光驱动的人工神经元模拟大脑样振荡

国际伊比利亚纳米技术实验室（INL）的研究人员开发了一种神经形态光子半导体神经元，能够通过自持振荡处理光学信息。探索使用光来控制微柱量子共振隧穿二极管（RTD）中的负微分电阻（NDR），研究表明，这种方法可以导致高效的光驱动神经形态计算系统

神经形态计算试图复制生物神经网络的信息处理能力。生物系统中的神经元依靠有节奏的突发放电进行感觉编码、模式识别和网络同步，这些功能依赖于振荡活动进行信号传输和处理

现有的神经形态方法使用电、机械或热刺激复制这些过程，但基于光学的系统在速度、能效和小型化方面具有优势。虽然之前的研究已经证明了光子突触和人工传入神经，但这些实现需要额外的电路来增加功耗和复杂性

虽然之前的神经形态光子神经元已经得到证实，但这项研究使用光诱导NDR在单个III-V半导体器件中独特地集成了感觉接收和振荡行为，消除了对外部组件的需求

在发表在《科学报告》上的“光诱导神经形态光子半导体微柱感觉神经元中的负微分电阻和神经振荡”研究中，研究人员开发并测试了微柱RTD光电探测器，以研究它们作为近红外光激活的人工振荡神经元的能力

研究人员设计并制造了直径范围为6至10微米的n型砷化镓微柱RTD光电探测器。这些器件具有双势垒量子阱层，这有助于量子共振隧穿，产生独特的电响应，随着电压的增加，电流首先上升，然后下降，然后再次上升。当设备暴露在近红外光下时，就会出现这种NDR行为

测试包括表征器件在黑暗和光照条件下的电流-电压响应。830纳米的近红外光通过激光二极管传输，并测量电输出以确定发生振荡的条件。研究人员还测试了脉冲调制的光输入，以探索不同的光照强度如何影响兴奋和抑制反应

在黑暗条件下，微柱RTD设备仅显示正微分电阻，没有自持振荡。当暴露在受控水平的近红外光下时，会出现光诱导的NDR区域，导致自持电压振荡的产生

观察表明，通过调节输入光功率可以激活或抑制突发发射振荡。在最佳光强度下，该装置表现出稳定的周期性突发振荡，类似于在生物神经元中观察到的振荡活动。这些振荡发生在350千赫兹左右的频率，并且可以根据偏压和光照条件进行调整

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设备在长时间的测量周期（>；10³周期）内表现出稳定的振荡行为，证实了在受控条件下的可靠运行。脉冲调制照明能够控制突发放电的激发和抑制，证明了将感官输入编码为时空类神经信号的可行性

研究结果证实，神经形态光子神经元可以使用光激活RTD来实现，将感觉输入处理和振荡神经计算合并到一个小型化的半导体器件中

这项研究为高速、节能的人工视觉系统和神经形态边缘计算应用提供了重要的桥梁。这些III-V半导体器件与现有的光探测和测距（LiDAR）以及3D传感技术的兼容性使其成为下一代仿生计算的有前景的候选者 More information: Bejoys Jacob et al, Light-induced negative differential resistance and neural oscillations in neuromorphic photonic semiconductor micropillar sensory neurons, Scientific Reports (2025). DOI: 10.1038/s41598-025-90265-z

Journal information: Scientific Reports