CN117460269A

CN117460269A - 一种双极性光电探测器及光加密通信系统、方法

Info

Publication number: CN117460269A
Application number: CN202311792932.XA
Authority: CN
Inventors: 曹国洋; 陈一净; 张成壮; 郝翊宁; 杨阵海; 吴绍龙; 李孝峰
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2023-12-25
Filing date: 2023-12-25
Publication date: 2024-01-26
Anticipated expiration: 2043-12-25
Also published as: CN117460269B

Abstract

本发明公开了一种双极性光电探测器及光加密通信系统、方法，涉及光电探测领域，双极性光电探测器包括第一导电层，其厚度为15~25nm；光敏层，其厚度为150~250nm，所述光敏层包覆于所述第一导电层的外部；第二导电层，其设置于所述光敏层的表面；以及，衬底，所述第一导电层、光敏层以及第二导电层依次堆叠在所述衬底上。该光电探测器可以分别在短波带和长波带激发极性相反的响应电流，并且能实现较宽范围的响应、极快的响应速度，可以根据实际需求选择特殊波段探测，探测能力大幅度提升。另外，光加密通信方法基于所述双极性光电探测器，该方法无需外加偏压工作，器件损耗低，且器件独特的双极性使得整个加密方式清晰简单，易于操作，减少了消息泄露的潜在问题。

Description

一种双极性光电探测器及光加密通信系统、方法

技术领域

本发明涉及光电探测技术领域，特别是一种双极性光电探测器及光加密通信系统、方法。

背景技术

波长选择光电探测器是一种对特定波长或特定波段窗口内的光具有响应能力的器件，在图像传感、光通信和环境监测等领域有着广泛的应用。目前，关于波长选择光电探测器获得的信号电流几乎都是单极性的，即光电流正负性唯一。由于波分复用系统在接收信号时常受到噪声干扰的影响，从而造成信号的失真，在实际应用时，光电探测器常需要安装光学滤波器来实现数据的区分，这大大限制了器件的集成性。

双极性响应的光电器件除了较宽的响应频谱，它的光电流可以在外界刺激下实现正/负的切换。与传统光电探测器相比，双极性光电探测器不仅具有更宽的响应范围，而且还可以在单个器件中进行光谱选择性光电探测，且无需特定的带通滤波器，这大大降低了光电探测器的成本，也提供了器件向集成化方向发展的方向。

然而，目前双极性光电探测器存在结构复杂，制备不易的问题，不利于大规模集成化，难以满足当前对光电器件高集成化的要求；另一方面，其性能（如：响应度、响应时间）表现不高，不利于微弱信号的快速探测，难以满足实际应用的要求。

发明内容

鉴于现有技术中存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明第一个目的是提供一种双极性光电探测器，其能够解决目前双极性光电探测器面临的结构复杂、响应性能不高等问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种双极性光电探测器，其包括，第一导电层，其厚度为15~25nm；光敏层，其厚度为150~250nm，所述光敏层包覆于所述第一导电层的外部；第二导电层，其设置于所述光敏层的表面；以及，衬底，所述第一导电层、光敏层以及第二导电层依次堆叠在所述衬底上。

作为本发明所述双极性光电探测器的一种优选方案，其中：所述第一导电层为金属纳米带阵列，其材料为银，所述第一导电层中单个金属纳米带的截面为矩形，厚度为20nm，宽度为400nm，周期为700 nm。

作为本发明所述双极性光电探测器的一种优选方案，其中：所述光敏层的材料为钙钛矿，其厚度为200nm。

作为本发明所述双极性光电探测器的一种优选方案，其中：所述第二导电层为透明导电氧化物，其材料为ITO，厚度为50nm。

作为本发明所述双极性光电探测器的一种优选方案，其中：在所述第一导电层的一端还设置有纳米导线，其宽度为30~70nm，所述纳米导线与所述第二导电层电性连接，在所述纳米导线与所述第二导电层之间还连接有负载。

本发明的第二个目的是提供一种光加密通信系统，其能够解决单个器件中的光加密通信的空间与功能集成度不高的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种光加密通信系统包括所述双极性光电探测器，还包括线偏振光光源，发送指定波长的线偏振光至所述双极性光电探测器，所述线偏振光光源设置有两个，分别发射指定的不同波长的线偏振光；编码器，对信息进行编码，其与所述线偏振光光源相连，所述编码器将信息编码后调制到所述线偏振光光源的驱动电流上；所述线偏振光光源根据所述驱动电流向所述双极性光电探测器发送相应波长的线偏振光，所述双极性光电探测器根据所述线偏振光光源发送的信号完成加密通信。

本发明的第三个目的是提供一种光加密通信方法，其能够解决单个器件中的光加密通信的空间与功能集成度不高的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种光加密通信方法，该方法基于光加密通信系统，包括，测定所述双极性光电探测器在TM偏振光入射下的波长－电流响应频谱；通过编码器对传输的信息和密钥进行编码，并加载到线偏振光光源上；根据所述波长－电流响应频谱设定线偏振光光源的波长并入射到所述双极性光电探测器上。

作为本发明所述光加密通信方法的一种优选方案，其中：根据所述波长－电流响应频谱得到正/负响应电流对应的波长范围，选定任一正响应电流处的波长λ₁，对应的电流为I₁，任一负响应电流处的波长λ₂，对应的电流为I₂。

作为本发明所述光加密通信方法的一种优选方案，其中：所述编码器采用ASCII码编码，传输的信息只有“0”和“1”两种状态，其中，“0”代表光源关闭，“1”代表光源开启。

作为本发明所述光加密通信方法的一种优选方案，其中：将两个所述线偏振光光源的波长分别设定为λ₁和λ₂，并分别携带主要信息和密钥信息。两个所述线偏振光光源以相同功率的TM偏振光垂直入射到所述双极性光电探测器上，所述双极性光电探测器得到一个混合电信号。根据器件特有的双极性，只要通过混合电信号减去已知密钥的电信号，即可还原出主要信息的电信号，从而实现一个简单的信息光加密通信。

本发明有益效果为：本发明提供了一种双极性光电探测器，实现在TM偏振光入射下，器件在零偏压时，可以分别在短波带和长波带激发极性相反的响应电流，并且能实现较宽范围的响应、极快的响应速度，可以根据实际需求选择特殊波段探测，探测能力大幅度提升。此外，本发明提供了一种基于双极性探测器的光加密通信方法，该方法无需外加偏压工作，器件损耗低，且器件独特的双极性使得整个加密方式清晰简单，易于操作，减少了消息泄露的潜在问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为双极性光电探测器的局部结构示意图。

图2为双极性光电探测器结构及负载的连接示意图。

图3为双极性光电探测器两种结构剖面示意图。

图4为不同厚度下的光敏层光学吸收率关系图。

图5为光敏层厚度为200nm时在210nm的入射波长下的光场分布示意图。

图6为光敏层厚度为200nm时在700nm的入射波长下的光场分布示意图。

图7为光敏层厚度为200nm时在720nm的入射波长下的光场分布示意图。

图8为第一导电层厚度为20nm时在660nm的入射波长下的光场分布示意图。

图9为第一导电层厚度为20nm时在680nm的入射波长下的光场分布示意图。

图10为第一导电层厚度为20nm时在690nm的入射波长下的光场分布示意图。

图11为第一导电层厚度为20nm时在700nm的入射波长下的光场分布示意图。

图12为第一导电层厚度为20nm时在710nm的入射波长下的光场分布示意图。

图13为第一导电层厚度为50nm时在630nm入射波长下的光场分布示意图。

图14为第一导电层厚度为50nm时在650nm入射波长下的光场分布示意图。

图15为第一导电层厚度为50nm时在670nm入射波长下的光场分布示意图。

图16为第一导电层厚度为50nm时在690nm入射波长下的光场分布示意图。

图17为第一导电层厚度为50nm时在710nm入射波长下的光场分布示意图。

图18为双极性光电探测器的响应电流与入射波长的关系图。

图19为在302 nm入射下的双极性光电探测器的响应时间仿真图。

图20为在706 nm入射下的双极性光电探测器的响应时间仿真图。

图21为在302 nm 和706 nm入射下时双极性光电探测器的响应电流与入射角的关系图。

图22为基于双极性光电探测器的光加密通信的示意图。

图23为基于双极性光电探测器的光加密方法的传输信息例图。

图24为基于双极性光电探测器的光加密方法的传输信息例及对应的输出电流响应仿真图。

图中：100、第一导电层；101、纳米导线；200、光敏层；300、第二导电层；400、衬底；500、线偏振光光源；501、一号线偏振光光源；502、二号线偏振光光源；600、编码器。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作详细地说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独地或选择性地与其他实施例互相排斥的实施例。

实施例1

参照图1～图21，为本发明第一个实施例，该实施例提供了一种光电探测器，光电探测器主要由衬底400、第一导电层100、光敏层200以及第二导电层300依次堆叠而成。

具体的，衬底400可以由二氧化硅形成，作为器件的基底。

参照图1，第一导电层100为金属银纳米带阵列，图1中呈现是金属银纳米带阵列中的单个金属银纳米带，单个金属银纳米带的截面为矩形，其厚度为15~25nm，宽度为400nm，周期为700 nm。第一导电层100其中一个作用是作为器件的一个电极。

参照图2，在第一导电层100中单个金属银纳米带的端部还设置有一个宽度为d1=30~70nm的纳米导线101，纳米导线101作为第一导电层100与其他元件电性连接的连接柱。与此同时，多个金属银纳米带通过纳米导线101并联成金属银纳米带阵列，在纳米导线101与光敏层200的d2宽度处之间还连接有电流表或负载，其中d1=d2。

光敏层200的材料为钙钛矿MASnI₃，其厚度为150~250nm。第一导电层100堆叠在衬底400的上表面，而光敏层200又堆叠在第一导电层100的上表面。

第二导电层300，第二导电层300为透明导电氧化物，其材料为ITO，厚度为50nm。第二导电层300的作用是作为器件的另一个电极。

优选的，第一导电层100厚度为20nm，光敏层200的厚度为200nm，且光敏层200堆叠在第一导电层100上方的同时将第一导电层100包覆。

对于上述优选项目的确定，首先需要满足器件的双极性要求。

因此，为了实现光电探测器的双极性，需要在短波长下光吸收在钙钛矿层的上面，长波长下光吸收在钙钛矿层的下面。器件初步设计为如图3中的（a）所示的结构。

首先对于光敏层200，也即钙钛矿厚度的选择，先是对比不同厚度（h_MASnI₃）下钙钛矿的光学吸收率情况。如图4，可以看出在同一入射波长下，钙钛矿厚度在150~250nm时的光学吸收率较高。此时初步选择钙钛矿的厚度为200nm，并继续分析钙钛矿厚度为200nm下的光场分布。如图5～图7，分别选取入射波长为200nm、700nm以及720nm下的200nm厚的钙钛矿光场分布。可以看出在短波长200nm下光场集中在上表面，在长波长700nm以及720nm下光场集中在下表面，符合预期，继续保持钙钛矿的厚度为200nm。

在上述光场符合预期后，在进行电学计算时，发现按照图3中的（a）所示的器件结构电流并没有在整个响应波长内出现正/负的电流分布。因此，将器件的结构优化为如图3中的（b）所示的结构，即钙钛矿将银纳米带包覆，并将银纳米带的宽度改为器件周期的一半，即350nm。此时可以利用局域表面等离子共振效应，使得长波长处的光更好地局域到光敏层200也即钙钛矿层的下部。

然后继续确定第一导电层100也即银纳米带的厚度。以5nm为增量，依次计算银纳米带的厚度从10nm变化到100nm的光场分布。经过观察大量实验数据后发现，银纳米带的厚度为10~20nm这个区间的所有光场分布是相似的，在厚度为25~100nm这个区间的所有光场分布也是相似的。所以分别选取厚度为20nm和厚度为50nm时的光场分布进行比较。

如图8～图12所示，为第一导电层100的厚度为20nm(即d_Ag = 20 nm)时，器件分别在入射波长为660nm、680nm、690nm、700nm、710nm下的光场分布图。

如图13～图17所示，为第一导电层100的厚度为50nm(即d_Ag = 50 nm)时，器件分别在入射波长为630nm、650nm、670nm、690nm、710nm下的光场分布图.

由上对比可以发现，当第一导电层100的厚度为20nm时，长波长能很好的将光局域在光敏层200的下表面，而且电场强度较厚度为50nm而言也强很多。基于现有工艺水平和集成度的要求确定第一导电层100的厚度为20nm。

经上述试验后第一导电层100的厚度初步确定为20nm，光敏层200的厚度初步确定为200nm。

器件制备完成后，以不同波长的TM偏振光入射可以得到器件的响应电流与入射波长的关系，如图18所示。由图18可以看出，器件可以在较宽的频谱范围内实现双极性响应：在210~664nm波段，响应电流保持为正，正电流在520nm处达到峰值后缓慢减小；当入射波长大于665nm时，电流极性变为负值，且随着波长的增大，电流值也逐渐增强。由于工作在零偏压下，器件的暗电流极小，与响应电流相比可忽略不计。

基于图18，进一步优化第一导电层100的尺寸，选取正负电流值一样，极性相反的两处波长，即302nm和706nm处，分别计算这两个波长下不同尺寸的第一导电层100下的电流情况，具体电流如下表所示：

表1：入射波长为302nm时，不同银纳米带尺寸下的电流情况。

续表一：

续表二：

续表三：

表2：入射波长为706nm时，不同银纳米带尺寸下的电流情况。

续表一：

续表二：

续表三：

结合表1和表2可以看出，随着第一导电层100即银纳米带的厚度/宽度的增加，正电流总体趋势是在增加的，但是负电流总体趋势是在降低的。考虑到器件在其正/负电流值一个很大，一个很小的情况下，易被噪声影响，不利于后续光通信应用。因此，需找到一个合适的尺寸，使得正/负电流值差异尽可能小，同时，其电流绝对值又尽可能大。由此，参数设置为第一导电层100，也即银纳米带的厚度为20nm，宽度为400nm。

在器件制备完成后，以TM偏振光入射器件，并比较器件在波长分别为302nm和706nm下的响应时间，结果如图19和图20所示。由图可以看出，器件的响应时间为纳秒量级，具有极快的响应速度，为实际通信应用提供了有力保障。

实施例的入射角度和偏振角度是针对器件的响应情况进行特殊设定的，是经过大量努力尝试获得的。图21呈现了器件在波长分别为302nm和706nm下，响应电流随入射角的变化情况。由图可以看出，器件在0°~ 80°的入射角范围内可以保持稳定的电流双极性。不同偏振角下，该器件正/负最大响应电流值与电流极性切换波段的比较具体如下表：

表3：在不同偏振角下，器件正/负最大响应电流值与电流极性切换波段的比较：

由表3可以看出，器件可以在任何偏振状态下，甚至在自然光下，都可以实现双极性响应。但不同的偏振角度会影响器件的响应电流大小，从而影响其性能。对于正响应电流，均在520 nm波长处达到最大值，并且电流值几乎相同，差异不大；对于负响应电流，当偏振角从0°增加到90°时，最大负电流值增大，且差异明显，90°偏振角下的最大负电流值几乎为0°偏振角的2倍。并且，响应电流的极性开关点波长变短，即器件的负响应区间范围增加，器件的双极性响应效果更为明显。因此，器件选用TM波入射能使器件呈现更好的双极性能力。

实施例2

参照图18和图22～图24，为本发明第二个实施例，该实施例基于上一个实施例，提供一种光加密通信系统及方法，该系统及方法基于实施例1中的双极性光电传感器，还包括线偏振光光源500和编码器600。

具体的，参照图22，线偏振光光源500，发送指定波长的TM偏振光至双极性光电探测器，线偏振光光源500设置有两个，包括一号线偏振光光源501和二号线偏振光光源502，分别发射指定的不同波长的线偏振光，即一号线偏振光光源501发射的线偏振光波长为λ₁，二号线偏振光光源502发射的线偏振光波长为λ₂；

编码器600，对信息进行编码，其与线偏振光光源500相连，编码器600将信息编码后调制到线偏振光光源500的驱动电流上，使线偏振光光源500以极高的频率闪烁。分别携带主要信息和密钥信息的两个线偏振光光源500根据驱动电流向双极性光电探测器发送相应波长的偏振光，上述的双极性光电探测器检测到这种高频闪烁携带的通信信息，获得相应的混合电流信号后，根据已知的密钥信号即可反解出主要信息，从而完成一个简单的加密通信。

上述光加密系统采用的加密方法具体为：

S1：测定双极性光电探测器在TM偏振光入射下的波长－电流响应频谱。

具体的，参照图18，测定双极性光电探测器在TM偏振光入射下的波长－电流响应光谱，得到正/负响应电流所对应的波长范围。选定任一正响应电流处波长为λ₁，记录其电流为I₁；选定任一负响应电流处的波长为λ₂，记录其电流为I₂。

S2：通过编码器600对传输的信息和密钥进行编码，并加载到线偏振光光源500上。

具体的，参照图23，将包含需要传输的主要信息和密钥信息通过编码器600用ASCII码编码，并分别加载到线偏振光光源500上。其中，一号线偏振光光源501发射波长为λ₁的线偏振光，携带主要信息，二号线偏振光光源502发射波长为λ₂的线偏振光，携带密钥信号。传输的信息只有“0”和“1”两种状态，其中，“0”代表关闭光源，“1”代表开启光源。经过编码的光波就可生成不同组合的编码，通过调制线偏振光光源的开/关（闪烁频率）即可传递复杂的信息。

S3：根据所述波长－电流响应频谱设定线偏振光光源500的波长并入射到所述双极性光电探测器上。

具体的，参照图24，上述一号线偏振光光源501和二号线偏振光光源502的波长分别设置为λ₁和λ₂，并以相同功率的TM偏振光垂直入射到双极性光电探测器上。在接收端，器件将检测到一个响应电流，即为一号线偏振光光源501和二号线偏振光光源502发射的光产生的混合电信号。根据器件特有的双极性，只要通过混合电信号减去已知密钥的电信号，即可还原出主要信息的电信号，从而实现一个信息光加密通信。

该方法通过调控光的波长实现双极性的电流响应，进而选择指定波长传递信息与密钥，根据输出电流情况再反解出信息，从而实现基于单个器件的简易光加密方案，大幅提升了在单个器件中的光加密通信的空间与功能集成度，降低了器件的复杂性。其次，所提出的双极性探测器具有结构简单、易制备、较高响应度、极短的响应时间、自驱动、低损耗等优点，为高性能光通信提供有力保障。此外，本发明所提供的基于双极性探测器的光加密方案无需外加偏压工作，器件损耗低，整个加密方式清晰简单，易于操作，减少了消息泄露的潜在问题。最后，本发明所提及的加密方案仅需在近紫外－可见光下工作，携带信息的光波能很好地在自然光的掩盖下传输，极大地增强了通信的安全性。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种双极性光电探测器，其特征在于：包括，

第一导电层（100），其厚度为15~25nm；

光敏层（200），其厚度为150~250nm，所述光敏层（200）包覆于所述第一导电层（100）的外部；

第二导电层（300），其设置于所述光敏层（200）的表面；以及，

衬底（400），所述第一导电层（100）、光敏层（200）以及第二导电层（300）依次堆叠在所述衬底（400）上。

2.如权利要求1所述的双极性光电探测器，其特征在于：所述第一导电层（100）为金属纳米带阵列，其材料为银，所述第一导电层（100）中单个金属纳米带的截面为矩形，厚度为20nm，宽度为400nm，周期为700 nm。

3.如权利要求1或2所述的双极性光电探测器，其特征在于：所述光敏层（200）的材料为钙钛矿，其厚度为200nm。

4.如权利要求3所述的双极性光电探测器，其特征在于：所述第二导电层（300）为透明导电氧化物，其材料为ITO，厚度为50nm。

5.如权利要求4所述的双极性光电探测器，其特征在于：在所述第一导电层（100）的一端还设置有纳米导线（101），其宽度为30~70nm，所述纳米导线（101）与所述第二导电层（300）电性连接，在所述纳米导线（101）与所述第二导电层（300）之间还连接有负载。

6.一种光加密通信系统，其特征在于：所述光加密通信系统包括如权利要求1~5任一所述的双极性光电探测器，还包括，

线偏振光光源（500），发送指定波长的线偏振光至所述双极性光电探测器，所述线偏振光光源（500）设置有两个；

编码器（600），对信息进行编码，其与所述线偏振光光源（500）相连，所述编码器（600）将信息编码后调制到所述线偏振光光源（500）的驱动电流上；

所述线偏振光光源（500）根据所述驱动电流向所述双极性光电探测器发送相应波长的偏振光，所述双极性光电探测器根据所述线偏振光光源（500）发送的信号完成加密通信。

7.一种光加密通信方法，其特征在于：所述光加密通信方法基于权利要求6所述的光加密通信系统，包括，

测定所述双极性光电探测器在TM偏振光入射下的波长－电流响应频谱；

通过编码器（600）对传输的信息和密钥进行编码，并加载到线偏振光光源（500）上；

根据所述波长－电流响应频谱设定线偏振光光源（500）的波长并入射到所述双极性光电探测器上。

8.如权利要求7所述的光加密通信方法，其特征在于：根据所述波长－电流响应频谱得到正/负响应电流对应的波长范围，选定任一的正响应电流处的波长λ₁，对应的电流为I₁，任一负响应电流处的波长λ₂，对应的电流为I₂。

9.如权利要求8所述的光加密通信方法，其特征在于：所述编码器（600）采用ASCII码编码，传输的信息只有“0”和“1”两种状态，其中，“0”代表光源关闭，“1”代表光源开启。

10.如权利要求9所述的光加密通信方法，其特征在于：将两个所述线偏振光光源（500）的波长分别设定为λ₁和λ₂，并以相同功率的TM偏振光垂直入射到所述双极性光电探测器上，所述双极性光电探测器得到混合电信号。