的寬帶光調(diào)制器類似；3）一個(gè)在微波波段的寬帶石墨偏光鏡里微波和石墨層的相互作用是非線性的。

最后，張教授和文教授總結(jié)了石墨微波光子學(xué)器件可能的優(yōu)勢：1）通過控制石墨層的數(shù)量或者通過化學(xué)作用，它具有可調(diào)諧的微波非線性特性；2）我們的設(shè)備使得石墨的形態(tài)在毫米的數(shù)量級，這樣的話，更多有價(jià)值的微波光子學(xué)的現(xiàn)象可能會(huì)出現(xiàn)；3）二維結(jié)構(gòu)使得它既可能沿著石墨表面也可以垂直于石墨表面擴(kuò)散；4）石墨中的小能級隙與微波和太赫茲光子能量完全匹配；5）普遍的飽和吸收特性表明鎖模在微波波段頻率的可調(diào)諧操作。

“在現(xiàn)階段，對石墨烯微波光子學(xué)的研究是非常有限的，而在這方面的研究應(yīng)該持續(xù)的增加”張教授和文教授總結(jié)說。“此次在石墨上的微波光子學(xué)上的初步實(shí)驗(yàn)可被視為一個(gè)起點(diǎn)。內(nèi)在的小的帶隙和許多狄拉克在石墨烯表明，石墨可能是微波光子學(xué)的天然候選材料，因?yàn)槲⒉ü庾优c石墨中的小帶隙達(dá)到完全的匹配。我們相信石墨的許多新的微波光子特性能夠給未來的微波通信帶來變化—如微波信號處理、無線寬帶接入網(wǎng)絡(luò)、傳感器網(wǎng)絡(luò)、雷達(dá)、衛(wèi)星通信等等。”

原文參考: http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=26868.php#ixzz2F0cHQ7eh 
電子科技大學(xué)太赫茲研究中心  四川太赫茲應(yīng)用研究聯(lián)合課題組  李玲  編譯