Adv. Mater丨重庆师范大学李万俊教授团队：面向多值逻辑门加密光通信的几何调控型双极性光电探测器

由重庆师范大学李万俊教授的研究团队在学术期刊 Advanced Materials 发布了一篇名为Geometry-Engineered Bipolar Photodetectors for Multivalued Logic-Gate Encrypted Optical Communication（面向多值逻辑门加密光通信的几何调控型双极性光电探测器）的文章。

一、 背景

在数字化时代，信息加密是安全基础设施的核心。随着对通信带宽和数据保密性要求的不断提高，开发低功耗、高安全性的光加密技术已成为当前的研究热点。光电探测器在维持数据完整性方面起着关键作用。光电逻辑门借助光的波长、偏振等维度实现光子信息处理，已成为高速光信号处理、光计算及光域加密等进阶光通讯场景中极具价值的核心组件，为提升系统处理速度与安全性提供了重要技术路径。双极性光电探测器能够产生正负两种光电流响应，为加密光通信中实现二值及三值逻辑运算提供了物理基础。然而，当双极性器件应用于多波长并行传输系统时，光电流的不对称性会直接导致信号识别错误，阻碍精确数据传输。现有研究多集中于通过能带对齐调制或光强调谐来构建双极器件或提升其响应度等性能指标，专门针对双极光响应平衡问题的系统性策略尚未被探索。

二、 主要内容

双极性光探测器凭借其正负光电流响应特性及耦合赋能的多功能性，在逻辑门加密光通信领域展现出巨大潜力——该领域需精确平衡光电流以最小化极性诱导逻辑误差并确保传输精度。基于该团队在非晶氧化镓光电化学型光电探测器（PEC-PD）的前期研究基础之上（JMCC 2021; AOM 2024; AS 2024），本文进一步开发出基于全非晶 p-NiO_X 与 n-GaO_X 薄膜的并行结构自供电光电化学探测器，展现出双波段（254 nm/365 nm）双极性光响应特性。为解决固有光电流不对称问题，首先采用热退火工艺缓解失衡现象。更重要的是，依托独特的并行架构，该团队提出一种通用几何工程策略：仅需调整两种光活性材料的面积比，即可精确平衡正负光电流。该方法能在多种波长组合下实现强健的光电流对称性，确保对复杂光学环境的广泛适应性。基于此可调特性，演示了可重构的二进制与三进制异或（XOR 和 TXOR）逻辑门，将其作为光通信系统的加密框架。三值光电逻辑门加密方案相较二值系统提升信息吞吐量约 1.585 倍，密钥空间扩展达 89 %。本研究提出实现平衡双极光探测器的通用策略，为安全高效的水下光通信应用奠定基础。

三、 创新点

•构建新型并行结构双极性光电化学型光电探测器：采用全非晶 p-NiO_X/n-GaO_X 薄膜制备，实现稳定双极性光响应，简化工艺并拓宽材料选择。

•提出几何调控的光电流对称策略：依托并行结构灵活性，精准平衡正负光电流，无需外场或材料改性，适配多波长组合。

• 实现可重构XOR/TXOR用于二/三进制光加密：基于平衡光电流实现可重构多值逻辑门，提升光通信传输容量与安全性，助力水下加密通信。

四、 总结

通过磁控溅射技术成功制备了全非晶态 p-NiO_X 和 n-GaO_X 薄膜，并构建了平行结构的双极性光电化学探针显微镜（PEC-PDs）。为解决初始光电流失衡问题，采用退火处理提升器件性能，但材料固有局限性仍需更普适的解决方案。利用平行结构的灵活性，我们开发出几何工程策略：通过简单调整面积比即可实现精确的正负光电流平衡，且该方法独立于材料特性与光学条件。此方案使器件能在多波长环境下稳定工作，突破了实际应用的关键技术壁垒。

依托这种动态可调特性，该器件实现了可重构的二进制与三进制逻辑运算。此外，我们基于三进制异或逻辑架构构建了首款水下光学加密系统。相较于二进制系统，该架构实现约 1.58 倍的信息吞吐量提升（log₂3 vs. log₂2）及 89 % 的密钥空间扩展（3⁵ = 243 vs. 2⁷ = 128），理论上显著增强了抵御暴力破解攻击的加密强度。这些成果确立了几何工程双极光探测器作为安全、高吞吐量光通信的通用平台，尤其适用于水下网络等严苛环境。在这些场景中，功耗效率与环境适应性至关重要。

五、 项目支持

作者感谢中国国家自然科学基金（62574029、12304102）、重庆市自然科学基金（CSTB2023NSCQMSX0479）以及重庆市教育委员会科技研究项目（KJQN202400558）的支持。

图1. 并行 PEC-PD 中双极电流平衡与逻辑门加密光通信的概念示意图。(a) 并行p-NiOX-n-GaOX PEC-PD 结构示意图。(b) 254 nm（n-GaO_X 主导）与 365 nm（pNiO_X 主导）照射下的能带图及光电流不对称性。(c) 器件在 254 和 365 nm 照射下呈现正负光电流失衡，且强度比值较大。在其他波长组合下，固定强度比条件下同样存在类似不平衡现象。(d) 通过调节相对光活性区域实现双极光电流平衡的通用几何调谐策略。(e) 基于平行 PEC-PD 中波长复用输入输出极性状态实现的可重构逻辑运算（异或与全异或），可作为安全光通信的加密结构。

图2. p-NiO_X 与 n-GaO_X 光电化学电极的结构与光电化学表征。(a,b) p-NiO_X 与 n-GaO_X 薄膜的顶视场扫描电子显微镜图像。(c) 掠入射 X 射线衍射(GI-XRD)图谱仅显示FTO基板衍射峰，表明两薄膜均为非晶态。(d) 紫外-可见吸收光谱及对应的 Tauc 图 ((αhν)² vs. hν)，用于估算光学带隙。(e,f) Ni 2p 与 Ga 2p 区域的 XPS 光谱，证实存在混合价态 Ni²⁺/Ni³⁺ 及典型 Ga 氧化态。(g,h) 莫特-肖特基图揭示 NiO_X 呈现 p 型导电性，GaO_X 表现为 n 型行为。(i,k) p-NiO_X 与 n-GaO_X 器件光电化学测量装置示意图。(j,l) p-NiO_X 与 n-GaO_X 光电化学探测器在 254 和 365 nm 光照下、不同溅射时长条件下的瞬态光电流 (I-t) 曲线。(m,n) p-NiO_X 与 n-GaO_X 光电倍增二极管在 254 和 365 nm 波长下不同光照强度下的零偏压光电流响应。

图3. PNG 光电化学探测器（PNG PEC-PDs）的制备与光电特性表征。(a,b) PNG PEC-PDs 的制备流程示意图及光电化学测量系统。(c) PNG 器件在 254 nm 和 365 nm 波长下不同光强照射下的光电流响应曲线。(d) 退火 PNG 器件 (A-PNG) 在相同照射条件下的光电流响应。(e,f) 退火对单个 n-GaO_X 和 p-NiO_X 光电化学探测器协同效应及其在 254 和 365 nm 照射下对 PNG 器件整体响应的贡献。(g) p-NiO_X 光电化学探测器退火前后的 Ni 2p XPS 谱。(h) p-NiO_X 光电化学探测器在 254 和 365 nm 照射下 Mott-Schottky 图谱，显示载流子浓度变化。(i) p-NiO_X 光电化学探测器在 254 和 365 nm 照射下光电流响应曲线。(g) 退火前后 p-NiO_X 光电化学探测器 Ni 2p XPS 光谱。(h) 显示退火诱导载流子浓度变化的 p-NiO_X 光电化学探测器莫特-肖特基图。(i) 退火后显示增强光伏电势的 p-NiO_X 光电化学探测器开路电位曲线。(j) 退火前后 p-NiO_X 光电二极管的电化学阻抗谱(EIS)。(k) A-PNG 光电二极管在 254 与 365 nm 交替照射下正负光电流动态切换现象。

图4. A-PNG 光电化学探测器中光电流平衡的几何工程策略。(a) 通过几何工程（GE）匹配激发区域以平衡正负光电流的示意图。(b,c) 单个 n-GaO_X 与 p-NiO_X PEC-PD 的光功率密度-电流密度 (P-J) 关系曲线，J=I/0.28 cm²。(d,e) 不同面积比下，254 nm 与 365 nm 照明条件下的模拟光电流及所需光功率比。(f) 不同面积比下A-PNG光电倍增管在双波长照射下的实验光电流响应。(g,h) n-GaO_X 与 p-NiO_X 光电倍增管在多重正负响应波长下的 P–J 曲线。(i,j) 不同正负波长组合下各面积比对应的计算光电流及最优光功率比。(k) 不同波长组合与面积比下 A-PNG 光电倍增管光电流平衡的实验验证。

图5 基于平衡正负光电流的并行双极性 PEC-PD 实现的逻辑运算与加密光通信。(a) XOR 与 TXOR 加密方案的信息吞吐量及密钥空间对比。(b) 基于并行PEC-PD的波长编码可重构 XOR/TXOR 逻辑门示意图。(c,d) XOR 与 TXOR 操作下，254nm 与 365nm 光照条件对应逻辑状态的光电流响应。(e–g) 基于异或逻辑的二进制光通信加密演示，包含传输明文与密文、同步照射下的输出光电流，以及有/无密钥的解密结果。(h–j) 基于同或逻辑的三进制加密光通信演示，展示传输明文与密文、复合照射下的输出光电流，以及有/无密钥的解密结果。

DOI：

doi.org/10.1002/adma.202516019

本文转发自《亚洲氧化镓联盟》订阅号