北京理工在光电感算器件领域取得重要进展

近日，北京理工大学沈国震、王卓然团队提出一种电容式光电二极管（CPD），在单个器件中融合模拟滤波与数字逻辑运算功能，为光学无线通信系统提供了一体化的感算方案。该工作利用频率相关的电荷积累效应实现高频信号提取，并借助波长依赖的光致掺杂机制实现极性可逆的光电逻辑门，在此基础上演示了一套具备抗窃听能力的光学无线通信系统，可分别完成前端模拟信号降噪与后端数字解密及执行器控制。相关研究成果以“A capacitive photodiode for analogue and digital Processing”为标题，发表在《Nature Communications》上。

随着水下探索、激光通信和可见光通信等边缘应用的快速迭代，光学无线通信系统对低功耗、高集成度以及实时信号处理能力提出了更高要求。典型OWC链路中，感知节点需从物理世界获取模拟信号并经模数转换后通过光载波传输，远端处理节点接收并重建原始信息。这一过程要求感知节点具备模拟滤波能力以抑制低频干扰，处理节点具备数字逻辑功能以实现信息解密与控制。然而，传统系统采用分立模块分别完成感知、调理和数字处理，模块分离不仅增大了系统体积，也限制了在空间受限的边缘节点中的部署。如何在兼容现有光通信架构的前提下，通过精简器件结构实现模拟与数字处理功能的融合，仍是当前该领域的核心挑战。

针对此挑战，研究团队提出的电容式光电二极管基于锑硫化物（Sb₂S₃）吸光层与原位生成的锑氧化物介电层，利用频率依赖的电容耦合效应与二极管的单向载流子阻挡特性，实现频率选择性的电荷积累，从而天然形成高通滤波特性。同时，介电层形成过程中引入的硫空位缺陷在短波长光子照射下发生电离并产生光致掺杂，能够可逆地反转内建电场方向，使二极管极性切换，进而实现XOR光电逻辑门。

材料与器件表征进一步验证了上述设计思路。 研究团队选用Sb₂S₃纳米棒阵列作为吸光层，通过氧等离子体处理在其表面原位生成Sb₂Oₓ介电层，XPS与EDS证实了高介电常数氧化物层已与吸光层形成紧密的电容耦合结构。得益于这一结构设计，CPD在零偏置下表现出尖峰状双极性光电响应，带宽达2 MHz，而基于相同材料的普通光电二极管仅约6 kHz。随着调制频率升高，光电流从不对称过渡为对称，证实了电荷积累机制；进一步地，红光调制产生的光尖峰在引入绿光偏置后极性完全反转，为数字逻辑功能奠定了基础。

利用频率选择性的电荷积累，团队实现了模拟高通滤波。在100 Hz至500 kHz范围内，CPD表现出明确的高通滤波特性，而普通光电二极管无此响应。在栅格扫描成像中，调制频率从100 Hz升至10 kHz时，图像对比度逐步提升，高频下采样光电流显著增强，卷积神经网络识别准确率也随之提升。在抗窃听成像实验中，CPD接收端成功从低频干扰中提取真实信号，信噪比由普通光电二极管的3.6 dB提升至18.6 dB，展示了其在物理层抗干扰通信中的实用价值。

波长对极性的选择性调控是实现数字逻辑的关键。红光作为调制信号、蓝光或绿光作为恒定偏置时，光电流极性发生反转；而绿光调制与红光偏置的组合则无法触发此效应。原位电子顺磁共振谱证实了氧等离子体处理引入的硫空位在绿光照射下发生光致掺杂，而红光几乎无效应；开尔文探针力显微镜与TCAD仿真进一步揭示，绿光的光掺杂主要集中在Sb₂S₃/Sb₂Oₓ界面处，使内建电场方向反转、二极管极性翻转。基于此机理，团队以红光脉冲边沿和绿光偏置状态为双光输入，实现了XOR逻辑门，并通过光电流叠加进一步实现了AND和OR逻辑运算。

在此基础上，团队构建了一套完整的光学无线通信系统。 前端CPD利用高通滤波从干扰中提取高频信号，经加密后调制红绿双波长激光传输；接收端CPD利用极性反转完成XOR解密并恢复数字信号——即使双波长信号被截获，单一波长也不包含完整信息，建立了物理层高安全性。系统演示了字母B的ASCII码加密传输与恢复，并进一步实现了机械手的安全控制：仅红光照射时指令无法解密，机械手保持不动；红绿光同时接收时指令成功恢复，机械手从手势1切换至手势2。该工作通过精简的器件架构，将模拟信号调理与数字信息处理融合于单一光电二极管中，为下一代光学无线通信系统提供了一种高集成、低功耗、抗窃听的硬件方案，在边缘智能、安全光互联和加密控制等领域展现出应用前景。

相关链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-75823-x