Исследователи из Международной иберийской нанотехнологической лаборатории (INL) разработали инновационное нейроморфное фотонное устройство, имитирующее функции биологических нейронов с помощью света. Новая технология, описанная в журнале Scientific Reports в статье "Light-induced negative differential resistance and neural oscillations in neuromorphic photonic semiconductor micropillar sensory neurons", представляет собой значительный прорыв в области нейроморфных вычислений.
Созданное устройство представляет собой полупроводниковый нейрон, способный обрабатывать оптическую информацию через самоподдерживающиеся колебания. Ключевой особенностью разработки является использование света для управления отрицательным дифференциальным сопротивлением (NDR) в микропилларном квантовом резонансном туннельном диоде (RTD).
Технически устройство выполнено в виде микропилларных RTD-фотодетекторов из n-типа арсенида галлия диаметром от 6 до 10 микрометров. Конструкция включает слои квантовых ям с двойным барьером для квантового резонансного туннелирования. Активация происходит при воздействии ближнего инфракрасного света с длиной волны 830 нанометров, что вызывает колебания с частотой около 350 килогерц.
Исследователи обнаружили, что в темных условиях устройство демонстрирует только положительное дифференциальное сопротивление без самоподдерживающихся колебаний. Однако при воздействии ближнего инфракрасного света возникает область отрицательного дифференциального сопротивления, генерирующая самоподдерживающиеся колебания напряжения. Примечательно, что эти пачечные колебания можно активировать или подавлять путем модуляции входной оптической мощности.
Устройства продемонстрировали стабильное колебательное поведение на протяжении длительных циклов измерений (более 10³ циклов). Импульсно-модулированное освещение позволило контролировать возбуждение и подавление пачечной активности, что имитирует поведение биологических нейронов.
По сравнению с предыдущими подходами, новая технология имеет ряд существенных преимуществ. Она объединяет как сенсорное восприятие, так и колебательное поведение в одном устройстве, устраняя необходимость во внешних компонентах или дополнительных схемах. Это обеспечивает преимущества в скорости, энергоэффективности и миниатюризации. Кроме того, технология совместима с существующими технологиями LiDAR и 3D-сенсорами.
Потенциальные применения этой технологии включают высокоскоростные, энергоэффективные системы искусственного зрения, нейроморфные вычисления на периферийных устройствах и биоинспирированные вычислительные системы следующего поколения. Интеграция оптических сенсорных функций с нейроподобной обработкой в едином устройстве открывает новые возможности для создания более эффективных и компактных нейроморфных систем.
Изображение носит иллюстративный характер
Созданное устройство представляет собой полупроводниковый нейрон, способный обрабатывать оптическую информацию через самоподдерживающиеся колебания. Ключевой особенностью разработки является использование света для управления отрицательным дифференциальным сопротивлением (NDR) в микропилларном квантовом резонансном туннельном диоде (RTD).
Технически устройство выполнено в виде микропилларных RTD-фотодетекторов из n-типа арсенида галлия диаметром от 6 до 10 микрометров. Конструкция включает слои квантовых ям с двойным барьером для квантового резонансного туннелирования. Активация происходит при воздействии ближнего инфракрасного света с длиной волны 830 нанометров, что вызывает колебания с частотой около 350 килогерц.
Исследователи обнаружили, что в темных условиях устройство демонстрирует только положительное дифференциальное сопротивление без самоподдерживающихся колебаний. Однако при воздействии ближнего инфракрасного света возникает область отрицательного дифференциального сопротивления, генерирующая самоподдерживающиеся колебания напряжения. Примечательно, что эти пачечные колебания можно активировать или подавлять путем модуляции входной оптической мощности.
Устройства продемонстрировали стабильное колебательное поведение на протяжении длительных циклов измерений (более 10³ циклов). Импульсно-модулированное освещение позволило контролировать возбуждение и подавление пачечной активности, что имитирует поведение биологических нейронов.
По сравнению с предыдущими подходами, новая технология имеет ряд существенных преимуществ. Она объединяет как сенсорное восприятие, так и колебательное поведение в одном устройстве, устраняя необходимость во внешних компонентах или дополнительных схемах. Это обеспечивает преимущества в скорости, энергоэффективности и миниатюризации. Кроме того, технология совместима с существующими технологиями LiDAR и 3D-сенсорами.
Потенциальные применения этой технологии включают высокоскоростные, энергоэффективные системы искусственного зрения, нейроморфные вычисления на периферийных устройствах и биоинспирированные вычислительные системы следующего поколения. Интеграция оптических сенсорных функций с нейроподобной обработкой в едином устройстве открывает новые возможности для создания более эффективных и компактных нейроморфных систем.
