近日，哈尔滨工业大学（深圳）徐科教授课题组在《Laser & Photonics Reviews》上发表题为 “Photonic Integrated Stream Cipher Using On-Chip Diffractive Metasurfaces” 的最新研究成果。该工作提出并实验验证了一种基于片上衍射超构表面的光子集成流密码系统（Photonic Integrated Stream Cipher, PISC）。该系统通过多层超构表面的光场衍射，在硅光平台上实现了物理层级的光域加密与解密，具有低功耗、高速率与可大规模集成等显著优势，为未来片间光互连的安全通信提供了全新的物理层加密思路与器件架构。
图1. 片上光学加/解密系统设计示意图。a) 片上光学加/解密系统整体结构示意。b) 构成光加密单元的级联衍射超构表面示意图。
如图1所示，PISC 系统主要由光加密单元（OEU）与光解密单元（ODU）组成。输入信号经三路热光调制器并行调制后，从不同端口输入由三层衍射超构表面构成的 OEU 中。光场在多层结构中传播并衍射形成特定的强度分布，输出端光强信号经阈值判决即可生成密文。解密过程可通过同一芯片上完成，依赖映射关系的对称性实现原始信息的恢复。
图3. 器件结构表征与热光开关性能测试。a)芯片的光学显微照片。b、c)输入、输出波导区域的局部放大显微照片。d) 超构表面阵列中slot结构的扫描电子显微照片。e) 三路热光开关测量的开关功率。f–h) 各开关状态下参考端口的传输光谱。
研究团队基于瑞利-索末菲（Rayleigh–Sommerfeld, RS）方程建立光场传播模型，并结合FDTD仿真进行验证。如图2所示，通过优化三层slot结构的分布，实现七种逻辑状态（001-111）与输出光强分布之间的逻辑映射，从而在光域中完成了比特级的加密与解密。如图3所示，该器件基于商业硅光平台MPW流片工艺实现，实验通过调节热光开关的加热功率实现不同输入逻辑状态的切换。测得的开关功率反映了三路输入信号的开/关状态，从而实现对多通道光信号的编码和切换。光谱测试结果显示，热光开关具有较高的消光比，为后续片上衍射加/解密提供了准确的输入条件。
研究进一步展示了基于PISC系统的字符与图像加密实验。如图4所示，以“HELLO, WORLD”为例，明文字符经ASCII编码后，并行输入三通道系统，输出密文为“H Q X X Y ~ U Y $ X P”， 实现了片上字符级光学加密映射。
在图像加密实验中，经PISC处理后的灰度与彩色图像，加密后图像的结构相似性指标（SSIM）低于 0.3，均方误差（MSE）超过 5000，傅里叶频谱分析进一步揭示了加密后图像能量在频域上的变化，表明该系统能够有效隐藏原始信息。
图4. 基于PISC系统的字符与图像加密实验结果。a) 明文“HELLO, WORLD”的加密过程示意。b) 原始灰度图像。c) 原始彩色图像。d) 加密后的灰度图像。e) 加密后的彩色图像。f) 灰度图像的傅里叶幅度谱比较。g) RGB图像的傅里叶幅度谱比较。
该研究实现了在标准硅光子平台上的全光比特级加密与解密，为安全光互连提供了一种基于物理层的加密机制。通过增加端口数与层数，可进一步扩展系统的密钥空间与并行度，从而实现更复杂的逻辑映射。仿真结果表明，系统在温度漂移与工艺偏差下仍保持稳定性能，展现出良好的鲁棒性。未来，该技术有望扩展至更高维度的多通道架构及可重构的动态加密系统，为片间光通信、光互连安全及光子信息处理等领域提供重要支撑。
哈尔滨工业大学（深圳）博士生王涛为论文第一作者，哈尔滨工业大学（深圳）徐科教授为论文通讯作者，哈尔滨工业大学（深圳）为通讯单位。本研究得到国家自然科学基金、深圳市科技创新委员会、广东省杰出青年自然科学基金的支持。
文章链接：
T. Wang, T. Dou, and K. Xu, “ Photonic Integrated Stream Cipher Using on-Chip Diffractive Metasurfaces.” Laser & Photonics Reviews (2025): e02184.
https://doi.org/10.1002/lpor.202502184
撰稿|课题组
