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。对于灰体辐射材料，其发光的光谱分布范围及峰值由表面的温度单一决定，温度越高越靠近可见光区域。作者通过计算发现，当表面温度调控在330-700 K时，灰体辐射的波长可以控制在中红外区域。而石墨烯纤维在空气中的耐热温度可以达到800 K，可以在这一区域稳定工作。比如当输入电场为3.53 V/cm时，石墨烯纤维可以在662 K的温度下工作超过40小时。
根据普朗克公式，灰体辐射出的能量与其本征发射率有着紧密的联系。一般情况下，发射率越高，所辐射的能量越强。而发射率又和吸收率正相关。因此石墨烯纤维的发射率在较宽温度范围内比寡层石墨烯高两个数量级，其辐射效率（辐射能量和输入电场能量的比值）也有一定优势。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，作者认为这可能和石墨烯纤维的弱耦合结构以及装置的独立支撑结构有关联。弱耦合作用和自支撑结构限制了热扩散，使电场产生的焦耳热限制在一个多层石墨烯结构中，促进石墨烯快速高效发光。
图4. 石墨烯纤维的中红外发射性能表征。（a）将石墨烯纤维悬空固定在金属电极之间，输入变频偏压使其发射中红外光；（b）在不同温度下，石墨烯纤维的发光光谱与理论的灰体辐射曲线相符；（c）发光频率可以达到10兆赫兹。
双向通讯系统
基于良好的发射和探测性能，作者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，可以在两个纤维间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。受限于信号处理模块的噪声干扰，此系统的通讯频率只能达到125赫兹。但是作者移除信号处理模块之后，通讯频率可以大幅度提升至10万赫兹，进一步提升优化后，有望接近于商用的通讯系统频率。
图5. 双向中红外通讯系统的电路图。
在文章的最后，作者根据双向中红外通讯系统的能量转移过程及工作原理提出了一个品质因子I*，它可以在给定的相同工作环境下，初步预估中红外响应材料在双向中红外通讯系统中所能达到的期望性能。作者还比较了石墨烯纤维与其它碳质材料，发现石墨烯纤维的品质因子占据一定优势，其它碳质材料或因受限于较小的横截面积和较低的响应度。
图6. 双向中红外通讯系统的能量转移过程及品质因子。
相关成果以“Bidirectional mid-infrared communications between two identical macroscopic graphene fibres”发表在Nat. Commun.,2020, 11:6368。论文链接： https://www.nature.com/articles/s41467-020-20033-2#Sec14 。该工作是在国家重点研发计划和国家自然科学基金等相关资助下完成的。
