OFC2025 | 基于可重构光子线路的神经形态物理不可克隆函数与自相干接收器

逍遥设计自动化

引言
近年来，神经形态计算与光子技术的融合为安全通信创造了新的机遇。本文探讨了一种神经形态接收器的实验验证，该接收器不仅解决光学通信中的损伤问题，还作为物理不可克隆函数(PUF)增强物理层安全性[1]。

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面向安全的神经形态光子计算简介
神经形态计算通过提供生物启发的效率革新了机器学习。在这一领域中，光子神经形态计算因其增强的带宽和信号复用能力而受到广泛关注。这些优势使其特别适合于数据主要为光学的光纤通信应用。
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+ Q- u# s0 @& J: O; \! i$ s6 T同时，现代通信系统对安全功能的需求日益增长，包括设备认证、验证和用于加密协议的随机数生成。物理不可克隆函数通过对物理系统中独特复杂属性的询问生成不可预测的响应，从而提供这些安全服务。

本研究结合了这两个领域，实现了基于递归光谱切片(ROSS)架构的神经形态接收器。该接收器不仅纠正32 Gbaud自相干四相移键控(QPSK)信号中的传输损伤，还作为具有卓越安全指标的PUF功能。
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操作原理和实验设置
) B6 C% t3 z8 V% J) Z$ J- E该系统的核心是一个PUF，通过物理加扰机制基于挑战(输入)生成响应(输出)，确保不可克隆性和不可预测性。

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图1：(a)实验设置和(b)nPUF概念图，其中W代表nPUF的响应，X、Y和Φ构成挑战，Φp是不可预测的物理加扰机制。
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实验实现采用了ROSS方案，包含三个光子节点，每个节点实现为带有额外反馈环路的带通滤波器。这些节点是使用Smartlight可重构光电子集成芯片(RPIC)构建的，该芯片具有相位可调的可编程单元单元(PUC)，以六边形网格排列。
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" m0 ]3 }( B2 ~6 _* I1 f在实验设置中，使用具有23 GHz模拟带宽的任意波形发生器生成伪随机QPSK序列。该序列被发送到25 GHz IQ调制器，通过25公里单模光纤传输。然后信号被放大并由光子线路处理，其中PUC以环路中的马赫曾德延迟干涉仪(MZDI)形式实现ROSS节点。
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系统的独特性源于不可避免的制造缺陷，这些缺陷表现为随机相位偏差或光学损耗。这些缺陷在每个节点的光谱响应中产生变化，进而影响前馈均衡器(FFE)在训练期间的权重。训练过程旨在最小化输入信号(X)与目标符号串(Y)之间的误差，产生的权重矩阵(W)作为PUF的响应。
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: z% P8 Y; |4 s* L$ P. `( Z实验结果与分析
; z( @+ Q1 F6 D% T研究通过在每个滤波器中顺序改变单个PUC的相位(Φ)从0到2π，调查了125个ROSS节点，产生不同的光谱响应。

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图2：(a)不同相移器值的光谱响应变化，显示载波频率如何随不同相位设置变化；(b)PUF响应之间的内部和外部欧几里得距离分布直方图，包含拟合的概率密度函数；(c)热图显示了log(EER)作为相位阈值φ?和BER阈值的函数，较深的颜色表示更好的安全性能。
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对于通信任务，3节点ROSS架构在FFE中生成了186个权重(2个象限31个抽头)，为QPSK传输实现了最佳误码率(BER)为1×10??。为了安全评估，研究人员分析了相同挑战是否始终产生相似响应(通过权重向量之间的欧几里得距离测量)，与不同挑战产生的响应相比。
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评估PUF有效性的重要指标是等错误率(EER)，对应于错误接受率和错误拒绝率之间的交叉点。EER低于10??被认为对认证应用足够安全。
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! f9 @. z0 }, E3 K: u( I研究人员通过定义相位阈值φ?评估了挑战之间的最小相位差对EER的影响。此外，还研究了BER阈值如何影响EER性能。
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结果表明，对于大于0.6弧度的相位阈值，系统在所有BER阈值下都实现了低于10??的EER值。最显著的是，对于BER≤10??的配置，当相位阈值设为1弧度时，系统达到了低至10?1?的EER值。
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结论和安全意义
# h3 X1 ?- `0 N4 D  R4 g这一实验验证证实，使用可重构光电子集成芯片实现的神经形态接收器可以同时均衡高速光通信并提供高度安全的不可克隆指纹。该系统利用制造不确定性与可训练神经形态权重之间的内在关系，创建了一种在现实条件下稳健运行的安全原语。

所达到的EER性能(低于10??)使这种方法适用于加密应用和设备认证。这项工作代表了安全光通信的重大进步，展示了如何利用光子线路的固有物理特性既进行信号处理又提供安全保障。
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1 e: W+ \4 ]/ w  `0 f该方法提供了两种安全场景：作为弱PUF，其中由于制造变化，应用于不同设备的相同挑战会引发不同响应；以及作为强PUF方案，其中对同一芯片的不同相位挑战产生类似于硬件随机数生成器的差异化响应。
这种在单个光子线路中集成通信和安全功能的方式为安全高速光网络创造了新机会，其中可以在物理层保证认证和数据完整性。

0 `9 h! r  s  c' y1 S参考文献
[1] G. Sarantoglou, F. Da Ros, K. Sozos, M. P. Yankov, D. Dermanis, A. Bogris, and C. Mesaritakis, "Neuromorphic Physical Unclonable Function and Self-Coherent Receiver based on a Reconfigurable Photonic Circuit," in OFC 2025, Optica Publishing Group, 2025, Paper Th1F.4.
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