中科院重庆绿色智能技术研究院&深圳大学Adv. Sci. 基于CdS/石墨烯/Ge三明治结构的全光调制光电探测器用于集成传感计算

背景介绍

光电探测器的发展已经从仅仅关注高性能的视觉检测发展到涵盖多功能的应用。例如，双波段光电探测器通过同时探测两个波长波段来提高识别精度。集成传感计算光电探测器（ISC pd）将视觉感知与预计算处理相结合。后者通常被称为电调制ISC pd，其特点是具有一个门，可以调制光导检测器的通道，从而实现正、负光导（PPC和NPC）。这些特性模拟视网膜神经系统中的兴奋和抑制信号，促进类似大脑的计算。然而，电调制器件往往需要复杂的电路设计和控制逻辑，并且受到低带宽和抗电磁干扰能力差的限制。相比之下，同位调制ISC pd具有明显的优势，包括结构简单、高带宽和优越的抗干扰性。此外，通过消除对电信号的依赖，同位调制ISC pd更适合于神经形态系统的构建。

现有的全光调制ISC器件面临两个主要挑战。一方面，虽然一些研究已经证明可以通过改变不同入射光的波长来实现正负双向全光调制，这种方法使器件摆脱了电信号的限制，更有利于人工视觉系统的发展。由于这一替换过程是间断的，因此与利用单一波长光的连续参数变化的方法相比，无法实现时域同步调制，这显著限制了其应用范围。另一方面，ISC pd的计算规模往往与所使用的计算矩阵的大小密切相关。例如，当使用相同的计算矩阵时，比如3×3矩阵，ISC PD能够维持较大的正负响应范围，从而保持每个矩阵单元填充值之间的较大离散度，减少相应信号的识别误差率，并有效降低最终识别结果中的误判率。如果矩阵采用相同的离散度，而误判率保持不变，则更宽的响应范围允许使用更大的矩阵，以提高识别分辨率并获取更详细的信息。然而，由于材料带对准和界面处理方法等因素，目前大多数研究中可调节的响应度范围相对较窄， 正负响应度范围普遍存在不对称性。 此外，在某些依赖正负对称值进行计算的应用（如运动识别场景）中，PPC和NPC的不对称性将可用范围限制在较小的绝对值上，进一步限制了这些情况下的分辨率。

鉴于这些挑战， 中科院重庆绿色智能技术研究院沈俊团队与深圳大学张豫鹏团队联合开发了一种具有连续可调谐、超宽调制范围、对称PPC和NPC的全光双向调制ISC pd。 该工作基于CdS/石墨烯/Ge三明治层结构实现全光调制ISC pd。两个异质结的制造过程是在无氧环境中进行的。这种方法有效地最小化了氧化层和吸附小分子（如氧气）导致的界面缺陷，从而提高了界面质量。然而，不可避免地，小分子（如水）的吸附最终使石墨烯变为p型。通过简单地改变调制光功率，CdS/石墨烯和石墨烯/Ge异质结通过光门效应调节石墨烯的费米能级，使得器件能够从NPC转变PPC。这一转变促进了光通路内兴奋性和抑制性突触行为的发生。值得注意的是，巧妙的带隙对准和调制功率的选择使得PPC和NPC值呈现对称性。研究团队基于器件的功率诱导光导率转变特性，开发了一种基于暗码的信号加密方法。此外，器件的双向可调光响应和超宽可调范围被用于实现图像感知、识别和处理，展示了其在ISC系统中的应用，如移动物体识别。

图文介绍

设计原理和设备性能：

图1：界面优化的全光调制器件及其PPC和NPC机制和性能。a)三明治结构的异质结无氧制备工艺示意图。b)全光调制探测器结构示意图。c)器件异质结界面的TEM横截面图。d)装置中PPC和NPC的机理。e)在不同调制光功率密度下器件从NPC过渡到PPC。f)器件的光电导响应与调制光功率的关系。g) ISC pd具有响应时间调制能力。

基于逻辑运算的加密通信单光束调制：

图2：单光束调制光用于信号光，实现全光逻辑加密操作。a)对各种功率信号光和调制光进行编码。b) 信号光和调制光组合的预设码本。c)输出加密逻辑信号。d)通过选择450nm和1550nm两个功率电平，可以实现四种类型的逻辑信号输出。

矩阵调制光在传感计算集成系统和运动目标识别中的应用：

图3：使用矩阵调制光的图像感知与处理集成，在全光调制ISC PD中的应用。a)使用字母“UCAS”训练卷积神经网络（CNN），得出预处理调制光功率矩阵，然后将其用于字母识别。b,c) 经过30个训练周期后，展示了在不同高斯噪声方差下的识别准确率和损失函数值。

图4：使用全光调制器的连续帧运动目标识别。a) ISC pd使用任意两个视频帧的逐行扫描作为信号光。b-d)根据器件的响应特性，预先设置两个响应度绝对值相等、符号相反的调制光功率矩阵。e-g)图像由两个输出电流矩阵的结果求和而成，便于物体运动轨迹的识别。

结论与展望

综上所述，我们提出了一种具有CdS/石墨烯/Ge三明治层结构的全光调制探测器。通过用不同波长的入射光调制石墨烯的费米能级，该器件表现出正响应和负响应。最初，与单光束相比，我们采用双光束进行更谨慎的多位数加密通信。随后，我们进一步将单光束调制光升级为通过CNN训练的5 × 5调制光功率矩阵，从而实现ISC识别光路中的兴奋性和抑制性突触行为。此外，我们充分利用了PPC和NPC的高度对称性，利用对消矩阵作为调制光功率矩阵实现了对运动物体的识别，从而验证了在器件级集成传感计算的可行性，拓宽了ISC pd的应用范围。本研究证明的超宽可调响应范围为改善矩阵网络性能提供了更大的可选阈值。这大大扩展了神经形态硬件的处理和计算能力，同时通过合理增加阈值间距提高了计算稳定性，从而为ISC pd提供了新的发展前景。

文献信息

Q. Yang, J. Hu, H. Li, Q. Du, S. Feng, D. Yang, Y. Zhang, J. Shen, All-Optical Modulation Photodetectors Based on the CdS/Graphene/Ge Sandwich Structures for Integrated Sensing-Computing. Adv. Sci. 2025, 2413662.

文献链接： https://doi.org/10.1002/advs.202413662

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