北京理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)在模擬-數(shù)字雙模融合的光電感算器件領(lǐng)域取得重要進(jìn)展

 

　　隨著水下探索、激光通信和可見(jiàn)光通信等邊緣應(yīng)用的快速迭代，光學(xué)無(wú)線通信系統(tǒng)對(duì)低功耗、高集成度以及實(shí)時(shí)信號(hào)處理能力提出了更高要求。典型OWC鏈路中，感知節(jié)點(diǎn)需從物理世界獲取模擬信號(hào)并經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后通過(guò)光載波傳輸，遠(yuǎn)端處理節(jié)點(diǎn)接收并重建原始信息。這一過(guò)程要求感知節(jié)點(diǎn)具備模擬濾波能力以抑制低頻干擾，處理節(jié)點(diǎn)具備數(shù)字邏輯功能以實(shí)現(xiàn)信息解密與控制。然而，傳統(tǒng)系統(tǒng)采用分立模塊分別完成感知、調(diào)理和數(shù)字處理，模塊分離不僅增大了系統(tǒng)體積，也限制了在空間受限的邊緣節(jié)點(diǎn)中的部署。如何在兼容現(xiàn)有光通信架構(gòu)的前提下，通過(guò)精簡(jiǎn)器件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)模擬與數(shù)字處理功能的融合，仍是當(dāng)前該領(lǐng)域的核心挑戰(zhàn)。
 

　　針對(duì)此挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)提出的電容式光電二極管基于銻硫化物(Sb?S?)吸光層與原位生成的銻氧化物介電層，利用頻率依賴(lài)的電容耦合效應(yīng)與二極管的單向載流子阻擋特性，實(shí)現(xiàn)頻率選擇性的電荷積累，從而天然形成高通濾波特性。同時(shí)，介電層形成過(guò)程中引入的硫空位缺陷在短波長(zhǎng)光子照射下發(fā)生電離并產(chǎn)生光致?lián)诫s，能夠可逆地反轉(zhuǎn)內(nèi)建電場(chǎng)方向，使二極管極性切換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)XOR光電邏輯門(mén)。
 

　　材料與器件表征進(jìn)一步驗(yàn)證了上述設(shè)計(jì)思路。 研究團(tuán)隊(duì)選用Sb?S?納米棒陣列作為吸光層，通過(guò)氧等離子體處理在其表面原位生成Sb?O?介電層，XPS與EDS證實(shí)了高介電常數(shù)氧化物層已與吸光層形成緊密的電容耦合結(jié)構(gòu)。得益于這一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，CPD在零偏置下表現(xiàn)出尖峰狀雙極性光電響應(yīng)，帶寬達(dá)2 MHz，而基于相同材料的普通光電二極管僅約6 kHz。隨著調(diào)制頻率升高，光電流從不對(duì)稱(chēng)過(guò)渡為對(duì)稱(chēng)，證實(shí)了電荷積累機(jī)制；進(jìn)一步地，紅光調(diào)制產(chǎn)生的光尖峰在引入綠光偏置后極性完全反轉(zhuǎn)，為數(shù)字邏輯功能奠定了基礎(chǔ)。
 

　　利用頻率選擇性的電荷積累，團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了模擬高通濾波。在100 Hz至500 kHz范圍內(nèi)，CPD表現(xiàn)出明確的高通濾波特性，而普通光電二極管無(wú)此響應(yīng)。在柵格掃描成像中，調(diào)制頻率從100 Hz升至10 kHz時(shí)，圖像對(duì)比度逐步提升，高頻下采樣光電流顯著增強(qiáng)，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別準(zhǔn)確率也隨之提升。在抗竊聽(tīng)成像實(shí)驗(yàn)中，CPD接收端成功從低頻干擾中提取真實(shí)信號(hào)，信噪比由普通光電二極管的3.6 dB提升至18.6 dB，展示了其在物理層抗干擾通信中的實(shí)用價(jià)值。
 

　　波長(zhǎng)對(duì)極性的選擇性調(diào)控是實(shí)現(xiàn)數(shù)字邏輯的關(guān)鍵。紅光作為調(diào)制信號(hào)、藍(lán)光或綠光作為恒定偏置時(shí)，光電流極性發(fā)生反轉(zhuǎn)；而綠光調(diào)制與紅光偏置的組合則無(wú)法觸發(fā)此效應(yīng)。原位電子順磁共振譜證實(shí)了氧等離子體處理引入的硫空位在綠光照射下發(fā)生光致?lián)诫s，而紅光幾乎無(wú)效應(yīng)；開(kāi)爾文探針力顯微鏡與TCAD仿真進(jìn)一步揭示，綠光的光摻雜主要集中在Sb?S?/Sb?O?界面處，使內(nèi)建電場(chǎng)方向反轉(zhuǎn)、二極管極性翻轉(zhuǎn)。基于此機(jī)理，團(tuán)隊(duì)以紅光脈沖邊沿和綠光偏置狀態(tài)為雙光輸入，實(shí)現(xiàn)了XOR邏輯門(mén)，并通過(guò)光電流疊加進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了AND和OR邏輯運(yùn)算。
 

　　在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一套完整的光學(xué)無(wú)線通信系統(tǒng)。 前端CPD利用高通濾波從干擾中提取高頻信號(hào)，經(jīng)加密后調(diào)制紅綠雙波長(zhǎng)激光傳輸；接收端CPD利用極性反轉(zhuǎn)完成XOR解密并恢復(fù)數(shù)字信號(hào)——即使雙波長(zhǎng)信號(hào)被截獲，單一波長(zhǎng)也不包含完整信息，建立了物理層高安全性。系統(tǒng)演示了字母B的ASCII碼加密傳輸與恢復(fù)，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手的安全控制：僅紅光照射時(shí)指令無(wú)法解密，機(jī)械手保持不動(dòng)；紅綠光同時(shí)接收時(shí)指令成功恢復(fù)，機(jī)械手從手勢(shì)1切換至手勢(shì)2。該工作通過(guò)精簡(jiǎn)的器件架構(gòu)，將模擬信號(hào)調(diào)理與數(shù)字信息處理融合于單一光電二極管中，為下一代光學(xué)無(wú)線通信系統(tǒng)提供了一種高集成、低功耗、抗竊聽(tīng)的硬件方案，在邊緣智能、安全光互聯(lián)和加密控制等領(lǐng)域展現(xiàn)出應(yīng)用前景。
 

　　該論文第一完成單位為北京理工大學(xué)。集成電路與電子學(xué)院沈國(guó)震教授、王卓然教授為共同通訊作者；博士研究生王承佑為論文第一作者。
 

　　引用：北京理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)在模擬-數(shù)字雙模融合的光電感算器件領(lǐng)域取得重要進(jìn)展-北京理工大學(xué)【引用時(shí)間：2026年8月6日】