[發(fā)明專利]基于微腔激光的二進(jìn)制PUF編碼方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110767029.2
• 申請(qǐng)日: 2021-07-07
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113610204A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-11-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王虎;邵宇川;董紅星;高新宇;鄭毅帆;邵建達(dá);張龍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所
• 主分類號(hào): G06K19/06
• 分類號(hào): G06K19/06;G06F21/73
• 代理公司: 上海恒慧知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 張寧展

一種基于微腔激光的二進(jìn)制PUF編碼方法，本發(fā)明利用低密度半導(dǎo)體微球在高斯光斑內(nèi)的泊松分布與受激輻射閾值特性，通過(guò)泵浦激光參數(shù)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)響應(yīng)信號(hào)受激輻射概率的精準(zhǔn)調(diào)控。基于50％受激輻射概率的點(diǎn)陣掃描，本發(fā)明將收集到的點(diǎn)陣響應(yīng)編碼為二維碼。由于低密度半導(dǎo)體微腔制備工藝不可控的隨機(jī)誤差與復(fù)雜的激勵(lì)——響應(yīng)機(jī)制，基于本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的二進(jìn)制PUF編碼具有硬件指紋特征，難以被偽造與篡改，無(wú)須復(fù)雜工藝優(yōu)化與退偏算法后處理實(shí)現(xiàn)均勻二進(jìn)制位響應(yīng)均勻分布，可應(yīng)用于對(duì)安全等級(jí)有著較高應(yīng)用的防偽、身份認(rèn)證、秘鑰通訊等領(lǐng)域。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及信息安全與半導(dǎo)體光電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于微腔激光二進(jìn)制的PUF(Physical Unclonable Function，簡(jiǎn)稱PUF)編碼方法。

背景技術(shù)

工業(yè)4.0時(shí)代建立于數(shù)字社會(huì)與智能器件，迫切需要具有硬件指紋特征的PUF提供信息安全。盡管基于集成電路的硅芯片PUF目前在信息安全領(lǐng)域獲得了普遍應(yīng)用，但長(zhǎng)期面臨著偽造、篡改、攻擊、機(jī)器學(xué)習(xí)等風(fēng)險(xiǎn)，位錯(cuò)率高，易受溫度與電磁環(huán)境干擾。光學(xué)PUF主要基于微納結(jié)構(gòu)復(fù)雜的光學(xué)響應(yīng)，在安全性方面遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的硅芯片PUF。對(duì)于特定進(jìn)制架構(gòu)的光學(xué)PUF，在單個(gè)編碼地址上實(shí)現(xiàn)位響應(yīng)均勻性是最大化編碼容量的關(guān)鍵。由于不可控的納米材料非理想組裝與納米材料之間的光響應(yīng)耦合，位響應(yīng)均勻性的實(shí)現(xiàn)依然面臨著巨大挑戰(zhàn)。目前主流的位響應(yīng)均勻性方案主要包括納米材料合成工藝優(yōu)化與退偏算法后處理。前者通常針對(duì)特定材料需要進(jìn)行復(fù)雜的工藝探索實(shí)現(xiàn)大面積納米材料占比50％，后者需要復(fù)雜算法對(duì)非50％概率的編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理優(yōu)化，將損失大量的獨(dú)立有效位自由度。因此，迫切需要一種二進(jìn)制PUF編碼方法，既無(wú)須特定復(fù)雜工藝優(yōu)化，同時(shí)避免了退偏算法后處理。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種基于微腔激光的二進(jìn)制PUF編碼方法，該方法利用低密度半導(dǎo)體微球在高斯光斑內(nèi)的泊松分布與受激輻射閾值特性，通過(guò)泵浦激光參數(shù)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)響應(yīng)信號(hào)受激輻射概率的精準(zhǔn)調(diào)控。本發(fā)明基于50％受激輻射概率的泵浦激勵(lì)點(diǎn)陣掃描，將收集到的點(diǎn)陣響應(yīng)編碼為二維碼。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

一種基于微腔激光的二進(jìn)制PUF編碼方法，其特點(diǎn)在于該方法包括下列步驟：

1)采用化學(xué)氣相沉積方法制備的低密度半導(dǎo)體微腔，所述的低密度半導(dǎo)體微腔的空間面密度為0.04～0.17/μm²；

2)采用光斑直徑為5μm、能量密度為10～250μJ/cm²的飛秒激光對(duì)所述的低密度半導(dǎo)體微腔進(jìn)行激勵(lì)輻照，使用CCD收集輻照點(diǎn)位發(fā)射的光譜信號(hào)；

3)如果光譜信號(hào)中存在線寬1nm的譜線，不論是單條譜線還是多條譜線，都判定為受激輻射響應(yīng)；

4)使用特定泵浦能量密度下所述的飛秒激光對(duì)所述的低密度半導(dǎo)體微腔進(jìn)行掃描，輻照點(diǎn)數(shù)大于40個(gè)獨(dú)立點(diǎn)位，統(tǒng)計(jì)所述的受激輻射響應(yīng)判定成功的點(diǎn)位比例，并定義為受激輻射概率，獲得泵浦能量密度與受激輻射概率關(guān)系；

5)從所述的泵浦能量密度與受激輻射概率關(guān)系獲得50％受激輻射概率所需的泵浦能量密度，使用該能量密度對(duì)50×50陣列點(diǎn)位進(jìn)行50％受激輻射概率的泵浦激勵(lì)點(diǎn)陣掃描，并對(duì)陣列各點(diǎn)位的受激輻射成功與否進(jìn)行判定：點(diǎn)陣掃描中所述的受激輻射響應(yīng)判定成功的點(diǎn)位定義為1，判定失敗的點(diǎn)位定義為0；

6)判定完成，點(diǎn)陣二維碼制備完成。

所述低密度半導(dǎo)體微腔采用的材料為CsPbX₃鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，其中X為Cl,Br,I任意一種或兩種鹵素混合。

所述低密度半導(dǎo)體微腔的空間面密度為0.04～0.12/μm²，在小光斑輻照下，泵浦激光所覆蓋的微腔個(gè)數(shù)是一種稀有事件，服從泊松統(tǒng)計(jì)分布。該分布的統(tǒng)計(jì)參數(shù)為給定泵浦激光能量密度下所覆蓋的平均微腔數(shù)目，該平均值會(huì)隨著激光能量密度的增加而增加。泊松分布的統(tǒng)計(jì)參數(shù)增大時(shí)，覆蓋微腔數(shù)非0的概率增加。