用于高速神经形态传感与计算的多模态多波长兴奋及抑制操作光子 - 电子脉冲神经元

我们报道了一种多模态脉冲神经元，其支持光与电输入及控制，并具备波长复用操作能力，适用于新型高速神经形态传感与计算功能。该光子 - 电子神经元由具有光电探测 (PD) 能力的微尺度纳米结构共振隧穿二极管 (RTD) 构建而成。利用该 RTD-PD 系统的优势本征特性，即高度非线性特征、光敏感性、光致 I-V 曲线漂移以及在电和光输入下产生可激发响应的能力，我们通过光子 - 电控制成功实现了灵活的神经形态脉冲激活与抑制机制。我们还展示了该 RTD-PD 脉冲传感 - 处理神经元在多个波长复用光信号同时到达时的操作能力，这归功于其宽广的光电探测光谱窗口（覆盖 1310 和 1550 nm 电信波长波段）。我们的结果突显了 RTD 光子 - 电子神经元在高速（ns 级脉冲响应，理论上预测存在更快的亚 ns 级机制）和低能耗（分别仅需约 10 mV 和约 150 microW 的电和光输入振幅）下复现多种关键兴奋和抑制脉冲机制的潜力，其性质类似于视觉系统和大脑中生物神经元常见的机制。这项工作为实现高速、高能效的光子 - 电子脉冲神经元和脉冲神经网络提供了一条极具前景的途径，支持用于传感和信息处理任务的多模态及多波长操作。因此，本研究为创新的高速、光子 - 电子及基于脉冲的神经形态传感与计算系统及人工智能硬件铺平了道路。