發(fā)射性能測試裝置與探測性能檢測裝置相似，都是將石墨烯纖維固定在兩個電極之間。對石墨烯纖維輸入一定頻率和一定強(qiáng)度的電場，可使其發(fā)射波長為2-12微米的中紅外光。隨著電場的提升，光譜會發(fā)生藍(lán)移，分布范圍逐漸收窄，強(qiáng)度也有大幅提升。將發(fā)光的纖維即時的溫度用普朗克函數(shù)進(jìn)行換算，證實(shí)了其發(fā)光原理屬于典型的灰體輻射。對于灰體輻射材料，其發(fā)光的光譜分布范圍及峰值由表面的溫度單一決定，溫度越高越靠近可見光區(qū)域。作者通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)表面溫度調(diào)控在330-700 K時，灰體輻射的波長可以控制在中紅外區(qū)域。而石墨烯纖維在空氣中的耐熱溫度可以達(dá)到800 K，可以在這一區(qū)域穩(wěn)定工作。比如當(dāng)輸入電場為3.53 V/cm時，石墨烯纖維可以在662 K的溫度下工作超過40小時。

根據(jù)普朗克公式，灰體輻射出的能量與其本征發(fā)射率有著緊密的聯(lián)系。一般情況下，發(fā)射率越高，所輻射的能量越強(qiáng)。而發(fā)射率又和吸收率正相關(guān)。因此石墨烯纖維的發(fā)射率在較寬溫度范圍內(nèi)比寡層石墨烯高兩個數(shù)量級，其輻射效率（輻射能量和輸入電場能量的比值）也有一定優(yōu)勢。通過商用的銦鎵砷探測器所能觀測到的最快發(fā)射頻率為10兆赫茲，作者認(rèn)為這可能和石墨烯纖維的弱耦合結(jié)構(gòu)以及裝置的獨(dú)立支撐結(jié)構(gòu)有關(guān)聯(lián)。弱耦合作用和自支撐結(jié)構(gòu)限制了熱擴(kuò)散，使電場產(chǎn)生的焦耳熱限制在一個多層石墨烯結(jié)構(gòu)中，促進(jìn)石墨烯快速高效發(fā)光。

圖4. 石墨烯纖維的中紅外發(fā)射性能表征。（a）將石墨烯纖維懸空固定在金屬電極之間，輸入變頻偏壓使其發(fā)射中紅外光；（b）在不同溫度下，石墨烯纖維的發(fā)光光譜與理論的灰體輻射曲線相符；（c）發(fā)光頻率可以達(dá)到10兆赫茲。

雙向通訊系統(tǒng)

基于良好的發(fā)射和探測性能，作者以兩根同樣的石墨烯纖維構(gòu)建了雙向中紅外通訊系統(tǒng)。每根石墨烯纖維都與控制發(fā)射和接收的功能電路連接在一起，發(fā)射和接收電路的工作狀態(tài)通過繼電器實(shí)現(xiàn)自動切換。左右兩根石墨烯纖維以一定的工作距離平行放置，以便傳輸和接收中紅外光。具體地，通過數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換和一系列的信號處理模塊向左側(cè)的纖維輸入一定頻率的數(shù)字信號，使其發(fā)射相同頻率的中紅外光；同時右側(cè)的纖維接收中紅外光，并產(chǎn)生同步的光電流，再經(jīng)過信號處理和模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號顯示在右側(cè)的顯示屏上。這樣就實(shí)現(xiàn)了中紅外信號從左側(cè)到右側(cè)的傳輸。右側(cè)纖維在接收完信號之后，可以對其輸入一個回復(fù)信號。此時，右側(cè)纖維的控制電路會自動通過繼電器切換到發(fā)射模式，左側(cè)纖維的控制電路切換到接收模式，實(shí)現(xiàn)回復(fù)信號從右側(cè)到左側(cè)的順利傳遞。

該研究報(bào)道的中紅外通訊系統(tǒng)非常穩(wěn)定，可以在兩個纖維間實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的信號交流和多次對話。該系統(tǒng)使用了多種數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換和信號處理模塊將石墨烯纖維的中紅外光通訊推進(jìn)到數(shù)字化模式中，初步探索了應(yīng)用潛力。受限于信號處理模塊的噪聲干擾，此系統(tǒng)的通訊頻率只能達(dá)到125赫茲。但是作者移除信號處理模塊之后，通訊頻率可以大幅度提升至10萬赫茲，進(jìn)一步提升優(yōu)化后，有望接近于商用的通訊系統(tǒng)頻率。

圖5. 雙向中紅外通訊系統(tǒng)的電路圖。

在文章的最后，作者根據(jù)雙向中紅外通訊系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)移過程及工作原理提出了一個品質(zhì)因子I*，它可以在給定的相同工作環(huán)境下，初步預(yù)估中紅外響應(yīng)材料在雙向中紅外通訊系統(tǒng)中所能達(dá)到的期望性能。作者還比較了石墨烯纖維與其它碳質(zhì)材料，發(fā)現(xiàn)石墨烯纖維的品質(zhì)因子占據(jù)一定優(yōu)勢，其它碳質(zhì)材料或因受限于較小的橫截面積和較低的響應(yīng)度。

圖6. 雙向中紅外通訊系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)移過程及品質(zhì)因子。

相關(guān)成果以“Bidirectional mid-infrared communications between two identical macroscopic graphene fibres”發(fā)表在Nat. Commun.,2020, 11:6368。論文鏈接： https://www.nature.com/articles/s41467-020-20033-2#Sec14 。該工作是在國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國家自然科學(xué)基金等相關(guān)資助下完成的。