激光問世之前，科學界基本上都在研究弱光束在介質中的傳播，這種條件下介質的光學性質與光強無關，而且光波疊加時遵守線性疊加原理，所以此類光學問題稱為線性光學。

但激光問世后，這種電場強度可與原子內部的庫侖場強度相當的光波與介質間會發生相互作用，產生非線性效應，進而導致線性光學不能解釋的一些新現象出現。隨著非線性光學效應不斷發展，很多技術應用也被相應推動，比如激光技術、材料加工和電子通信。

發生非線性光學效應所必需具備的一個條件是要有強度高和相干性好的光束，以往我們都是直接用非線性材料產生激光，但這個過程往往效率很低，而且不易人為控制。所以幾個參加石墨烯旗艦項目（Graphene Flagship project）的合作伙伴計劃用石墨烯材料試試，因為石墨烯有光諧波效應，可以捕獲光子并將它們結合起來產生更強的光束。后來測試發現，石墨烯顯示出良好的光學響應性，此外他們還找到了用電場控制這種效應的方法。這就意味著光強實現人為可控，未來高速光通信有望實現。他們的實驗結果發表在《Nature Nanotechnology》期刊上，論文標題為“Broadband, electrically tuneable, third harmonic generation in grapheme”（用電場調控石墨烯的能帶間隙并生成三次諧波）

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為了使光通信過程的數據傳輸量更大，科研人員需要用好石墨烯獨特的電子性能，創造石墨烯“開關”，在光纜傳輸數據的過程中實現光頻可控。

根據原理，弱光進入介質滿足線性效應，頻率保持不變。但強光進入介質，由于介質的非線性效應，除原來的頻率ω外，還將出現2ω、3ω等的高次諧波，這稱為非線性介質的倍頻效應，這種效應在激光技術中有重要應用。

但目前除石墨烯外大多數材料倍頻效應的效率都比較低，所以石墨烯的應用可能會促使制造超寬寬帶（巨型信息攜載量）的設備進一步出現。

這篇論文的主要作者Giancarlo Soavi，同時也是英國劍橋大學劍橋石墨烯中心的研究員，用一些數據證明了石墨烯的獨特優勢，他說：“從我們的實驗數據可看，通過調節外加電場，石墨烯中三次諧波的產生效率可以提高10倍以上。”

西班牙巴塞羅那光子科學研究所的Frank Koppens教授，同時也是該石墨烯旗艦項目中光子學和光電子工作的領導者，他補充了石墨烯的一些其他獨特之處： “和大多數材料不同，石墨烯的三次諧波產生過程在很長的一個波長范圍內具備可調諧性。這意味著在越來越多應用偏向全光學應用的當下，這項工作已經為多種技術鋪平了道路。”

這個項目管理委員會的主席Andrea C. Ferrari教授也說，“在光學和光子學領域，石墨烯永遠不會讓我們吃驚。” 他還強調說，“目前石墨烯旗艦公司已經投入巨資對石墨烯的光學性質進行研究和開發，這次的合作只是其中一步，但是意義重大。因為我們證明了光學器件的工作頻率范圍可以比以往更廣泛，這就是說，大量處理和傳輸數據不再會是難題。”

文章來源：nanowerk網站，原文題目為Graphene paves the way to faster high-speed optical communications，由材料科技在線匯總整理。

IEEE Spectrum

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