张晗湖南大学 湖南大学教授发现石墨烯新特性 将在微波光子学中崛起
以超高速光子学为基础的石墨烯在超高速光子学的各个方面都迅速发展--带宽超过500GHz的超快速石墨烯光电探测器;宽频带的石墨烯光学调制器;宽频带的石墨烯偏光镜等等,这些都得益于材料的宽带光子学属性。特别是,石墨烯的光饱和吸收,即石墨烯的光吸收性,这个属性会随着光强度的增加而减弱,并且一旦入射光强度超过一个阈值,就会趋于饱和。
这是泡利阻断原则的一个结果,这使得石墨烯广泛适用于波长从1微米至10.6微米之间的不同类型的超快速激光。对基于光子学的石墨烯的不断关注使得传统光子学的研究进入一个新的阶段。
现在,由湖南大学物理与微电子科学学院张晗教授和文双春教授领导的中国石墨烯光子学研究团队首次实验证明了石墨烯除了其众所周知的光饱和吸收性之外,还具有微波和太赫兹饱和吸收性。这些研究成果已发表在最新一期光学快报("石墨烯的微波和光饱和吸收")。
在该实验中,研究人员采用光学倍频技术产生大约100GHz的也被称为低频段太赫兹波的微波信号。这种微米波由远端天线产生、放大、传送,到达石墨烯样品之后由太赫兹检测器检测。通过调整光衰减器(这会使得输出的微波功率可以在大范围内调节),石墨烯中的微波透射率可以在各种微波功率下被测量出来。
图1 100 GHz微波产生装置和石墨烯中波饱和吸收特性分析系统装置(图片来源:湖南大学,张博士)
该团队还发现通过以0.8GHz的频率间隔从96GHz不断的调节微波频率直到100GHz(调制深度为4.58%至12.77%),石墨烯的微波饱和吸收性就会被证实。通过对相同样品进行的Z-扫描测量,石墨烯的光饱和吸收性质也会得到确认。
图2 微波饱和吸收曲线(左图)石墨烯中微波饱和吸收的示意图(右图)(图片来源:湖南大学,张博士)
这个实验表明,宽带对从光学波段到微波波段的石墨烯进行饱和吸收。根据其新的微波特性,张教授和文教授预计,石墨烯可能在微波光子学中存在潜在的应用。
几种新的微波器件可能有以下因素产生:1)一个石墨烯的饱和吸收器可以催生MASER中的锁模和Q开关,就像它的光饱和吸收特性;2)一个调制水平可以通过调节石墨烯费米能级来手动控制的石墨烯微波调制器,它的结构与基于石墨烯的宽带光调制器类似;3)一个在微波波段的宽带石墨偏光镜里微波和石墨层的相互作用是非线性的。
最后,张教授和文教授总结了石墨微波光子学器件可能的优势:1)通过控制石墨层的数量或者通过化学作用,它具有可调谐的微波非线性特性;2)我们的设备使得石墨的形态在毫米的数量级,这样的话,更多有价值的微波光子学的现象可能会出现;3)二维结构使得它既可能沿着石墨表面也可以垂直于石墨表面扩散;4)石墨中的小能级隙与微波和太赫兹光子能量完全匹配;5)普遍的饱和吸收特性表明锁模在微波波段频率的可调谐操作。
"在现阶段,对石墨烯微波光子学的研究是非常有限的,而在这方面的研究应该持续的增加"张教授和文教授总结说。"此次在石墨上的微波光子学上的初步实验可被视为一个起点。内在的小的带隙和许多狄拉克在石墨烯表明,石墨可能是微波光子学的天然候选材料,因为微波光子与石墨中的小带隙达到完全的匹配。
我们相信石墨的许多新的微波光子特性能够给未来的微波通信带来变化—如微波信号处理、无线宽带接入网络、传感器网络、雷达、卫星通信等等。"
