一种无偏量子熵源芯片结构的制作方法

本发明涉及半导体芯片技术领域，具体为一种无偏量子熵源芯片结构。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本发明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，可以解决背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明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。

本发明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，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明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)本发明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，本发明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为本发明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为本发明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为本发明的第一实施例的平衡探测器模块的结构示意图；

图5为本发明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为本发明的差分信号的示意图；

图7为本发明的经过模拟-数字转换模块处理后的信号的示意图；

图8为本发明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为本发明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

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

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成的芯片，或者在多种材料基底上制作不同光器件，随后通过混合封装的形式制作而成的芯片。一般的芯片基底材料包括硅基二氧化硅，三五族半导体材料，氮氧化硅等光芯片材料。

图1示出了本实施例的无偏量子熵源芯片结构的另一结构示意图，为包括上述无偏量子熵源芯片结构组成的量子随机数发生器结构，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。

其中，跨阻放大器模块对差分电流信号进行适当的放大，以满足后续模拟-数字转换模块对采样模拟信号的需求；

模拟-数字转换模块一般包括比较器和dac等电子学结构，将模拟的熵源信号转变为相应的数字信号；

后处理模块用于将模拟-数字转换模块发射的数字信号经过特定后处理程序，提取并生成随机数序列，输出给随机数输出接口，后处理模块一般包括asic芯片或者fpga芯片等处理芯片；

随机数输出接口将经过后处理模块产生的随机数序列输出，供用户使用，一般输出接口包括网口，pci-e接口，usb接口等常用数据接口。

本实施例的工作过程如下：

1，半导体自发辐射源模块在驱动电路模块的电流驱动下，会产生放大的自发辐射光束。该光束具有较宽的光谱线宽，一般可达到太赫兹量级。自发辐射是一种强度随机的半导体发光过程，其强度噪声的来源为原子的随机跃迁导致的光子发射，随后在半导体结构中被放大为可以探测到的强度噪声。单个放大自发辐射源的光束强度分布为正态分布，如图5所示。

2，两个在相同材料下，同一片芯片上的自发辐射源具有良好的一致性，其自发辐射的分布非常接近，两束分布接近的自发辐射光束随后分别进入bpd中，在bpd中由光电二极管将光束的光强涨落转变为电流涨落，随后在芯片中进行差分，差分后的信号为一个期望值为0的无偏正态分布，如图6所示。

3，随后差分电流信号进入到跨阻放大器模块中，跨阻放大器模块将差分电流信号转变为电压信号，并根据后续模拟-数字转换模块所需要的电平值进行合理放大。

4，模拟-数字转换模块将采集到的模拟电压信号通过单次或多次比较转变为数字信号如图7所示，图7中以比较器为例，大于0电平的记为数字信号1，小于0电平的记为数字信号0。

5，后处理模块对经过处理后的数字信号按照预编写后处理算法进行后处理后，提取并生成随机数序列，随后将随机数序列发送给随机数输出接口。后处理算法一般包括连续异或，m-lsb算法，sha256算法等随机数压缩算法。

6，随机数输出接口将随机数序列输出，供用户使用。

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。

第二实施例

图8示出了本实施例的无偏量子熵源芯片结构的结构示意图，本实施例与第一实施例的区别在于用两个光电探测模块代替了第一实施例中的平衡探测器模块，所以为了实现两个光电流的差分，需要在熵源芯片外部的驱动电路中，需要进行相应的电流差分操作，以组成类似于第一实施例中的平衡探测器模块的结构。

图9示出了本实施例的无偏量子熵源芯片结构的另一结构示意图，为包括上述无偏量子熵源芯片结构组成的量子随机数发生器结构，与第一实施例的区别在于，在无偏量子熵源芯片结构与跨阻放大器模块之间设置了电流差分模块，电流差分模块对两个光电探测器模块所采集到的光电流进行差分操作，提取出相应的差分电流。

本实施例的工作过程如下：

1，半导体自发辐射源模块在驱动电路模块的电流驱动下，会产生放大的自发辐射光束。该光束具有较宽的光谱线宽，一般可达到太赫兹量级。自发辐射是一种强度随机的半导体发光过程，其强度噪声的来源为原子的随机跃迁导致的光子发射，随后在半导体结构中被放大为可以探测到的强度噪声。单个放大自发辐射源的光束强度分布为正态分布。

2，两个在相同材料下，同一片芯片上的自发辐射源具有良好的一致性，其自发辐射的分布非常接近，同样，对于同一个光芯片中的光电探测模块的参数也基本接近一致。两束分布接近的自发辐射光束随后分别进入两个光电探测模块中，光电探测模块将光束能量转变为电流涨落输出到芯片外电流差分模块。

3，电流差分模块将两个光电探测模块发射出的光电流进行差分操作，产生差分电流。

其后续的工作过程与第一实施例相同，在此不再赘述。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。