以超高速光子學為基礎的石墨烯在超高速光子學的各個方面都迅速發展--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調制器；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，這個屬性會隨著光強度的增加而減弱，并且一旦入射光強度超過一個閾值，就會趨于飽和。這是泡利阻斷原則的一個結果，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。對基于光子學的石墨烯的不斷關注使得傳統光子學的研究進入一個新的階段。

現在，由湖南大學物理與微電子科學學院張晗教授和文雙春教授領導的中國石墨烯光子學研究團隊首次實驗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。這些研究成果已發表在最新一期光學快報（“石墨烯的微波和光飽和吸收”）。

在該實驗中，研究人員采用光學倍頻技術產生大約100GHz的也被稱為低頻段太赫茲波的微波信號。這種微米波由遠端天線產生、放大、傳送，到達石墨烯樣品之后由太赫茲檢測器檢測。通過調整光衰減器（這會使得輸出的微波功率可以在大范圍內調節），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微波產生裝置和石墨烯中波飽和吸收特性分析系統裝置（圖片來源：湖南大學，張博士）

該團隊還發現通過以0.8GHz的頻率間隔從96GHz不斷的調節微波頻率直到100GHz（調制深度為4.58%至12.77%），石墨烯的微波飽和吸收性就會被證實。通過對相同樣品進行的Z-掃描測量，石墨烯的光飽和吸收性質也會得到確認。

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，張博士）

這個實驗表明，寬帶對從光學波段到微波波段的石墨烯進行飽和吸收。根據其新的微波特性，張教授和文教授預計，石墨烯可能在微波光子學中存在潛在的應用。

幾種新的微波器件可能有以下因素產生：1）一個石墨烯的飽和吸收器可以催生MASER中的鎖模和Q開關，就像它的光飽和吸收特性；2）一個調制水平可以通過調節石墨烯費米能級來手動控制的石墨烯微波調制器，它的結構與基于石墨烯的寬帶光調制器類似；3）一個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了石墨微波光子學器件可能的優勢：1）通過控制石墨層的數量或者通過化學作用，它具有可調諧的微波非線性特性；2）我們的設備使得石墨的形態在毫米的數量級，這樣的話，更多有價值的微波光子學的現象可能會出現；3）二維結構使得它既可能沿著石墨表面也可以垂直于石墨表面擴散；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諧操作。

“在現階段，對石墨烯微波光子學的研究是非常有限的，而在這方面的研究應該持續的增加”張教授和文教授總結說。“此次在石墨上的微波光子學上的初步實驗可被視為一個起點。內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的天然候選材料，因為微波光子與石墨中的小帶隙達到完全的匹配。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、無線寬帶接入網絡、傳感器網絡、雷達、衛星通信等等。”

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