一种无偏量子熵源芯片结构制造技术

本发明专利技术公开了一种无偏量子熵源芯片结构，包括芯片基底材料，所述芯片基底材料上设置有平衡探测器模块和半导体自发辐射源模块，两个所述半导体自发辐射源模块发出的自发辐射光束分别进入一个所述平衡探测器模块的输入端。本发明专利技术由于两个半导体自发辐射模块位于同一片芯片上，当芯片外部环境变化时，这两个半导体自发辐射模块的参数变化可以认为是相同的，可以保证经过差分后的信号分布的无偏特性。

【技术实现步骤摘要】
一种无偏量子熵源芯片结构
本专利技术涉及半导体芯片
，具体为一种无偏量子熵源芯片结构。
技术介绍
随机数是密码学的重要资源之一，不论是对于经典密码学还是量子密码学来说，他们对随机数的随机性要求都非常严格，甚至是直接决定了绝大多数密码体系的安全性。此外，随机数在密码学之外的应用也非常广泛，包括在博彩活动、抽样统计、Monte-Carlo模拟以及一些计算科学中，都扮演着非常重要的角色。产生随机数的设备或模块被称为随机数发生器，它的核心器件被称为熵源。熵源是随机数发生器的随机性来源，它的质量直接决定了最终输出随机数序列的质量。目前，根据熵源的特性不同，可以将随机数的产生方法分为两大类：伪随机数发生器和物理随机数发生器。其中，伪随机数发生器一般基于预设的数学算法熵源，以计算机系统时刻等可获取的外部信息作为种子，由计算机等设备实现，这种随机数发生器可以以极快的速率稳定输出伪随机数序列，并且由算法保证了输出序列具有一定的统计特性，满足典型的随机性测试。但也由于伪随机数是基于确定算法产生的，其随机性来源仅为输入种子的随机性，所以当它被频繁使用时，是可以通过对已产生的随机数进行统计分析来进行预测的。故在信息安全或密码的应用中，算法随机数本质上的确定性是容易在被攻击者利用的。而物理类随机数则不同，它的随机性是基于一些非确定性的客观物理现象的熵源，包括了大气噪声，电子噪声，电路抖动等等，这些随机数发生器由探测这些物理现象的结果来产生随机数。同时如果这些物理现象为量子现象时，则将这一类的物理类熵源称为量子熵源，这些物理现象则包括真空涨落，相位噪声，辐射衰变等量子物理过程。由于量子物理过程的量子力学内禀随机性，量子随机数被普遍认为具有真随机性，无法被预测，是一种理想的随机数发生器，这类随机数发生器的真随机属性对于信息安全领域具有非常关键的作用。但是传统量子随机数发生器一般是基于分立元器件的系统，其中某些随机数系统要用到包括量子纠缠源以及单光子探测器等大体积，价格昂贵的器件，导致传统量子随机数发生器具有体积较大，功耗高，价格昂贵等问题，所以至今没有得到较为广泛的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种无偏量子熵源芯片结构，在外界环境变化的情况下，可以保持无偏性，使其更加适用于各种应用环境中，与传统量子熵源相比，价格和体积大幅度降低，可以最终实现低成本、高稳定性、小体积的量子随机数发生器，可以解决
技术介绍
中提出的问题。为实现上述目的，本专利技术一方面提供了一种无偏量子熵源芯片结构，包括芯片基底材料，所述芯片基底材料上设置有平衡探测器模块和半导体自发辐射源模块，两个所述半导体自发辐射源模块发出的自发辐射光束分别进入一个所述平衡探测器模块的输入端。优选的，所述平衡探测器模块包括两个光电探测器，两个所述光电探测器分别接受两个所述半导体自发辐射源模块发出的自发辐射光束并形成两个电流信号，所述平衡探测器模块将两个所述电流信号进行减法并输出差分信号。优选的，所述半导体自发辐射源模块为可产生放大自发辐射光束的光源模块。优选的，所述半导体自发辐射源模块为半导体光学放大器或超辐射发光二极管。优选的，还包括驱动电路模块、跨阻放大器模块、模拟-数字转换模块、后处理模块和随机数输出接口，所述驱动电路模块与所述半导体自发辐射源模块电性连接，所述平衡探测器模块、跨阻放大器模块、模拟-数字转换模块、后处理模块和随机数输出接口依次电性连接。优选的，所述芯片基底材料包括硅基二氧化硅、三五族半导体材料、氮氧化硅。本专利技术另一方面还提供了一种无偏量子熵源芯片结构，包括芯片基底材料，所述芯片基底材料上设置有光电探测器模块和半导体自发辐射源模块，两个所述半导体自发辐射源模块发出的自发辐射光束分别进入两个不同的所述光电探测器模块的输入端。优选的，还包括驱动电路模块、电流差分模块、跨阻放大器模块、模拟-数字转换模块、后处理模块和随机数输出接口，所述驱动电路模块与所述半导体自发辐射源模块电性连接，所述光电探测器模块、电流差分模块、跨阻放大器模块、模拟-数字转换模块、后处理模块和随机数输出接口依次电性连接。优选的，所述电流差分模块对两个所述光电探测器模块输出的光电流信号进行差分操作，形成差分电流。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：(1)本专利技术由于两个半导体自发辐射模块位于同一片芯片上，当芯片外部环境变化时，这两个半导体自发辐射模块的参数变化可以认为是相同的，所以，此时依然可以保证经过差分后的信号分布的无偏特性。(2)本专利技术产生的差分信号为期望值为0的无偏正态分布，有利于后续的模拟信号采集，同时，本专利技术对包括芯片外部温度等环境变化具有良好的抗性，与传统量子熵源相比，价格和体积大幅度降低，可以最终实现低成本、高稳定性、小体积的量子随机数发生器。附图说明图1为本专利技术的第一实施例的无偏量子熵源芯片结构的结构示意图；图2为本专利技术的第一实施例的无偏量子熵源芯片结构的另一结构示意图；图3、图4为本专利技术的第一实施例的平衡探测器模块的结构示意图；图5为本专利技术的半导体自发辐射源模块的自发辐射光束的光束强度分布图；图6为本专利技术的差分信号的示意图；图7为本专利技术的经过模拟-数字转换模块处理后的信号的示意图；图8为本专利技术的第二实施例的无偏量子熵源芯片结构的结构示意图；图9为本专利技术的第二实施例的无偏量子熵源芯片结构的另一结构示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。第一实施例图1示出了本实施例的无偏量子熵源芯片结构的结构示意图，本实施例的无偏量子熵源芯片结构包括芯片基底材料，所述芯片基底材料上设置有平衡探测器模块和半导体自发辐射源模块，两个所述半导体自发辐射源模块发出的自发辐射光束分别进入一个所述平衡探测器模块的输入端。其中，所述半导体自发辐射源模块包括半导体光学放大器(SOA)、超辐射发光二极管(SLED)等可产生放大自发辐射光束的光源模块。通过对该模块进行适当电流驱动，可以使其发射出放大自发辐射光束。器一般结构为片上半导体量子阱结构，并且根据特定光源参数在量子阱结构附近制作合适的DBR反射腔镜。平衡探测器(BalancedPhotonDetector，BPD)是一种广泛应用于相干光通信解码端的探测器结构，其典型原理图如图3和图4所示，一般由两个光电探测器(PIN)组成，通过将两个PIN管所产生的电流信号进行减法，从而输出相应的差分信号。在图3和图4中，虚线表示光束输入，实线表示电连接线，黑色方框代表电极Pad。无偏量子熵源芯片结构利用光子集成技术，通过刻蚀，激光直写等方法，将多个光学器件在同一芯片基底上制作出来，并通过光波导相互连接从而制作本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无偏量子熵源芯片结构，其特征在于，包括芯片基底材料，所述芯片基底材料上设置有平衡探测器模块和半导体自发辐射源模块，两个所述半导体自发辐射源模块发出的自发辐射光束分别进入一个所述平衡探测器模块的输入端。/n

【技术特征摘要】
1.一种无偏量子熵源芯片结构，其特征在于，包括芯片基底材料，所述芯片基底材料上设置有平衡探测器模块和半导体自发辐射源模块，两个所述半导体自发辐射源模块发出的自发辐射光束分别进入一个所述平衡探测器模块的输入端。


2.根据权利要求1所述的一种无偏量子熵源芯片结构，其特征在于，所述平衡探测器模块包括两个光电探测器，两个所述光电探测器分别接受两个所述半导体自发辐射源模块发出的自发辐射光束并形成两个电流信号，所述平衡探测器模块将两个所述电流信号进行减法并输出差分信号。


3.根据权利要求1所述的一种无偏量子熵源芯片结构，其特征在于，还包括驱动电路模块、跨阻放大器模块、模拟-数字转换模块、后处理模块和随机数输出接口，所述驱动电路模块与所述半导体自发辐射源模块电性连接，所述平衡探测器模块、跨阻放大器模块、模拟-数字转换模块、后处理模块和随机数输出接口依次电性连接。


4.一种无偏量子熵源芯片结构，其特征在于，包括芯片基底材料，所述芯片基底材料上设置有光电探测器模块和半导体自发辐射源模块，两个所述半导体自发辐射源模块发出的自发辐射光束分别进入...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁禹阳，刘午，王从柯，程翌婷，霍庆春，解正胜，
申请(专利权)人：合肥硅臻芯片技术有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽;34