麥姆斯咨詢獲悉，近期，北京理工大學沈國震、王卓然團隊在《Nature Communications》期刊上發表了題為 “A capacitive photodiode for analogue and digital Processing” 的論文。該研究論文提出一種電容式光電二極管（CPD），在單個器件中融合模擬濾波與數字邏輯運算功能，為光學無線通信系統提供了一體化的感算方案。該工作利用頻率相關的電荷積累效應實現高頻信號提取，并借助波長依賴的光致摻雜機制實現極性可逆的光電邏輯門，在此基礎上演示了一套具備抗竊聽能力的光學無線通信系統，可分別完成前端模擬信號降噪與后端數字解密及執行器控制。
圖1. 電容式光電二極管工作原理
隨著水下探索、激光通信和可見光通信等邊緣應用的快速迭代，光學無線通信系統對低功耗、高集成度以及實時信號處理能力提出了更高要求。典型OWC鏈路中，感知節點需從物理世界獲取模擬信號并經模數轉換后通過光載波傳輸，遠端處理節點接收并重建原始信息。這一過程要求感知節點具備模擬濾波能力以抑制低頻干擾，處理節點具備數字邏輯功能以實現信息解密與控制。然而，傳統系統采用分立模塊分別完成感知、調理和數字處理，模塊分離不僅增大了系統體積，也限制了在空間受限的邊緣節點中的部署。如何在兼容現有光通信架構的前提下，通過精簡器件結構實現模擬與數字處理功能的融合，仍是當前該領域的核心挑戰。
針對此挑戰，北理工研究團隊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，利用頻率依賴的電容耦合效應與二極管的單向載流子阻擋特性，實現頻率選擇性的電荷積累，從而天然形成高通濾波特性。同時，介電層形成過程中引入的硫空位缺陷在短波長光子照射下發生電離并產生光致摻雜，能夠可逆地反轉內建電場方向，使二極管極性切換，進而實現XOR光電邏輯門。
材料與器件表征進一步驗證了上述設計思路。 研究團隊選用Sb?S?納米棒陣列作為吸光層，通過氧等離子體處理在其表面原位生成Sb?O?介電層，XPS與EDS證實了高介電常數氧化物層已與吸光層形成緊密的電容耦合結構。得益于這一結構設計，CPD在零偏置下表現出尖峰狀雙極性光電響應，帶寬達2 MHz，而基于相同材料的普通光電二極管僅約6 kHz。隨著調制頻率升高，光電流從不對稱過渡為對稱，證實了電荷積累機制；進一步地，紅光調制產生的光尖峰在引入綠光偏置后極性完全反轉，為數字邏輯功能奠定了基礎。
圖2. 材料與器件表征
利用頻率選擇性的電荷積累，團隊實現了模擬高通濾波。在100 Hz至500 kHz范圍內，CPD表現出明確的高通濾波特性，而普通光電二極管無此響應。在柵格掃描成像中，調制頻率從100 Hz升至10 kHz時，圖像對比度逐步提升，高頻下采樣光電流顯著增強，卷積神經網絡識別準確率也隨之提升。在抗竊聽成像實驗中，CPD接收端成功從低頻干擾中提取真實信號，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用價值。
圖3. 模擬高通濾波功能驗證
波長對極性的選擇性調控是實現數字邏輯的關鍵。紅光作為調制信號、藍光或綠光作為恒定偏置時，光電流極性發生反轉；而綠光調制與紅光偏置的組合則無法觸發此效應。原位電子順磁共振譜證實了氧等離子體處理引入的硫空位在綠光照射下發生光致摻雜，而紅光幾乎無效應；開爾文探針力顯微鏡與TCAD仿真進一步揭示，綠光的光摻雜主要集中在Sb?S?/Sb?O?界面處，使內建電場方向反轉、二極管極性翻轉。基于此機理，團隊以紅光脈沖邊沿和綠光偏置狀態為雙光輸入，實現了XOR邏輯門，并通過光電流疊加進一步實現了AND和OR邏輯運算。
圖4. 數字邏輯處理機理
在此基礎上，團隊構建了一套完整的光學無線通信系統。 前端CPD利用高通濾波從干擾中提取高頻信號，經加密后調制紅綠雙波長激光傳輸；接收端CPD利用極性反轉完成XOR解密并恢復數字信號——即使雙波長信號被截獲，單一波長也不包含完整信息，建立了物理層高安全性。系統演示了字母B的ASCII碼加密傳輸與恢復，并進一步實現了機械手的安全控制：僅紅光照射時指令無法解密，機械手保持不動；紅綠光同時接收時指令成功恢復，機械手從手勢1切換至手勢2。該工作通過精簡的器件架構，將模擬信號調理與數字信息處理融合于單一光電二極管中，為下一代光學無線通信系統提供了一種高集成、低功耗、抗竊聽的硬件方案，在邊緣智能、安全光互聯和加密控制等領域展現出應用前景。
圖5. CPD實現的模擬-數字融合光通信系統
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-026-75823-x
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