Licht aangedreven kunstmatige neuronen bootsen hersenachtige oscillaties na

International Iberian Nanotechnology Laboratory (INL) onderzoekers hebben een neuromorf fotonisch halfgeleider-neuron ontwikkeld die in staat is om optische informatie te verwerken door zelfvoorzienende oscillaties. Onderzoek naar het gebruik van licht om negatieve differentiële weerstand (NDR) te regelen in een micropillaire kwantumresonant tunneling diode (RTD), geeft het onderzoek aan dat deze benadering zou kunnen leiden tot zeer efficiënte door licht aangedreven neuromorfe computersystemen.

Neuromorf computing beoogt de informatieverwerkingsmogelijkheden van biologische neurale netwerken te repliceren. Neuronen in biologische systemen vertrouwen op ritmisch burst -schieten voor sensorische codering, patroonherkenning en netwerksynchronisatie, functies die afhankelijk zijn van oscillerende activiteit voor signaaloverdracht en -verwerking.

Bestaande neuromorfe benaderingen repliceren deze processen met behulp van elektrische, mechanische of thermische stimuli, maar optische gebaseerde systemen bieden voordelen in snelheid, energie-efficiëntie en miniaturisatie. Hoewel eerder onderzoek fotonische synapsen en kunstmatige afferente zenuwen heeft aangetoond, vereisen deze implementaties extra circuits die het stroomverbruik en complexiteit vergroten.

Hoewel eerdere neuromorfe fotonische neuronen zijn aangetoond, integreert deze studie op unieke wijze zowel sensorische ontvangst als oscillerend gedrag binnen een enkele III-V halfgeleiderapparaat met behulp van door licht geïnduceerde NDR, waardoor de behoefte aan externe componenten wordt geëlimineerd.

In de studie, “door licht geïnduceerde negatieve differentiële resistentie en neurale oscillaties in neuromorfe fotonische halfgeleider micropillaire sensorische neuronen,” gepubliceerd in Wetenschappelijke rapportenonderzoekers ontwikkelden en testten micropillaire RTD-fotodetectoren om hun vermogen om te functioneren als kunstmatige oscillerende neuronen geactiveerd door bijna-infrarood licht te onderzoeken.

Onderzoekers ontwierpen en gefabriceerd N-type galliumarsenide-micropillaire RTD-fotodetectoren met diameters variërend van 6 tot 10 micrometer. Deze apparaten hebben een dubbele barrière kwantumputlagen, die kwantumresonerende tunneling vergemakkelijken, een onderscheidende elektrische respons produceren waarbij, naarmate de spanning toeneemt, de stroom eerst stijgt, vervolgens daalt en vervolgens weer stijgt. Dit NDR-gedrag komt naar voren wanneer het apparaat wordt blootgesteld aan bijna-infrarood licht.

Testen omvatte het karakteriseren van de huidige spanningsrespons van de apparaten onder zowel donkere als verlichte omstandigheden. Bijna-infrarood licht bij 830 nanometer werd geleverd via een laserdiode en de elektrische uitgang werd gemeten om de omstandigheden te bepalen waaronder oscillaties plaatsvonden. Onderzoekers testten ook puls-gemoduleerde lichtinvoer om te onderzoeken hoe verschillende verlichtingsintensiteiten de exciterende en remmende reacties beïnvloedden.

Onder donkere omstandigheden vertoonden de micropillaire RTD-apparaten alleen positieve differentiële weerstand zonder zelfvoorzienende oscillaties. Bij blootstelling aan gecontroleerde niveaus van bijna-infrarood licht, ontstond een door licht geïnduceerd NDR-gebied, wat leidde tot het genereren van zelfvoorzienende spanningsoscillaties.

Observaties onthulden dat burst -schietoscillaties konden worden geactiveerd of onderdrukt door het optische vermogen van de ingang te moduleren. Bij optimale lichtintensiteiten vertoonde het apparaat stabiele, periodieke burst -oscillaties, die leek op de oscillerende activiteit waargenomen in biologische neuronen. Deze oscillaties vonden plaats bij frequenties rond 350 kilohertz en waren instelbaar op basis van biasspanning en verlichtingsomstandigheden.

Apparaten vertoonden stabiel oscillerend gedrag over langdurige meetcycli (> 10³ cycli), waardoor de betrouwbare werking onder gecontroleerde omstandigheden wordt bevestigd. Puls-gemoduleerde verlichting maakte controle mogelijk over excitatie en remming van burst-vuren, wat de haalbaarheid aantoont van het coderen van sensorische input in spatiotemporele neurale signalen.

Bevindingen bevestigen dat neuromorfe fotonische neuronen kunnen worden gerealiseerd met behulp van met licht geactiveerde RTD’s, het samenvoegen van sensorische invoerverwerking en oscillerende neurale berekening binnen een enkel geminiaturiseerd halfgeleiderapparaat.

Dit onderzoek biedt een belangrijke brug naar snelle, energiezuinige kunstmatige visiesystemen en neuromorfe rand computertoepassingen. De compatibiliteit van deze III-V halfgeleiderapparaten met bestaande lichtdetectie en variërende (LIDAR) en 3D-detectie-technologieën positioneert ze als veelbelovende kandidaten voor biologisch geïnspireerd computergebruik van de volgende generatie.