自由空间光通信是指以光波为载体，在真空或大气中传递信息的光通信技术，由于大容量、低功耗、灵活性等优点，被认为是下一代空天地一体化网络通信的关键技术之一。但是，由于信息数据暴露在远距离、自由空间中，导致传统空间光通信存在信息被篡改或窃听的安全风险。而现有信息加密技术方案中，受到传输速率、成本等限制，无法满足未来自由空间光通信对大容量、高速率的技术需求。
针对空间光通信安全性问题，北京邮电大学郭霞教授、中国人民大学陈珊珊教授和中国电子科技集团第十三研究所周幸叶（共同通讯作者）等合作开发了一种基于石墨烯/GaN异质结双极性光电探测器。发现石墨烯/GaN异质结构中界面诱导效应，使其对紫外和红光展现出明显的双极性特征，能够依据紫外、红光的开关状态展示出了四种高低稳定的光电流。据此，研究人员进一步提出“两把钥匙开一把锁”的加密思路，将信息分别隐藏在紫外和红光两束光波中，只有当两束光同时入射至探测器上，根据编码协议即可解密出完整的光信息（图1）。该技术可推广至可见光和近红外波段，为自由空间安全光通信提供了一种新的加密策略。
图1：基于双极性光电探测器的安全光通信方案
研究人员深入探索了石墨烯/GaN异质结探测器的双极性响应机理。传统双波段探测器通常利用两种材料的带隙差异表现出对双波段光的不同吸收和响应特性。本研究工作中，GaN是宽禁带材料，主要吸收紫外光，而石墨烯虽然是零带隙材料，但单层石墨烯光吸收效率仅有3%，可以忽略不计，本工作的双波段响应机理与传统器件有所不同。研究人员提出界面诱导光响应机制，GaN吸收紫外光产生的光生电子被界面电场注入至石墨烯导致其费米能级上升至靠近狄拉克点，形成负极性光电流；界面态在红光激励下被电子填充，诱导热空穴注入石墨烯使其费米能级下降至远离狄拉克点，是紫外响应的逆过程，表现为正极性光电流。紫外和红光响应都来源于界面对石墨烯费米能级和输运性质的调控，二者具有对称的物理机制，互为逆过程。得益于石墨烯平坦的表面和超高的面内电导率，探测器在紫外和红光波段均表现出高灵敏响应性能。该响应机理利用开尔文探针力显微镜得到了证实，为双极性光电探测器的研制提供了新的设计思路。
图2：探测器响应机理。(a) 表面势在不同光照条件下的二维扫描图。（b）表面势在不同光照下随位置的变化。（c）紫外光照下的能带图。(d) 紫外和红光照射时的能带图。
基于紫外和红光响应机理的内部关联性，根据紫外、红光开（“1”）关（“0”）状态的不同，探测器展示出四种高低稳定的光电流。紫外光打开、红光关闭状态时，信号为“10”，只有负极性响应，光电流最小；紫外、红光同时打开，信号为“11”时，正负极性响应相互抵消，但器件电流仍低于暗电流水平；紫外、红光同时关闭，信号为“00”时，电流处于暗电流水平；紫外关闭、红光打开，信号为“01”时，只有正极性响应，光电流最大。这一特性是实现自由空间保密光通信的基础。
图3：（a）紫外、红光不同开关状态下光电流响应。（b）响应真值表。
本研究工作以“Bipolar Photoresponse in Graphene/GaN Heterostructure and its Secure Function in Free-Space Optical Communication”为题发表在国际著名期刊Advanced Electronic Materials上，北京邮电大学博士研究生张世凤和北京邮电大学副教授胡安琪为共同第一作者。本工作得到了国家重点研发计划项目和国家自然基金的资助与支持。
文献信息
Bipolar Photoresponse in Graphene/GaN Heterostructure and its Secure Function in Free-Space Optical Communication
(Adv. Electron. Mater., 2023, DOI:10.1002/aelm.202300243)
文献链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aelm.202300243
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