自由空間光通信是指以光波為載體，在真空或大氣中傳遞信息的光通信技術(shù)，由于大容量、低功耗、靈活性等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是下一代空天地一體化網(wǎng)絡(luò)通信的關(guān)鍵技術(shù)之一。但是，由于信息數(shù)據(jù)暴露在遠(yuǎn)距離、自由空間中，導(dǎo)致傳統(tǒng)空間光通信存在信息被篡改或竊聽的安全風(fēng)險(xiǎn)。而現(xiàn)有信息加密技術(shù)方案中，受到傳輸速率、成本等限制，無法滿足未來自由空間光通信對(duì)大容量、高速率的技術(shù)需求。
針對(duì)空間光通信安全性問題，北京郵電大學(xué)郭霞教授、中國人民大學(xué)陳珊珊教授和中國電子科技集團(tuán)第十三研究所周幸葉（共同通訊作者）等合作開發(fā)了一種基于石墨烯/GaN異質(zhì)結(jié)雙極性光電探測(cè)器。發(fā)現(xiàn)石墨烯/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中界面誘導(dǎo)效應(yīng)，使其對(duì)紫外和紅光展現(xiàn)出明顯的雙極性特征，能夠依據(jù)紫外、紅光的開關(guān)狀態(tài)展示出了四種高低穩(wěn)定的光電流。據(jù)此，研究人員進(jìn)一步提出“兩把鑰匙開一把鎖”的加密思路，將信息分別隱藏在紫外和紅光兩束光波中，只有當(dāng)兩束光同時(shí)入射至探測(cè)器上，根據(jù)編碼協(xié)議即可解密出完整的光信息（圖1）。該技術(shù)可推廣至可見光和近紅外波段，為自由空間安全光通信提供了一種新的加密策略。
圖1：基于雙極性光電探測(cè)器的安全光通信方案
研究人員深入探索了石墨烯/GaN異質(zhì)結(jié)探測(cè)器的雙極性響應(yīng)機(jī)理。傳統(tǒng)雙波段探測(cè)器通常利用兩種材料的帶隙差異表現(xiàn)出對(duì)雙波段光的不同吸收和響應(yīng)特性。本研究工作中，GaN是寬禁帶材料，主要吸收紫外光，而石墨烯雖然是零帶隙材料，但單層石墨烯光吸收效率僅有3%，可以忽略不計(jì)，本工作的雙波段響應(yīng)機(jī)理與傳統(tǒng)器件有所不同。研究人員提出界面誘導(dǎo)光響應(yīng)機(jī)制，GaN吸收紫外光產(chǎn)生的光生電子被界面電場(chǎng)注入至石墨烯導(dǎo)致其費(fèi)米能級(jí)上升至靠近狄拉克點(diǎn)，形成負(fù)極性光電流；界面態(tài)在紅光激勵(lì)下被電子填充，誘導(dǎo)熱空穴注入石墨烯使其費(fèi)米能級(jí)下降至遠(yuǎn)離狄拉克點(diǎn)，是紫外響應(yīng)的逆過程，表現(xiàn)為正極性光電流。紫外和紅光響應(yīng)都來源于界面對(duì)石墨烯費(fèi)米能級(jí)和輸運(yùn)性質(zhì)的調(diào)控，二者具有對(duì)稱的物理機(jī)制，互為逆過程。得益于石墨烯平坦的表面和超高的面內(nèi)電導(dǎo)率，探測(cè)器在紫外和紅光波段均表現(xiàn)出高靈敏響應(yīng)性能。該響應(yīng)機(jī)理利用開爾文探針力顯微鏡得到了證實(shí)，為雙極性光電探測(cè)器的研制提供了新的設(shè)計(jì)思路。
圖2：探測(cè)器響應(yīng)機(jī)理。(a) 表面勢(shì)在不同光照條件下的二維掃描圖。（b）表面勢(shì)在不同光照下隨位置的變化。（c）紫外光照下的能帶圖。(d) 紫外和紅光照射時(shí)的能帶圖。
基于紫外和紅光響應(yīng)機(jī)理的內(nèi)部關(guān)聯(lián)性，根據(jù)紫外、紅光開（“1”）關(guān)（“0”）狀態(tài)的不同，探測(cè)器展示出四種高低穩(wěn)定的光電流。紫外光打開、紅光關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，信號(hào)為“10”，只有負(fù)極性響應(yīng)，光電流最??；紫外、紅光同時(shí)打開，信號(hào)為“11”時(shí)，正負(fù)極性響應(yīng)相互抵消，但器件電流仍低于暗電流水平；紫外、紅光同時(shí)關(guān)閉，信號(hào)為“00”時(shí)，電流處于暗電流水平；紫外關(guān)閉、紅光打開，信號(hào)為“01”時(shí)，只有正極性響應(yīng)，光電流最大。這一特性是實(shí)現(xiàn)自由空間保密光通信的基礎(chǔ)。
圖3：（a）紫外、紅光不同開關(guān)狀態(tài)下光電流響應(yīng)。（b）響應(yīng)真值表。
本研究工作以“Bipolar Photoresponse in Graphene/GaN Heterostructure and its Secure Function in Free-Space Optical Communication”為題發(fā)表在Advanced Electronic Materials上。本工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目，國家自然基金和中國人民大學(xué)中央高?；究蒲谢鸬馁Y助與支持。
（來源：中國人民大學(xué)物理學(xué)系）
