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，被認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)暴露在遠距離、自由空間中，導致傳統(tǒng)空間光通信存在信息被篡改或竊聽的安全風險。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大容量、高速率的技術(shù)需求。

針對空間光通信安全性問題，北京郵電大學郭霞教授、中國人民大學陳珊珊教授和中國電子科技集團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)雙極性光電探測器。發(fā)現(xiàn)石墨烯/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中界面誘導效應(yīng)，使其對紫外和紅光展現(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，只有當兩束光同時入射至探測器上，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)探測器的雙極性響應(yīng)機理。傳統(tǒng)雙波段探測器通常利用兩種材料的帶隙差異表現(xiàn)出對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，本工作的雙波段響應(yīng)機理與傳統(tǒng)器件有所不同。研究人員提出界面誘導光響應(yīng)機制，GaN吸收紫外光產(chǎn)生的光生電子被界面電場注入至石墨烯導致其費米能級上升至靠近狄拉克點，形成負極性光電流；界面態(tài)在紅光激勵下被電子填充，誘導熱空穴注入石墨烯使其費米能級下降至遠離狄拉克點，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)都來源于界面對石墨烯費米能級和輸運性質(zhì)的調(diào)控，二者具有對稱的物理機制，互為逆過程。得益于石墨烯平坦的表面和超高的面內(nèi)電導率，探測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)機理利用開爾文探針力顯微鏡得到了證實，為雙極性光電探測器的研制提供了新的設(shè)計思路。

圖2：探測器響應(yīng)機理。(a) 表面勢在不同光照條件下的二維掃描圖。（b）表面勢在不同光照下隨位置的變化。（c）紫外光照下的能帶圖。(d) 紫外和紅光照射時的能帶圖。

基于紫外和紅光響應(yīng)機理的內(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，信號為“10”，只有負極性響應(yīng)，光電流最?。蛔贤?、紅光同時打開，信號為“11”時，正負極性響應(yīng)相互抵消，但器件電流仍低于暗電流水平；紫外、紅光同時關(guān)閉，信號為“00”時，電流處于暗電流水平；紫外關(guān)閉、紅光打開，信號為“01”時，只有正極性響應(yīng)，光電流最大。這一特性是實現(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研發(fā)計劃項目，國家自然基金和中國人民大學中央高校基本科研基金的資助與支持。

（來源：中國人民大學物理學系）