光子学里，石墨烯有很广泛的应用空间。
非线性克尔效应.在更密集的激光照射下，除了众所周知的可饱和吸收效应之外，石墨烯也可以具备由于光学非线性克尔效应的非线性相移。
自旋传输.科学家认为石墨烯会是理想的自旋电子学材料，因为其自旋-轨道作用很小，而且碳元素几乎没有核磁矩（）。使用非局域磁阻效应，可以测量出，在室温状况，自旋注入于石墨烯薄膜的可靠性很高，并且观测到自旋相干长度超过1微米。使用电闸，可以控制自旋电流的极性。
反常量子霍尔效应.