基于光电共封装的量子噪声源模块及量子噪声源生成方法技术

本发明专利技术公开了一种基于光电共封装的量子噪声源模块及量子噪声源生成方法，包括超辐射发光单元、光电探测单元和跨阻放大器单元，超辐射发光单元贴设在竖直放置的第一基板上表面，光电探测单元贴设在水平放置的第二基板上表面，超辐射发光单元的出光面和光电探测单元的光敏面正对排布并在二者之间形成光路传输自由空间，超辐射发光单元自发产生宽谱辐射光束经光路自由空间与光电探测单元进行光耦合，光电探测单元的输入端探测并采集入射的光信号，跨阻放大器单元水平贴设在第二基板上，跨阻放大器单元的输入端与光电探测单元的输出端连接，本发明专利技术利用CPO光电共封装技术，将光电芯片共同封装于壳体内，实现了量子随机数发生器国产化、小型化和稳定化。小型化和稳定化。小型化和稳定化。

【技术实现步骤摘要】
基于光电共封装的量子噪声源模块及量子噪声源生成方法


[0001]本专利技术涉及量子随机数
，特别涉及一种基于光电共封装的量子噪声源模块及量子噪声源生成方法。

技术介绍

[0002]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。
[0003]目前，基于产生方法和输出序列的特征，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，物理类随机数的随机性是基于一些非确定性的客观物理现象的随机性，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，则将这一类的物理随机数发生器称为量子随机数发生器(QRNG)，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，量子随机数发生器(QRNG)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。
[0004]现有的量子随机数发生器(QRNG)一般是基于分离的光学器件系统，大多采用的是进口激光器+光纤+连接器+进口探测器+微波放大器的器件集成实现方式，这种实现方式存在生成成本较高，无法实现国产化的缺点，同时模块内元器件及盘纤所占空间较大，导致集成封装的整体体积较大，也不利于量子随机数发生器趋向小型化发展的需求。
[0005]另外，在推行量子随机数发生器芯片化的过程中，芯片间光互连实现难度仍然较大，其关键问题在于光电子器件相关加工工艺与CMOS工艺并不兼容。常规的光电芯片空间光路耦合采用的是封装基板平行对接的方式，耦合度角度，稳定性较差，满足不了小型化集成封装的需求。如何在微小空间(7.5mm
×
5.4mm
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5.4mm)内实现光电芯片间的高效率(不低于60％)耦合，是目前亟需解决的问题。

技术实现思路

[0006]为解决
技术介绍
中的技术问题，本专利技术提供了一种基于光电共封装的量子噪声源模块及量子噪声源生成方法，该封装结构利用CPO光电共封装(Co
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packaged Optics)技术，解决了量子随机数发生器(QRNG)国产化、小型化，系统稳定化的技术问题。
[0007]本专利技术采用如下的技术方案：一种基于光电共封装的量子噪声源模块，封装在腔体管壳内，包括超辐射发光单元、光电探测单元和跨阻放大器单元，所述超辐射发光单元贴设在竖直放置的第一基板的上表面，所述光电探测单元贴设在水平放置的第二基板的上表面，所述第一基板和第二基板垂直排布，所述超辐射发光单元的出光面和光电探测单元的光敏面正对排布并在二者之间形成光路传输的自由空间，所述超辐射发光单元自发产生宽谱辐射光束经光路自由空间与所述光电探测单元进行光耦合，所述光电探测单元的输入端探测并采集入射的光信号，并将其转换为射频电流信号；所述跨阻放大器单元水平贴设在第二基板上，所述跨阻放大器单元的输入端与所述光电探测单元的输出端连接，用于对所
述光电探测器单元产生的射频电流信号进行跨阻放大后输出。
[0008]作为优化方案，所述超辐射发光单元为SLED芯片，所述光电探测单元为高带宽光电探测器PD芯片，所述跨阻放大器单元为LNA低噪声放大器，所述SLED芯片通过金丝键合固定在所述第一基板上，所述PD芯片通过金丝键合固定在所述第二基板上，所述LNA低噪声放大器安装在所述第二基板上。
[0009]作为优化方案，所述SLED芯片出光面与PD芯片光敏面距离为50
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70um，所述PD芯片的带宽3GHz以上，所述LNA低噪声放大器的带宽为6GHz以上。
[0010]作为优化方案，所述第一基板和第二基板为氮化铝陶瓷基板，所述第二基板的表面均覆盖有镀金层；所述第一基板和第二基板利用共面波导的方式进行传输线为50欧姆阻抗匹配，传输线转角处存在90
°
直角，并在直角弯曲处进行45
°
外斜切。
[0011]作为优化方案，管壳内还包括热敏电阻和TEC温度控制单元，所述热敏电阻贴设于所述第一基板上，用于采集所述SLED芯片的工作温度，所述TEC温度控制单元安装在管壳的内底面上且其冷面朝上布置，用于获取所述热敏电阻采集的所述SLED芯片的温度，并对管壳内进行温度控制。
[0012]作为优化方案，所述管壳为可伐合金材质，所述管壳采用平行缝焊密封方式进行气密封装，管壳的一端设有开口，管壳的底部设置有电路板，用于与所述第一基板和第二基板的底面连接，并与外部电路连接，所述管壳的外形尺寸为7.4mm
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5.4mm
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5.2mm。
[0013]本专利技术还提供了一种基于光电共封装的量子噪声源模块的量子噪声源生成方法，包括：
[0014]S1：通过超辐射发光单元产生宽谱辐射光束；
[0015]S2：所述宽谱辐射光束经所述自由空间与光电探测单元光耦合，所述光电探测单元的光敏面正面采集入射的宽谱辐射光束后转换为射频电流信号；
[0016]S3:所述光电探测单元的输出端输出射频电流信号并传输至跨阻放大器单元，所述跨阻放大器单元的输入端接收所述射频电流信号并进行跨阻放大处理；
[0017]S4:所述跨阻放大器单元将放大后的射频电流信号向外输出。
[0018]作为优化方案，所述超辐射发光单元为SLED芯片，所述光电探测单元为高带宽光电探测器PD芯片，所述SLED芯片的出光面和PD芯片的光敏面严格对准，所述跨阻放大器单元为LNA低噪声放大器，通过将SLED芯片输出的宽谱辐射光束通过自由空间入射到光电探测器PD芯片的光敏面，光电探测器PD芯片将宽谱辐射光束光电转换后形成射频电流信号经LNA低噪放大器进行放大后输出。
[0019]与现有技术相比，本专利技术的优点在于：
[0020]本专利技术技术方案提供的基于光电共封装的量子噪声源模块及量子噪声源生成方法中，利用CPO光电共封装，将光电芯片共同封装于壳体内，通过将光电芯片垂直互连，实现更短的互连距离、更好的高频性能，并且集成度更高，封装更紧凑，有利于量子随机数技术的大规模应用和发展；
[0021]本专利技术通过空间光耦合系统结构，采用镀金陶瓷基板垂直互连、侧面收光直接对准的方式，完成了空间光路高效率耦合关键核心技术攻关，实现了在7.5mm
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5.4mm
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5.4mm的微小空间内SLED芯片和PD芯片间高效率耦合，耦合效率可达82％，实现全国产高速随机光量子噪声源芯片化的需求。
[0022]本专利技术中整体封装在小型的管壳内，减少了环境温度影响，同时在管壳内采用TEC制冷器和热敏电阻形成一个温度控制回路，能有效控制SLED芯片的温度，有效避免温度过高产生的影响，稳定性好。
[0023]本专利技术同时优化了封装寄生效应，降低了射频反射及损耗，提高了射频传输线的传输效率。
附图说明
[0024本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光电共封装的量子噪声源模块，封装在腔体管壳内，其特征在于:包括超辐射发光单元、光电探测单元和跨阻放大器单元，所述超辐射发光单元贴设在竖直放置的第一基板的上表面，所述光电探测单元贴设在水平放置的第二基板的上表面，所述第一基板和第二基板垂直排布，所述超辐射发光单元的出光面和光电探测单元的光敏面严格对准并在二者之间形成光路传输的自由空间，所述超辐射发光单元自发产生宽谱辐射光束经光路自由空间与所述光电探测单元进行光耦合，所述光电探测单元的输入端探测并采集入射的光信号，并将其转换为射频电流信号；所述跨阻放大器单元水平贴设在第二基板上，所述跨阻放大器单元的输入端与所述光电探测单元的输出端连接，用于对所述光电探测器单元产生的射频电流信号进行跨阻放大后输出。2.根据权利要求1所述的基于光电共封装的量子噪声源模块，其特征在于：所述超辐射发光单元为SLED芯片，所述光电探测单元为高带宽光电探测器PD芯片，所述跨阻放大器单元为LNA低噪声放大器，所述SLED芯片通过金丝键合固定在所述第一基板上，所述PD芯片通过金丝键合固定在所述第二基板上，所述LNA低噪声放大器安装在所述第二基板上。3.根据权利要求2所述的基于光电共封装的量子噪声源模块，其特征在于：所述SLED芯片出光面与PD芯片光敏面距离为50
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70um，所述PD芯片的带宽3GHz以上，所述LNA低噪声放大器的带宽为6GHz以上。4.根据权利要求3所述的基于光电共封装的量子噪声源模块，其特征在于：所述第一基板和第二基板为氮化铝陶瓷基板，所述第二基板的表面均覆盖有镀金层；所述第一基板和第二基板利用共面波导的方式进行传输线为50欧姆阻抗匹配，传输线转角处存在90度直角，并在直角弯曲处进行45
°
外斜切。5.根据权利要求4所述的基于光...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛叙，徐兵杰，陆兆辉，徐律，樊矾，
申请(专利权)人：安徽光纤光缆传输技术研究所中国电子科技集团公司第八研究所，
类型：发明
国别省市：