来源：PDs新视野

【背景】

集成传感与通信（ISAC）通过利用相同的频谱和硬件设施，将传感和通信功能整合在一起，代表了下一代无线通信技术（超越5G和6G）的前沿技术。然而，当前使用射频（RF）的无线技术受到频谱稀缺（频率范围1：450-6000 MHz；频率范围2：24250-52600 MHz）以及低数据传输速度（约1 Gbps）和有限传感能力的高功耗的制约。

可见光（vis）近红外（NIR）光谱范围从400到800太赫兹（THz），为超高速光无线通信（OWC）提供了巨大的带宽，速度高达100 Gbps。此外，由于其优越的穿透能力，NIR光已被广泛用于无创生命体征监测、成像和远程监控。通过利用这些特性，通过光实现传感和通信功能的光学集成传感与通信（O-ISAC），可以有效解决当前无线网络的频谱和数据传输速度瓶颈，同时提供超越传统无线网络的增强传感功能。此外，柔性O-ISAC可以无缝贴合皮肤以接收全方位光，从而实现连续健康监测和高速信息传输。但是，作为O-ISAC核心组件的传统无机光电探测器（PD）通常受到机械刚性、小面积、弱吸收效率和固定带隙的限制，这阻碍了它们在柔性O-ISAC中的应用。

为了解决这些问题，南开大学化学学院李光辉团队提出了一种柔性自供能光学ISAC（O-ISAC），相关成果以“High‐Speed Flexible Near‐Infrared Organic Photodetectors for Self‐Powered Optical Integrated Sensing and Communications”为题发表在期刊Advanced Functional Materials上。

【研究内容】

提出的高性能NIR OPD的柔性自供能O-ISAC，在环境可见光和NIR光下同时实现光学传感和通信。研究人员引入窄带隙BTPSV-4Cl NFA到PCE-10:BTPSV-4F系统中，精细调控膜形态，有效减少陷阱态和能量无序，并显著提高灵敏度和响应速度。所得到的NIR OPD展示了与硅光电探测器相当的从300到1100 nm的宽波段光电检测范围，D*超过 Jones，在自供能模式下1050 nm处的-3 dB截止频率超过1 MHz，是1000 nm以上近红外II区域溶液处理自供能OPD中速度最快的。在环境光（光强度3.17 ）下工作27,000个周期后，器件可以保持超过99%的初始光响应。更重要的是，柔性NIR OPD在经过500个周期的机械弯曲后，性能退化微不足道（<0.1%）。基于NIR OPD的卓越性能，通过集成规则和半透明OPD制造的柔性O-ISAC，在环境可见光和NIR照明条件下实现了同时准确监测生命体征和高速数据传输，无需消耗能量。研究人员相信，基于高速NIR OPD的新型自供能O-ISAC将彻底改变下一代无线技术中的ISAC应用，特别是在智能医疗、远程手术、自动驾驶汽车、工业物联网和国防安全领域。

【文献插图】

图1 . a )基于近红外OPDs的O - ISAC的概念和器件布局。

b ) PCE - 10、BTPSV - 4F和BTPSV - 4Cl的化学结构。

c ) PCE - 10、BTPSV - 4F和BTPSV - 4Cl的归一化薄膜吸收谱。

d ) Hb和HbO2在400到1000 nm范围内的吸收谱。

e )大气窗口从700到1200 nm。

图2 . a )近红外OPD的器件结构；

b )三元近红外OPD在黑暗条件下的J - V曲线。

三元NIR OPD在自供电模式下的响应度c )和比探测率d )。

e )三元NIR OPD在自供电模式下850 nm LED照射下的线性动态范围。

f )三元NIR OPD在频率为1 Hz的环境光调制下的I - T曲线。

g )透射模式下的PPG测量示意图。

h )使用三元NIR OPD在环境光照射下测量脉冲信号，OPD的有效尺寸为2.0 × 2.0 mm2，标尺为1 cm。

i )从图2h中获得单个脉冲信号的详细信息。

图3 . a )三元NIR OPD在调制频率为20 kHz的950 nm光照射下的光响应和恢复时间。

b )三元NIR OPD在950和1050 nm光照射下的- 3 dB截止频率。

c )三元NIR OPD的- 3 dB截止频率的总结。

d )光无线通信的结构。

e )信号由' OPD '的ASCII码组成，在950 nm光照射下由三元NIR OPD接收。

f )信号由' NKU '的ASCII码组成，在1050 nm光照射下由三元NIR OPD接收。

图4 . a )基于近红外OPDs的O - ISAC光学图像；

b ) OPDs的详细布局；

c )半透明Sen - OPD和超薄Ag / Mo Ox薄膜的透射率；

d ) Com - OPD和Sen - OPD在黑暗条件下的J - V曲线；

e ) Com - OPD和Sen - OPD在自供电模式下的响应度；

f ) Com - OPD在调制频率为20 k Hz的950 nm照射下的光响应和恢复时间。

图5 . a )柔性O - ISAC同时测量PPG和OWC的工作原理；

b，c )半透明Sen - OPD在环境光和近红外光下弯曲和无弯曲时获得的脉冲信号；

d )通过FFT计算呼吸率( RR )和心率( HR )；

e )在950 nm光下通过无线光通信输出HR和RR结果信号；

f )柔性O - ISAC系统的应用实例。、

文献链接： https://doi.org/ 10.1002/adfm.202412813