南京工业大学,Small,用于神经形态计算与视觉的双向全光突触
大家好，今天为大家分享来自南京工业大学周哲教授、刘举庆教授、黄维院士团队近期在 Small 上发表的研究论文将光信号的感知与处理融为一体的全光突触 (AOS) 代表了光计算与神经形态成像领域的前沿变革方向。现有全光突触大多仅限于单向权重调制，通过全光通路同时实现兴奋性与抑制性输出仍是一项挑战。本文报道了一种双光子介导策略，可在磷光与光热碳点杂化 (CDH) 神经递质中实现双向神经可塑性。该调控过程通过紫外与红外光操控实现激子的可控释放及磷光发射的叠加，从而达成神经光子增强与抑制输出。基于上述特性，CDH能够实现光学逻辑运算以及具备实时追踪识别光物体运动轨迹、速度与方向能力的神经视觉，且识别精度高达97%。本工作为全光计算与成像领域磷光范式创新提供了一种全光调控方法。关键词： 全光、双向突触可塑性、碳点、运动检测、光学神经网络
研究人员报道了一种基于磷光与光热碳点杂化（CDH）的全光突触体系，通过双光子介导策略首次实现紫外增强与红外抑制的双向突触可塑性调控。该结构利用激子缓释与磷光叠加机制，将光脉冲直接转换为神经形态信号，无需外加电场即可完成“或”与“和”逻辑门的全光动态切换。基于此构建的神经视觉系统可实时追踪运动光点，对轨迹、速度、方向等参数识别精度达97%。
1.器件工作原理：
图1：双向全光神经形态系统。碳点杂化 (CDH) 神经递质中测试方法及双向神经光子过程的描述。图2：CDH表征与光学性质。(a) PCDs的磷光衰减曲线与寿命，记录于468 nm发射波长、340 nm激发波长下。不同 (b) 强度与 (c) 温度条件下340 nm激发时的磷光光谱。(d) CDH中磷光的双向可塑性 (紫外激发增强，近红外抑制)。图3：双光子介导的神经光子行为。(a) PPF指数随脉冲间隔变化的函数关系图(PPF：双脉冲易化，Wpulse：脉冲宽度)。插图为固定265 nm波长下两个连续脉冲引发的兴奋性突触后电流 (EPSI)。(b) PPF模式下的SIDP与 (c) STDP。(d) PPD指数随脉冲间隔变化的函数关系图 (PPD：双脉冲抑制)。插图为固定800 nm波长下两个连续脉冲引发的抑制性突触后电流 (IPSI)。(e) PPD模式下的SIDP与(f) STDP。图4：光子数字逻辑运算。(a) 通过协调光输入动态切换“或”与“与”逻辑门的工作机制示意图。突触可塑性由365 nm (输入A) 与265 nm (输入B) 突触前刺激的干涉调控，近红外光作为调制输入实现“或”门向“与”门的转换。(b) “或”与“与”逻辑功能的真值表。(c) 全光控制下“或”与“与”门操作的仿真结果。图5：面向运动识别的神经形态成像。(a) 突触在7个连续增强脉冲 (265 nm，8.85 µW mm⁻²，3.3 Hz，脉宽Wpulse = 0.1 s) 与10个连续抑制脉冲 (800 nm，9 mW mm⁻²，0.1 Hz，脉宽Wpulse = 6 s) 触发下的长时程增强 (LTP) 与长时程抑制 (LTD) 特性。(b) 神经网络的准确率计算。(c) 用于运动识别的类脑神经网络示意图。第10次训练周期后针对运动参数 (d) 方向、(e) 旋转、(f) 速度、(g) 加速度的权重映射图，以及对应的聚类结果 (h–k)。(l) 运动参数识别准确率随训练周期的变化。
我们成功开发了一种磷光与光热碳点杂化材料，通过双光子介导策略，使其成为多功能的类神经平台。基于激子的缓慢释放与磷光发射叠加效应，借助紫外与红外光的选择性加载，可精确且可逆地调控增强与抑制两种双向神经可塑性，从而将光脉冲直接转化为神经形态信号。通过光学逻辑运算的实现，以及更具标志性意义的神经视觉的构建，全光调控能力得到了有力验证。该系统展现了前所未有的性能——能够对光物体进行实时追踪与识别，并精确解析包括轨迹、速度与方向在内的复杂运动参数，识别准确率高达97%。这一基于CDH的方法为直接在光子域运行的高效、无噪声全光神经形态计算机及智能视觉系统的发展开辟了道路。
文章来源：
https://doi.org/10.1002/smll.202514627
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