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）和近红外（NIR）光谱范围覆盖400至800太赫兹（THz），为超高速光无线通信（OWC）提供了巨大带宽，速度高达100 Gbps。此外，凭借其优越的穿透能力，近红外光已被广泛用于无创生命体征监测、成像以及远程监控。利用近红外光的这些特性，来实现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，从而实现持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）通常受到机械刚性大、接收面积小、吸收效率弱、带隙固定等因素的限制，这阻碍了其在柔性O-ISAC中的应用。因此，亟待开发柔性高性能光电探测器并搭载复杂的器件架构，以满足柔性O-ISAC应用需求。
据麦姆斯咨询报道，近日，为了解决这些问题，南开大学化学学院与中国科学院深圳先进技术研究院组成的科研团队提出并制造了一种柔性自供能O-ISAC。基于高性能近红外有机光电探测器（OPD）的柔性自供能O-ISAC，可在环境光、可见光和近红外光下实现同步、准确的光学传感和高速光通信。相关研究成果以“High‐Speed Flexible Near‐Infrared Organic Photodetectors for Self‐Powered Optical Integrated Sensing and Communications”为题发表在Advanced Functional Materials期刊上。
O-ISAC的原理图和概念如图 1a 所示，搭载了用于并行光传感和通信的柔性有机光电探测器。O-ISAC巧妙地将两个具有相同光活性层的近红外有机光电探测器相集成。研究人员通过将窄带隙BTPSV-4Cl NFA引入到PCE-10:BTPSV-4F中，精细调控膜形态，有效减少了陷阱态和能量无序，并显著提高灵敏度和响应速度。
图1 O-ISAC概念图及近红外有机光电探测器材料的化学结构
为了有效抑制暗电流并增强有机光电探测器的光探测性能，研究人员采用了一种倒置器件架构，如图2a所示。该有机光电探测器表现出低暗电流密度和高外部量子效率（EQE）。
图2 近红外有机光电探测器的结构及光电性能
该近红外有机光电探测器展示了与硅光电探测器相当的光电探测范围（300至1100 nm），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，1000 nm以上近红外II区域溶液处理自供能有机光电探测器中速度最快的。在环境光（光强度3.17 ）下工作27000个周期后，器件可以保持超过99%的初始光响应。
图3 近红外有机光电探测器的响应速度及对光通信的影响
随后，研究人员制备了柔性近红外有机光电探测器，该器件具备优异的机械稳定性。该柔性近红外有机光电探测器在经过500个周期的机械弯曲后，性能退化微不足道，光响应衰减小于0.1%，相关结果如图4所示。
图4 柔性近红外有机光电探测器的照片及测试结果
最后，研究人员搭建了基于高性能近红外有机光电探测器的柔性自供能O-ISAC，并将其集成到可穿戴设备中进行了实验。实验结果显示，通过集成规则和半透明有机光电探测器来制造柔性O-ISAC，在环境可见光和近红外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。
图5 柔性自供能O-ISAC的工作原理及实验结果
研究人员相信，基于高速近红外有机光电探测器的新型自供能O-ISAC将彻底改变ISAC在下一代无线技术中的应用。特别对于智能医疗、远程手术、自动驾驶汽车、工业物联网以及国防安全等领域的可穿戴电子设备来说，将是革命性的进步。
https://doi.org/10.1002/adfm.202412813
