[发明专利]基于微腔激光的二进制PUF编码方法

说明书

一种基于微腔激光的二进制PUF编码方法，本发明利用低密度半导体微球在高斯光斑内的泊松分布与受激辐射阈值特性，通过泵浦激光参数优化实现响应信号受激辐射概率的精准调控。基于50％受激辐射概率的点阵扫描，本发明将收集到的点阵响应编码为二维码。由于低密度半导体微腔制备工艺不可控的随机误差与复杂的激励——响应机制，基于本发明实现的二进制PUF编码具有硬件指纹特征，难以被伪造与篡改，无须复杂工艺优化与退偏算法后处理实现均匀二进制位响应均匀分布，可应用于对安全等级有着较高应用的防伪、身份认证、秘钥通讯等领域。

技术领域

本发明涉及信息安全与半导体光电技术领域，具体涉及一种基于微腔激光二进制的PUF(Physical Unclonable Function，简称PUF)编码方法。

背景技术

工业4.0时代建立于数字社会与智能器件，迫切需要具有硬件指纹特征的PUF提供信息安全。尽管基于集成电路的硅芯片PUF目前在信息安全领域获得了普遍应用，但长期面临着伪造、篡改、攻击、机器学习等风险，位错率高，易受温度与电磁环境干扰。光学PUF主要基于微纳结构复杂的光学响应，在安全性方面远优于传统的硅芯片PUF。对于特定进制架构的光学PUF，在单个编码地址上实现位响应均匀性是最大化编码容量的关键。由于不可控的纳米材料非理想组装与纳米材料之间的光响应耦合，位响应均匀性的实现依然面临着巨大挑战。目前主流的位响应均匀性方案主要包括纳米材料合成工艺优化与退偏算法后处理。前者通常针对特定材料需要进行复杂的工艺探索实现大面积纳米材料占比50％，后者需要复杂算法对非50％概率的编码数据进行后处理优化，将损失大量的独立有效位自由度。因此，迫切需要一种二进制PUF编码方法，既无须特定复杂工艺优化，同时避免了退偏算法后处理。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于微腔激光的二进制PUF编码方法，该方法利用低密度半导体微球在高斯光斑内的泊松分布与受激辐射阈值特性，通过泵浦激光参数优化实现响应信号受激辐射概率的精准调控。本发明基于50％受激辐射概率的泵浦激励点阵扫描，将收集到的点阵响应编码为二维码。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于微腔激光的二进制PUF编码方法，其特点在于该方法包括下列步骤：

1)采用化学气相沉积方法制备的低密度半导体微腔，所述的低密度半导体微腔的空间面密度为0.04～0.17/μm²；

2)采用光斑直径为5μm、能量密度为10～250μJ/cm²的飞秒激光对所述的低密度半导体微腔进行激励辐照，使用CCD收集辐照点位发射的光谱信号；

3)如果光谱信号中存在线宽1nm的谱线，不论是单条谱线还是多条谱线，都判定为受激辐射响应；

4)使用特定泵浦能量密度下所述的飞秒激光对所述的低密度半导体微腔进行扫描，辐照点数大于40个独立点位，统计所述的受激辐射响应判定成功的点位比例，并定义为受激辐射概率，获得泵浦能量密度与受激辐射概率关系；

5)从所述的泵浦能量密度与受激辐射概率关系获得50％受激辐射概率所需的泵浦能量密度，使用该能量密度对50×50阵列点位进行50％受激辐射概率的泵浦激励点阵扫描，并对阵列各点位的受激辐射成功与否进行判定：点阵扫描中所述的受激辐射响应判定成功的点位定义为1，判定失败的点位定义为0；

6)判定完成，点阵二维码制备完成。

所述低密度半导体微腔采用的材料为CsPbX₃钙钛矿结构，其中X为Cl,Br,I任意一种或两种卤素混合。

所述低密度半导体微腔的空间面密度为0.04～0.12/μm²，在小光斑辐照下，泵浦激光所覆盖的微腔个数是一种稀有事件，服从泊松统计分布。该分布的统计参数为给定泵浦激光能量密度下所覆盖的平均微腔数目，该平均值会随着激光能量密度的增加而增加。泊松分布的统计参数增大时，覆盖微腔数非0的概率增加。