CN110166248B - 基于混沌信号的光学puf系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及半导体光电子领域，具体为一种基于混沌信号的光学PUF系统，用于安全验证和密钥生成等领域。利用混沌信号的初值敏感性和高带宽特性，解决了当前光学物理不可克隆函数系统安全性不高、信息量小的问题。采用硅波导结构，有利于与其他半导体功能器件集成，从而有望实现结构紧凑的安全验证系统和随机数发生器。

Description

基于混沌信号的光学PUF系统
技术领域
本发明涉及半导体光电子领域，具体为一种基于混沌信号的光学PUF系统。
背景技术
随着物联网技术的兴起，物理不可克隆函数（PUF）应用前景日益凸显，PUF具有唯一性、不可克隆性、不可预测性和鲁棒性，这些特征使得PUF广泛应用于真随机数产生，高速密钥发生以及身份认证等领域。
目前，PUF主要有两种实现方式，即利用集成电路制作工艺误差的随机性提出的电学物理不可克隆函数和利用光学衍射的复杂性提出的光学实现方式。相比电学PUF，光学PUF安全性更高，同时光子较快的传输速度使其更适合应用于信息安全领域。
美国R. Pappu博士（R.Pappu et al., Science,297:5589,2002）和国内微系统与太赫兹研究中心的李倩研究员分别从实验和仿真的角度利用三维无序散射体对He-Ne激光束的散射产生散斑图像（Qian Li et al., Optical and Quantum Electronics, 49:122,2017），然后通过多尺度Gabon变换进行滤波产生密钥。虽然该结构在相对电子PUF具有更高安全性和复杂性，但是信息量依然比较小，仅有 0.022Tbit/mm3。
希腊 Eulambia 公司提出并验证了基于多模光纤的PUF（Charis M. et al.,Scientific Reports,8:1，2018）。利用多模光纤的端面散射的随机性差异，光纤传输损耗以及多模干涉等多个作用机制产生散斑图像，可以进一步提高结构的安全性。同时该波导中使用C波段光源，便于与现代光通信系统相兼容，但是较大的器件尺寸以及低集成度依然是亟待解决的问题。
硅基器件具有体积小，便于与半导体功能器件集成的优点，混沌系统具有初值敏感性，非周期性和确定性等特征，和所期望的PUF具有的不可预测性，可重复性和不可克隆性不谋而合。因此，本发明提出了一种基于混沌信号的光学PUF系统，一方面加快信息传输速率并有效减小器件体积，另一方面提高PUF的安全性。
发明内容
本发明目的是提供一种基于混沌信号的光学PUF系统，用以提高光学PUF的安全性、信息量，并减小器件尺寸，适用于高速真随机数产生，安全验证和密钥生成以及保密通信等领域。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种基于混沌信号的光学PUF系统，包括混沌信号产生部分、光学PUF部分、后处理模块，所述混沌信号产生部分接收PUF激励后产生的混沌光信号输入光学PUF部分，所述光学PUF部分输出光信号至后处理模块，所述后处理模块进行光电转换后，转换为二进制序列，最终输出二进制密钥，即PUF响应。
其中，混沌信号产生部分利用外腔反馈产生混沌信号，光学PUF部分结构自下而上依次为硅衬底、下限制层、随机散射体层、上限制层。其中，随机散射体层是带有随机散射体的导波层；制备光学PUF部分时，首先在硅衬底上制备出下限制层和条形硅波导，然后采用离子注入手段对导波层进行掺杂，将离子源产生的离子经加速后高速射向导波层材料表面，当离子进入表面，将与固体中的原子碰撞，将其挤进内部，并在其射程前后和侧面激发出一个尾迹，这些撞离原子再与其它原子碰撞，后者再继续下去，大约在10-11s内，材料中将建立一个有数百个间隙原子和空位的区域，形成随机散射体层，最后再制备出上限制层。其中，随机散射体波导导波层的随机散射粒子包括但不限于铒、砷、磷等粒子，也可以为制造的随机缺陷，由于工艺上具有一定的随机误差，且这些误差是不可重复的，可以保证所制作的随机散射体PUF结构的唯一性，进一步地，随机散射粒子引入使得结构上的随机性增强，采用离子注入的方式实现，还会对硅材料形成随机的结构性缺陷，提高了所产生的物理不可克隆函数的可靠性与安全性。光学PUF结构截面尺寸200nm×200nm，长度50μm~100μm。混沌信号产生部分包括但不限于单反馈混沌系统，PUF激励加载在混沌信号中；后处理模块主要实现信号的提取，经过光电转换后，再转换为二进制序列，最终输出二进制密钥。
工作过程如下：混沌信号发生部分产生的混沌信号，进入PUF部分，混沌信号经过导波层随机散射体的作用，引发光子的随机振荡，使得混沌信号的维度与随机性增强，另一方面，由于硅属于中心对称材料，具有各向同性，在偶极近似下，其二阶非线性效应近似可以忽略，仅考虑三阶非线性效应，主要有三种：参量振荡、拉曼散射和非线性吸收，其中，参量振荡会产生与光强成正比的折射率变化Δn，进而使得激光方向变化，造成散射，光子碰撞概率增加；拉曼散射具有良好的方向性、单色性以及相干性，并激发产生斯托克斯与反思托克斯光；非线性吸收引起电子跃迁，同时使电子激发为自由电子，这些自由载流子还会使得光子产生非线性吸收效应，导致非线性吸收效应进一步增强。PUF的激励作用在混沌信号产生系统，由于混沌信号的初值敏感性，对于不同的激励，混沌源会输出不同的混沌信号，进而使得不同的PUF响应差异放大，提高PUF的安全性。从PUF部分输出的信号经过后处理模块整形、提取等处理后，最终从后处理模块输出PUF响应，得到高随机性、高速率、大信息含量的PUF。
与现有物理不可克隆函数产生方法相比，本发明的优势在于：
1、本发明器件在硅基上实现，工艺较为简单且成本低。
2、本发明基于混沌源的光学PUF，由于混沌信号的初值敏感性和高带宽，对于不同的激励信号作用，可以有效放大相应响应之间的差异，提高PUF的可靠性。
3、本发明利用波导制备过程中不可避免的制备工艺随机性误差的不可复制性，使得器件在结构上的不可克隆性，同时，随机散射体的引入将随机性误差提高，PUF结构不可克隆性增强。
4、随机散射体的随机后向散射反馈扰动激光器，利用腔长随机变化，消除混沌激光的时延特征，使得混沌随机性增强，产生的混沌信号不存在周期性，利用混沌信号的高带宽、类噪声以及初值敏感性，引发随机散射体波导内部强三阶非线性效应，获得安全性高的光学不可克隆函数，利用PUF激励调控混沌信号产生系统，使得产生的混沌随机性、维度更高，进一步保证PUF的安全性。
本发明设计合理，利用混沌信号的初值敏感性和高带宽特性，在提高光学PUF安全性的同时，有效减小了器件体积，解决了当前光学物理不可克隆函数系统安全性不高、信息量小的问题。同时由于这种PUF结构在硅基上实现，有利于与其他半导体功能器件集成，极大地提高了器件与半导体功能器件集成的便利性，进一步地，便于实现片上光子集成技术，从而有望实现结构紧凑的安全验证系统和随机数发生器。
附图说明
图1表示本发明的结构示意图。
图2表示举例说明的一种混沌信号产生装置的结构示意图。
图中：1-混沌信号产生部分，2-光学PUF部分，3-后处理模块，4-PUF激励信号，5-PUF响应信号。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。
一种基于混沌信号的光学PUF系统，如图1所示，包括混沌信号产生部分1、光学PUF部分2、后处理模块3，混沌信号产生部分1接收PUF激励4后产生的混沌光信号输入光学PUF部分2，光学PUF部分2输出光信号至后处理模块3，后处理模块3进行光电转换后，转换为二进制序列，最终输出二进制密钥，即PUF响应5。
其中，混沌信号产生部分包括但不限于单反馈、光注入、光电反馈等方式扰动半导体激光器进而产生混沌信号（混沌信号产生装置举例如下），混沌信号产生部分输出的混沌激光耦合进入光学PUF结构，经过非线性效应作用从另一侧输出，由后处理模块提取PUF响应，PUF的激励信号加载至混沌系统，利用混沌的初值敏感特性，将不同的PUF响应信号差异放大，提高光学物理不可克隆函数的安全性。
具体工作过程如下：物理不可克隆函数的激励信号将加载到混沌信号发生部分，混沌信号发生部分产生混沌信号，利用混沌信号初值敏感性放大不同激励之间的差异；混沌信号进入PUF部分，混沌信号经过导波层随机散射体的作用，引发光子的随机振荡，使得混沌信号的维度与随机性增强，另一方面，由于硅属于中心对称材料，具有各向同性，在偶极近似下，其二阶非线性效应近似可以忽略，仅考虑三阶非线性效应，主要有三种：参量振荡、拉曼散射和非线性吸收，其中，参量振荡会产生与光强成正比的折射率变化Δn，进而使得激光方向变化，造成散射，光子碰撞概率增加；拉曼散射具有良好的方向性、单色性以及相干性，并激发产生斯托克斯与反思托克斯光；非线性吸收引起电子跃迁，同时使电子激发为自由电子，这些自由载流子还会使得光子产生非线性吸收效应，导致非线性吸收效应进一步增强。PUF的激励作用在混沌信号产生系统，由于混沌信号的初值敏感性，对于不同的激励，混沌源会输出不同的混沌信号，进而使得不同的PUF响应差异放大，提高PUF的安全性。从PUF部分输出的信号经过后处理模块整形、提取等处理后，最终从后处理模块输出PUF响应，得到高随机性、高速率、大信息含量的PUF。
此外，在实现本发明所提出的光学物理不可克隆函数装置还可以将混沌发生部分置于随机散射体波导之后，同样可以有效提高物理不可克隆函数的随机性。
下面举例说明一种混沌信号产生装置。基于单反馈扰动半导体激光器产生混沌信号装置，如图2所示，包括半导体激光器，反射镜，90:10耦合器。其中，半导体激光器输出激光经过耦合器，90%光信号经由反射镜作用，反馈扰动半导体激光器，激光器内部由于光场反馈产生非线性效应，使半导体激光器产生混沌，10%光信号进入光学PUF部分。
混沌信号发生装置具体应用时，装置中半导体激光器输出的激光信号经过单反射镜反射回到激光器有源区，产生混沌信号，是该系统中的非线性信号产生环节。在该装置中，半导体激光器受到单反射镜的扰动，产生混沌。
以上所述的具体实施例，对本发明一种基于混沌信号的光学PUF系统进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于混沌信号的光学PUF系统，其特征在于：包括混沌信号产生部分（1）、光学PUF部分（2）、后处理模块（3），所述混沌信号产生部分（1）接收PUF激励（4）后产生的混沌光信号输入光学PUF部分（2），所述光学PUF部分（2）输出光信号至后处理模块（3），所述后处理模块（3）进行光电转换后，转换为二进制序列，最终输出二进制密钥，即PUF响应（5）；
所述光学PUF部分的结构自下而上依次为硅衬底、下限制层、随机散射体层、上限制层；其中，随机散射体层是带有随机散射体的导波层；
制备光学PUF部分时，首先在硅衬底上制备出下限制层和条形硅波导，然后采用离子注入手段对导波层进行掺杂，将离子源产生的离子经加速后高速射向导波层材料表面，当离子进入表面，将与固体中的原子碰撞，将其挤进内部，并在其射程前后和侧面激发出一个尾迹，这些撞离原子再与其它原子碰撞，后者再继续下去，在10-11s内，材料中将建立一个有数百个间隙原子和空位的区域，形成随机散射体层，最后再制备出上限制层；
其中，随机散射体波导导波层的随机散射粒子包括铒、砷、磷粒子，或者制造的随机缺陷；
所述光学PUF部分（2）截面尺寸为200nm×200nm，长度50μm~100μm；
混沌信号发生部分产生的混沌信号，进入PUF部分，混沌信号经过导波层随机散射体的作用，引发光子的随机振荡，使得混沌信号的维度与随机性增强，仅考虑三阶非线性效应，包括如下三种：参量振荡、拉曼散射和非线性吸收，其中，参量振荡会产生与光强成正比的折射率变化，进而使得激光方向变化，造成散射，光子碰撞概率增加；拉曼散射具有方向性、单色性以及相干性，并激发产生斯托克斯与反思托克斯光；非线性吸收引起电子跃迁，同时使电子激发为自由电子，这些自由载流子使得光子产生非线性吸收效应，导致非线性吸收效应进一步增强；PUF的激励作用在混沌信号产生系统，由于混沌信号的初值敏感性，对于不同的激励，混沌源会输出不同的混沌信号，进而使得不同的PUF响应差异放大，提高PUF的安全性；从PUF部分输出的信号经过后处理模块整形、提取处理后，最终从后处理模块输出PUF响应，得到高随机性、高速率、大信息含量的PUF。
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