近期，浙江大学高超老师团队和浙大杭州科创中心微纳电子学院徐杨老师团队合作，在国际期刊《自然•通讯》（Nature Communications）报道了一种基于石墨烯纤维的双向中红外通讯系统，论文第一作者是浙江大学高分子科学与工程学系的方波博士和微纳电子学院的Srikrishna Chanakya Bodepudi博士。高超和徐杨团队在论文中探索了石墨烯纤维在中红外区域的发光和探测性能，并基于此构建了双向中红外通讯系统，测试和表征部分得到了胡欢老师和朱海明老师的建议和帮助。该研究是石墨烯宏观材料在中红外光电子器件通讯领域的初步探索。

1. 中红外光

图1. 常见光谱的分布。

中红外光（Mid-infrared, MIR）通常指代波长为2-25微米的光波，它与生物体活动的关系密切，这是因为中红外光的区间刚好分布在生物体热辐射波长范围之内。先进的中红外通讯系统在保密通讯、医疗保健、环境监测、气象科学及太空探索等领域有着重要的应用价值。光学通讯系统通常由两个基本的功能性结构单元（发射器、接收器）辅以其它信号处理装置组成。在传统的通讯系统中，发射和接收的功能通常由不同的器件分别实现。倘若能找到一种兼具发射和接收功能的材料来实现双向通讯，即可使通讯系统大大简化并提高效率。借助于碳纳米管和钙钛矿材料，双向通讯的构想已经初步在可见光及近红外光区域中实现，然而受限于材料欠佳的性能及严苛的工作环境，双向中红外通讯系统目前尚未能实现。

石墨烯是一种潜在合适的材料。石墨烯具有原子级别的厚度和极高的电子迁移率，它可以通过载流子耦合或者灰体辐射的方式发射中红外光，也可以通过结构设计在很宽的波谱范围内呈现出光电响应能力。然而寡层石墨烯对光子的吸收能力欠佳，其极低的发射率也大大限制了光子发射的能力。将石墨烯组装成弱耦合的宏观材料，可以在保留寡层石墨烯对中红外光的接收和发射能力的基础上解决低吸收率和低发射率的问题。

    2. 柔性石墨烯纤维

图2. 柔性石墨烯纤维的结构及基本性能。

该研究以氧化石墨烯薄膜为原料，通过加捻技术及后处理制备了连续的柔性的石墨烯纤维。不同于以往报道的单轴取向的石墨烯纤维，这种纤维在结构及性能上做出了两大改变：表面的螺旋型构型使纤维呈现出伸长率超过15的拉伸形为，并在多次的循环拉伸测试中保持稳定的力学和电学性能；即使在高温碳化处理后，也有相当比例的弱耦合区域存在。

    3. 双向通讯系统

将弱耦合的石墨烯纤维制备成双电极的光电导结构，可以探测波长范围在2-10微米之间的中红外光。将中红外光源从电极的一段向另一方向移动，可以发现所检测到光电流信号会发生方向和强度的逐步改变，这也就证明了石墨烯纤维的中红外探测机理是光热电效应(photo-thermoelectric effect)。进一步的，方波博士、Srikrishna Chanakya Bodepudi博士和博士研究生刘欣雨研究发现石墨烯纤维对波长为4微米的中红外光的探测频率可以达到0.25兆赫兹，并且具有约0.67 A/W 的响应度。

发射性能测试装置与探测性能检测装置相似，都是将石墨烯纤维固定在两个电极之间。对石墨烯纤维输入一定频率和一定强度的电场，可使其发射波长为2-12微米的中红外光。随着电场的提升，光谱会发生蓝移，分布范围逐渐收窄，强度也有大幅提升。将发光的纤维即时的温度用普朗克函数进行换算，证实了其发光原理属于典型的灰体辐射。通过商用的铟镓砷探测器所能观测到的最快发射频率为10兆赫兹。

基于良好的发射和探测性能，方波博士和微纳电子学院的博士生田丰、刘欣雨、吕建杭等人以两根同样的石墨烯纤维构建了双向中红外通讯系统。每根石墨烯纤维都与控制发射和接收的功能电路连接在一起，发射和接收电路的工作状态通过继电器实现自动切换。左右两根石墨烯纤维以一定的工作距离平行放置，以便传输和接收中红外光。具体地，通过数字-模拟转换和一系列的信号处理模块向左侧的纤维输入一定频率的数字信号，使其发射相同频率的中红外光；同时右侧的纤维接收中红外光，并产生同步的光电流，再经过信号处理和模拟-数字转换模块转换成数字信号显示在右侧的显示屏上。这样就实现了中红外信号从左侧到右侧的传输。右侧纤维在接收完信号之后，可以对其输入一个回复信号。此时，右侧纤维的控制电路会自动通过继电器切换到发射模式，左侧纤维的控制电路切换到接收模式，实现回复信号从右侧到左侧的顺利传递。

该研究报道的中红外通讯系统非常稳定，可以在两个纤维实现稳定的信号交流和多次对话。该系统使用了多种数字/模拟转换和信号处理模块将石墨烯纤维的中红外光通讯推进到数字化模式中，初步探索了应用潜力。此系统目前展示的通讯频率只能达到125赫兹，移除信号处理模块之后，通讯频率可以达到10万赫兹，如果进一步提升优化提升后，有望接近于商用的通讯系统频率。

图3. 双向中红外通讯系统的电路图。

    近日，该成果以“Bidirectional mid-infrared communications between two identical macroscopic graphene fibres”为题发表在Nature Communications上。

    文献链接：Fang, B., Bodepudi, S.C., Tian, F. et al. Bidirectional mid-infrared communications between two identical macroscopic graphene fibres. Nat Commun11, 6368 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-20033-2