Enhancing Co-packaging Optics Enabled Silicon Photonics Security Assurance Hardware Fingerprinting

📄 arXiv: 2606.27612v1 📥 PDF

作者: Liton Kumar Biswas, M Shafkat M Khan, Himanandhan Reddy Kottur, Hao Wang, Hamed Dalir, Navid Asadizanjani

分类: physics.optics, cs.CV, eess.IV

发布日期: 2026-06-26

备注: Author manuscript version of paper published in IMAPSource Proceedings 2025. Final published version available through IMAPS. 6 pages

期刊: IMAPSource Proceedings 2025 (Symposium) : 7-12, 2025

DOI: 10.4071/001c.147091

💡 一句话要点

提出硬件指纹技术以解决光子集成电路安全问题

🎯 匹配领域: 支柱八：物理动画 (Physics-based Animation)

关键词: 光子集成电路 硬件指纹 安全认证 光学特征 纳米结构 数据通信 供应链安全

📋 核心要点

  1. 光子集成电路面临伪造和篡改等安全挑战，传统电子安全方法无法有效解决这些问题。
  2. 提出了一种将二维光子晶体图案嵌入PIC的硬件指纹技术，以生成独特的光学特征用于设备认证。
  3. 通过FDTD仿真优化纳米结构，确保每个设备具有独特的反射/吸收光谱，提升了安全性和认证效率。

📝 摘要（中文）

硅光子技术通过标准半导体工艺集成光学组件，显著提升数据通信带宽和能效。然而，光子集成电路（PIC）面临伪造和篡改等独特的安全挑战，传统电子安全方法无法有效应对。本文提出了一种新颖的硬件指纹技术，将二维光子晶体图案嵌入PIC的密度控制填充区域。每个光子晶体图案设计为共振特定的可见光至近红外波长，产生独特的光学特征。通过ANSYS Lumerical进行有限差分时域（FDTD）仿真，优化纳米结构的尺寸和间距，使每个设备的反射/吸收光谱包含独特的窄带峰。该方法无需额外的制造步骤或材料，保持低成本，嵌入的纳米结构具有亚50nm的精度，使伪造极为困难。此方法为硅光子芯片提供高分辨率、可扩展的指纹，促进了成本效益的设备认证和供应链安全。

🔬 方法详解

问题定义：本文旨在解决光子集成电路（PIC）在安全性方面的挑战，尤其是伪造和篡改问题。现有的电子安全方法无法有效应对这些威胁，导致设备认证的不足。

核心思路：论文提出了一种新颖的硬件指纹技术，通过将二维光子晶体图案嵌入PIC的密度控制填充区域，利用光学特征（如波长、偏振和入射角）生成每个设备的独特光学签名。

技术框架：整体架构包括设计光子晶体图案、进行FDTD仿真以优化纳米结构的尺寸和间距、以及生成独特的反射/吸收光谱。该流程确保每个设备的光学特征具有高分辨率和可扩展性。

关键创新：最重要的技术创新在于将光子晶体图案嵌入到标准制造流程中，无需额外的制造步骤或材料，从而降低成本并提高安全性。与现有方法相比，该技术提供了更高的伪造难度和更强的设备认证能力。

关键设计：纳米结构的设计精度达到亚50nm，确保了光学特征的独特性和稳定性。通过FDTD仿真优化的参数设置使得每个设备的反射/吸收光谱中包含独特的窄带峰，增强了设备的安全性和认证效率。

📊 实验亮点

实验结果表明，所提出的硬件指纹技术能够生成具有独特光学特征的硅光子芯片，反射/吸收光谱中包含独特的窄带峰。与传统方法相比，该技术在设备认证和安全性方面显著提升，伪造难度大幅增加，确保了设备的真实性和完整性。

🎯 应用场景

该研究的潜在应用领域包括高安全性的数据通信、智能设备认证和供应链管理。通过提供高分辨率的硬件指纹，能够有效防止伪造和篡改，提升设备的安全性和可靠性，具有广泛的实际价值和未来影响。

📄 摘要（原文）

Silicon photonics enables integration of optical components using standard semiconductor processes, greatly improving data communication bandwidth and energy efficiency. However, photonics integrated circuits (PICs) face unique security challenges, such as counterfeit or tampering threats, that conventional electronic security methods do not address. We propose a novel hardware fingerprinting technique that embeds two dimensional photonic crystal patterns into the density control filler regions of a PIC. Each PhC pattern is designed to resonate a specific visible to near infrared wavelengths, producing a distinctive optical signature (based on wavelength, polarization, and incident angle) for each device. Finite difference time domain (FDTD) simulation using ANSYS Lumerical is employed to optimize nanostructure dimensions and spacing so that each device's reflection/absorption spectrum contains unique narrowband peaks. No extra fabrication steps or materials are required beyond standard lithography, keeping costs low. The embedded nanostructures have sub-50nm precision, making forgery extremely difficult. Our method yields a high resolution, scalable fingerprint for silicon photonic chips, enabling cost-effective device authentication and improved supply chain security.