本发明属于量子随机数，具体涉及一种基于混合集成光芯片的低功耗量子随机数发生器。
背景技术：
1、真随机数在计算机网络、信息安全等各个领域都有着重要的应用，然而目前常见的随机数大多为使用确定的已知算法，依靠计算机模拟产生的伪随机数。或者是从某些经典物理噪声，如热噪声、电学噪声中提取随机数。理论上，经典物理过程涉及到的变量多而复杂，难以精确确定真随机性的熵值，而量子物理过程所产生的随机性是完全真随机的。
2、量子随机数发生器的随机性源自于量子物理基本原理，相比伪随机数发生器和传统的噪声源随机数发生器，量子随机数发生器的熵源更加清晰。
技术实现思路
1、针对以往基于真空散粒噪声来生成量子随机数的随机数发生器体积较大，功耗较高，一般需要外接光源和光电二极管的问题，本发明提供了一种基于混合集成光芯片的低功耗量子随机数发生器。
2、为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
3、一种基于混合集成光芯片的低功耗量子随机数发生器，其结构主要由混合集成光芯片、fpga(现场可编程门阵列)、可调节恒流源电路和偏置电压电路组成；
4、其中，所述混合集成光芯片的整体结构主要由光学部分和电学部分组成；所述光学部分包括激光器芯片、硅基光电子芯片；所述电学部分为tia(跨组放大电路)；所述混合集成光芯片的整体结构还包括用于封装混合集成光芯片的大陶瓷基板、用于固定激光器芯片的小陶瓷基板；
5、所述fpga主要由adc(模数转化器)、以托普利兹矩阵乘法为核心的toeplitzextractor、usb接口构成；
6、混合集成光芯片将激光器芯片和硅基光电子芯片采用端面耦合的方法进行封装；之后再经过金丝键合的方式与tia(跨组放大电路)进行连接，完成混合集成光芯片整体的混合封装；在数百毫安级的可调节恒流源电路驱动下，激光器芯片能够产生毫瓦级的激光，经端面耦合结构进入硅基光电子芯片。在1×2多模干涉耦合器1、1×2多模干涉耦合器2和1×2多模干涉耦合器3共同的作用下，将两束功率相同的激光并分别注入至级联的锗硅光电二极管1和级联的锗硅光电二极管2中。其输出的光电流信号相减后输入至tia，经tia输出高信噪比的真空散粒噪声信号，作为量子随机数发生器的熵源；fpga部分主要由adc(模数转换器)、toeplitz extractor(随机性提取器)、usb接口构成。能将真空散粒噪声信号实时转化成数十吉比特每秒的量子随机数，并通过usb接口进行输出。
7、所述混合集成光芯片组成部分中激光器芯片的正极和负极分别位于芯片上下两表面，出光口端面出光后直接耦合至硅基光电子芯片；固定激光器芯片的小陶瓷基板上有两个焊盘，负极焊盘和正极焊盘表面均涂有焊料，采用倒装共晶焊接的方式将激光器芯片的负极焊接至负极焊盘，采用金丝键合的方式将正极焊盘和激光器芯片的正极进行连接；大陶瓷基板表面有对应的焊盘1，用于小陶瓷基板和大陶瓷基板的转接；大陶瓷基板表面有对应的焊盘2，用于大陶瓷基板和外接pcb板的转接。
8、所述混合集成光芯片组成部分中的硅基光电子芯片上的结构包括端面耦合结构：激光器芯片输出激光通过端面耦合的方式进入到硅基光电子芯片中；1×2多模干涉耦合器1、1×2多模干涉耦合器2和1×2多模干涉耦合器3：进入到硅基光电子芯片中的激光，在经过1×2多模干涉耦合器1、1×2多模干涉耦合器2和1×2多模干涉耦合器3后，均可以分成两束功率相同的激光；垂直耦合结构1和垂直耦合结构2：使用光纤垂直耦合的方式，通过垂直耦合结构2将激光输入至功率计中，用于监测进入到硅基光电子芯片中的光功率；垂直耦合结构1则能将外部激光导入到硅基光电子芯片中来测量共模抑制比；级联的锗硅光电二极管1和级联的锗硅光电二极管2：将输入级联的锗硅光电二极管1和级联的锗硅光电二极管2的激光转化为光电流；级联的锗硅光电二极管公共端相连的焊盘：用于输出相减后的光电流。
9、所述混合集成光芯片中的激光器芯片与硅基光电子芯片的封装过程为：使用临时pcb载板固定激光器芯片并使用对准平台上的气泵固定硅基光电子芯片后，先将激光器芯片的出光口与硅基光电子芯片上的端面耦合结构大致对准；再使用光纤与硅基光电子芯片上的垂直耦合结构2耦合对准；通过测量经光纤输出激光的光功率判断损耗，对比理论损耗与实际损耗的差异，判断激光器出光口与硅基光电子芯片上的端面耦合结构是否完全耦合；再不断微调对准平台，使得实际损耗不断减小并达到可接受的范围内；
10、对准后的激光器芯片和硅基光电子芯片先使用uv胶固定，再将固定好的芯片在底部使用导热胶固定到大陶瓷基板上；用于固定激光器芯片的小陶瓷基板上的负极焊盘和正极焊盘、硅基光电子芯片上级联的锗硅光电二极管正负极相连的负极焊盘1、级联的锗硅光电二极管正负极相连的正极焊盘2、级联的锗硅光电二极管公共端相连的焊盘，都通过金丝键合方式分别与大陶瓷基板上对应位置的焊盘连接；最后，再通过导线将焊盘分别与可调节恒流源电路和可调节偏置电压电路连接。
11、一种基于混合集成光芯片的低功耗量子随机数发生器采用以下技术方案实现：激光器芯片的负极通过倒装共晶焊接的方式贴合在小陶瓷基板的焊盘上，正极通过金丝键合的方式与小陶瓷基板上的镀金焊盘连接，激光器芯片出光口整体凸出于陶瓷基板40um，用机械调试将激光器芯片的出光口和硅基光电子芯片上波导的入射口端面耦合对准。光纤与硅基光电子芯片上垂直耦合结构2进行垂直耦合，通过测量激光器入射到硅基光电子芯片的光功率损耗来判断是否对准。对准后使用uv胶将激光器芯片与硅基光电子芯片封装固定为一个整体，再使用导热胶将整体的背面与大陶瓷基板贴合；使用金丝键合将激光器芯片与可调节恒流源电路相连接，硅基光电子芯片上级联的锗硅光电二极管正负极相连的负极焊盘1和级联的锗硅光电二极管正负极相连的正极焊盘2，分别和偏置电压电路的正极和负极相连接。最终硅基光电子芯片上级联的锗硅光电二极管1和级联的锗硅光电二极管2共接收到1mw的1550nm激光，级联的锗硅光电二极管的公共端输出光电流信号，通过金丝键合方式与tia连接。并通过tia将光电流信号转为电压信号。电压信号经过adc后成为原始的随机数序列，再经过toeplitz extractor后生成量子随机数序列。最后，使用usb接口输出量子随机数。
12、与现有技术相比本发明具有以下优点：
13、本发明设计的一种基于混合集成光芯片的低功耗量子随机数发生器具有低噪声、高增益、高信噪比、高共模抑制比、低功耗的优点。同时不需要外接高功率激光器和光电二极管，可以在1mw的1550nm激光下，生成速率为数十吉比特每秒的量子随机数，且整体功耗仅有1.3w。
1.一种基于混合集成光芯片的低功耗量子随机数发生器，其特征在于，其结构主要由混合集成光芯片(1)、fpga(4)、可调节恒流源电路(5)和偏置电压电路(6)组成；
2.根据权利要求书1所述的一种基于混合集成光芯片的低功耗量子随机数发生器，其特征在于，所述混合集成光芯片(1)组成部分中激光器芯片(13)的正极和负极分别位于芯片上下两表面，激光器芯片的出光口(21)端面出光后直接耦合至硅基光电子芯片(12)；固定激光器芯片(13)的小陶瓷基板(11)上有两个焊盘，负极焊盘(14)和正极焊盘(15)表面均涂有焊料，采用倒装共晶焊接的方式将激光器芯片(13)的负极焊接至负极焊盘(14)，采用金丝键合的方式将正极焊盘(15)和激光器芯片(13)的正极进行连接；大陶瓷基板(10)表面有对应的焊盘1(16)，用于小陶瓷基板(11)和大陶瓷基板(10)的转接；大陶瓷基板表面有对应的焊盘2(18)，用于大陶瓷基板和外接pcb板的转接。
3.根据权利要求书2所述的一种基于混合集成光芯片的低功耗量子随机数发生器，其特征在于，所述混合集成光芯片(1)组成部分中的硅基光电子芯片(12)上的结构包括端面耦合结构(22)：激光器芯片(13)输出激光通过端面耦合的方式进入到硅基光电子芯片(12)中；1×2多模干涉耦合器1(23)、1×2多模干涉耦合器2(25)和1×2多模干涉耦合器3(27)：进入到硅基光电子芯片(12)中的激光，在经过1×2多模干涉耦合器1(23)、1×2多模干涉耦合器2(25)和1×2多模干涉耦合器3(27)后，均可以分成两束相同功率的激光；垂直耦合结构1(24)和垂直耦合结构2(26)：使用光纤垂直耦合的方式，通过垂直耦合结构2(26)将激光输入至功率计中，用于监测进入到硅基光电子芯片(12)中的光功率；垂直耦合结构1(24)则能将外部激光导入到硅基光电子芯片(12)中来测量共模抑制比；级联的锗硅光电二极管1(28)和级联的锗硅光电二极管2(29)：将输入级联的锗硅光电二极管1(28)和级联的锗硅光电二极管2(29)的激光转化为光电流；级联的锗硅光电二极管公共端相连的焊盘(32)：用于输出相减后的光电流。
4.根据权利要求书3所述的一种基于混合集成光芯片的低功耗量子随机数发生器，其特征在于，所述混合集成光芯片(1)中的激光器芯片(13)与硅基光电子芯片(12)的封装过程为：使用临时pcb载板(19)固定激光器芯片(13)并使用对准平台上的气泵(20)固定硅基光电子芯片(12)后，先将激光器芯片的出光口(21)与硅基光电子芯片(12)上的端面耦合结构(22)大致对准；再使用光纤(33)与硅基光电子芯片(12)上的垂直耦合结构2(26)耦合对准；通过测量经光纤(33)输出激光的光功率判断损耗，对比理论损耗与实际损耗的差异，判断激光器芯片的出光口(21)与硅基光电子芯片(12)上的端面耦合结构(22)是否完全耦合；再不断微调对准平台，使得实际损耗不断减小并达到可接受的范围内；
5.一种基于混合集成光芯片的低功耗量子随机数发生器采用以下技术方案实现：激光器芯片(13)的负极通过倒装共晶焊接的方式贴合在小陶瓷基板(11)的焊盘上，正极通过金丝键合的方式与小陶瓷基板(11)上的镀金焊盘连接，激光器芯片的出光口(21)整体凸出于陶瓷基板40um，用机械调试将激光器芯片的出光口(21)和硅基光电子芯片(12)上波导的入射口端面耦合对准；光纤(33)与硅基光电子芯片(12)上垂直耦合结构2(26)进行垂直耦合，通过测量激光器入射到硅基光电子芯片(12)的光功率损耗来判断是否对准；对准后使用uv胶将激光器芯片(13)与硅基光电子芯片(12)封装固定为一个整体，再使用导热胶将整体的背面与大陶瓷基板(10)贴合；使用金丝键合将激光器芯片(13)与可调节恒流源电路(5)相连接，硅基光电子芯片(12)上级联的锗硅光电二极管正负极相连的负极焊盘1(30)和级联的锗硅光电二极管正负极相连的正极焊盘2(31)，分别和偏置电压电路(6)的正极和负极相连接；最终硅基光电子芯片(12)上级联的锗硅光电二极管1(28)和级联的锗硅光电二极管2(29)共接收到1mw的1550nm激光，级联的锗硅光电二极管公共端相连的焊盘(32)输出光电流信号，通过金丝键合方式与tia(17)连接；并通过tia(17)将光电流信号转为电压信号；电压信号经过adc(7)后成为原始的随机数序列，再经过toeplitz extractor(8)后生成量子随机数序列；最后，使用usb(9)接口输出量子随机数。