中國電子元件行業(yè)協(xié)會
China Electronic Components Association
集成傳感與通信（ISAC）通過利用相同的頻譜和硬件設施，將傳感和通信功能整合在一起，代表了下一代無線通信技術（超越5G和6G）的前沿技術。然而，當前使用射頻（RF）的無線技術受到頻譜稀缺（頻率范圍1：450-6000 MHz；頻率范圍2：24250-52600 MHz）以及低數(shù)據(jù)傳輸速度（約1 Gbps）和有限傳感能力的高功耗的制約?？梢姽猓╒IS）和近紅外（NIR）光譜范圍覆蓋400至800太赫茲（THz），為超高速光無線通信（OWC）提供了巨大帶寬，速度高達100 Gbps。此外，憑借其優(yōu)越的穿透能力，近紅外光已被廣泛用于無創(chuàng)生命體征監(jiān)測、成像以及遠程監(jiān)控。利用近紅外光的這些特性，來實現(xiàn)光學集成傳感與通信（O-ISAC），可以有效解決當前無線網(wǎng)絡的頻譜和數(shù)據(jù)傳輸速度瓶頸，同時提供超越傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡的增強傳感功能。此外，柔性O-ISAC可以無縫貼合皮膚以接收全方位光，從而實現(xiàn)持續(xù)健康監(jiān)測和高速信息傳輸。但是，作為O-ISAC核心組件的傳統(tǒng)無機光電探測器（PD）通常受到機械剛性大、接收面積小、吸收效率弱、帶隙固定等因素的限制，這阻礙了其在柔性O-ISAC中的應用。因此，亟待開發(fā)柔性高性能光電探測器并搭載復雜的器件架構，以滿足柔性O-ISAC應用需求。
近日，為了解決這些問題，南開大學化學學院與中國科學院深圳先進技術研究院組成的科研團隊提出并制造了一種柔性自供能O-ISAC?；诟咝阅芙t外有機光電探測器（OPD）的柔性自供能O-ISAC，可在環(huán)境光、可見光和近紅外光下實現(xiàn)同步、準確的光學傳感和高速光通信。相關研究成果以“High‐Speed Flexible Near‐Infrared Organic Photodetectors for Self‐Powered Optical Integrated Sensing and Communications”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials期刊上。
O-ISAC的原理圖和概念如圖 1a 所示，搭載了用于并行光傳感和通信的柔性有機光電探測器。O-ISAC巧妙地將兩個具有相同光活性層的近紅外有機光電探測器相集成。研究人員通過將窄帶隙BTPSV-4Cl NFA引入到PCE-10:BTPSV-4F中，精細調控膜形態(tài)，有效減少了陷阱態(tài)和能量無序，并顯著提高靈敏度和響應速度。
圖1 O-ISAC概念圖及近紅外有機光電探測器材料的化學結構
為了有效抑制暗電流并增強有機光電探測器的光探測性能，研究人員采用了一種倒置器件架構，如圖2a所示。該有機光電探測器表現(xiàn)出低暗電流密度和高外部量子效率（EQE）。
圖2 近紅外有機光電探測器的結構及光電性能
該近紅外有機光電探測器展示了與硅光電探測器相當?shù)墓怆娞綔y范圍（300至1100 nm），D*超過 Jones，在自供能模式下1050 nm處的-3 dB截止頻率超過1 MHz，1000 nm以上近紅外II區(qū)域溶液處理自供能有機光電探測器中速度最快的。在環(huán)境光（光強度3.17 ）下工作27000個周期后，器件可以保持超過99%的初始光響應。
圖3 近紅外有機光電探測器的響應速度及對光通信的影響
隨后，研究人員制備了柔性近紅外有機光電探測器，該器件具備優(yōu)異的機械穩(wěn)定性。該柔性近紅外有機光電探測器在經過500個周期的機械彎曲后，性能退化微不足道，光響應衰減小于0.1%，相關結果如圖4所示。
圖4 柔性近紅外有機光電探測器的照片及測試結果
最后，研究人員搭建了基于高性能近紅外有機光電探測器的柔性自供能O-ISAC，并將其集成到可穿戴設備中進行了實驗。實驗結果顯示，通過集成規(guī)則和半透明有機光電探測器來制造柔性O-ISAC，在環(huán)境可見光和近紅外照明條件下實現(xiàn)了同時準確監(jiān)測生命體征和高速數(shù)據(jù)傳輸，無需消耗能量。
圖5 柔性自供能O-ISAC的工作原理及實驗結果
研究人員相信，基于高速近紅外有機光電探測器的新型自供能O-ISAC將徹底改變ISAC在下一代無線技術中的應用。特別對于智能醫(yī)療、遠程手術、自動駕駛汽車、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)以及國防安全等領域的可穿戴電子設備來說，將是革命性的進步。
