CN109542396A - 一种基于真空涨落原理的随机数熵源装置 - Google Patents

一种基于真空涨落原理的随机数熵源装置 Download PDF

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Abstract

一种基于真空涨落原理的随机数熵源装置，可调功率分束器其一个输入端连接信号输入Signal，另一个输入端悬空；可调功率分束器包括的两路输出端，两路输出端分别通过连接波导的两分路连接第一探测器芯片与第二探测器芯片，两分路连接波导具有相同的光程，第一探测器芯片与第二探测器芯片的输出端分别连接平衡零差电路的输入端，平衡零差电路的输出端连接运算放大器。与现有技术相比，本发明不需要VOA和VODL，减小了系统的复杂度，提高了系统可靠性。另外，本发明将通过波导工艺制作可调功率分束器和连接波导，相对于传统分立元件随机数熵源装置具有体积小、成本低、封装简单，电学控制简单等优点。

Description

一种基于真空涨落原理的随机数熵源装置
技术领域
本发明涉及量子相位编码技术领域，特别涉及一种基于真空涨落原理的随机数熵源装置。
背景技术
随着信息化的高速发展，人们对信息的安全越来越关注，为此，将密码学引入到信息系统来保障信息的安全。密码学的核心——密钥的质量主要依赖于随机数的不可预测性和不可重复性。因此，如何生成高质量随机数来满足密钥的需要是信息安全研究的重要方向。
量子随机数发生器是迄今为止唯一的从理论上可以论证的真正的随机数发生器，其本质是由量子力学的基本原理决定的。随着当前量子通信领域的高速发展，对真正的随机数发生器的性能和速度都提出了极大的要求(>10Gbps)。量子随机数发生器作为真随机数发生器产品，在实用化量子密码系统等对随机性质量和安全性要求较高的领域中具有重要的应用，其符合国际NIST标准和 AIS31标准等随机数检测标准，通过了国际最高级别的安全加密检测认证，主要应用于密钥分发系统和安全秘钥系统。
量子随机数熵源是决定量子随机数发生器性能的关键模块。其中，基于真空涨落的量子随机数发生器是最常见的随机数装置。其原理是：在量子光学中，真空态在相空间中的振幅和相位的正交分量不能同时被精确地探测。一般来说，传统的基于真空涨落的量子随机数熵源的装置图1所示：由3dB耦合器、可调光衰减器(Variable Optical Attenuator，VOA)、光纤可调延时线(Variable Optical Delay Line，VODL)、平衡零差探测器等分立元器件搭建组成。传统装置需要通过VOA和VODL控制3dB耦合器输出的两路光信号的强度完全相等且同时到达平衡零差探测器，来抑制经典噪声及产生高质量随机数信号。传统装置具有系统体积大、驱动控制复杂、系统稳定性差、成本高等缺点。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于真空涨落原理的随机数熵源装置，以解决了传统随机数熵源装置体积大、驱动控制复杂、系统稳定性差、成本高等问题。其原理是利用可调光功率分束器代替VOA和VODL实现基于真空涨落原理的随机数熵源装置的两路光的均衡性。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于真空涨落原理的随机数熵源装置，包括可调功率分束器、连接波导、第一探测器芯片与第二探测器芯片以及平衡零差电路，所述可调功率分束器其一个输入端连接信号输入Signal，另一个输入端悬空；可调功率分束器包括的两路输出端，所述两路输出端分别通过连接波导的两分路连接第一探测器芯片与第二探测器芯片，所述两分路连接波导具有相同的光程，所述的第一探测器芯片与第二探测器芯片的输出端分别连接平衡零差电路的输入端，所述平衡零差电路的输出端连接运算放大器。
优选地，所述可调功率分束器的结构为定向耦合器、2x2多模干涉耦合器(Multimode Interference,MMI)、马赫曾德干涉仪中的一种。
3、如权利要求1所述基于真空涨落原理的随机数熵源装置，其特征在于，所述可调功率分束器的材料为氧化硅波导、SiON波导、Si3N4波导、Si波导、Ge波导以及聚合物波导中的一种或是组合。
优选地，所述连接波导的外形包括条形、脊形、圆形或者扁平型。
优选地，所述连接波导的材料为氧化硅波导、SiON波导、Si3N4波导、Si 波导、Ge波导以及聚合物波导中的一种或是组合。
优选地，所述第一探测器芯片与第二探测器芯片为InGaAs探测器、Ge/Si 探测器、Si探测器中的一种。
优选地，所述第一探测器芯片与第二探测器芯片和连接波导、可调功率分束器的集成工艺为单片集成、混合集成、微组装集成工艺中的一种或者组合。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：
本发明的一种基于真空涨落原理的随机数熵源装置，利用将波导工艺实现可调功率分束器输出的两路光信号具有相等的强度和光程进入到探测器芯片上，并通过平衡零差电路产生高质量随机数信号。相比于传统的随机数熵源装置，本发明不需要VOA和VODL，减小了系统的复杂度，提高了系统可靠性。另外，本发明将通过波导工艺制作可调功率分束器和连接波导，相对于传统分立元件随机数熵源装置具有体积小、成本低、封装简单，电学控制简单等优点。
附图说明
图1为基于真空涨落原理的传统随机数熵源装置的原理框图；
图2为本发明一种基于真空涨落原理的随机数熵源装置的原理框图；
图3为本发明实施例一路光被探测时平衡零差电路的输出信号频谱；
图4为本发明实施例两路光被探测时平衡零差电路的输出信号频谱。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明进行清楚、完整地描述。
如图2所示，一种基于真空涨落原理的随机数熵源装置，包括可调功率分束器2-1、连接波导2-2、第一探测器芯片2-3-1与第二探测器芯片2-3-2、平衡零差电路2-4组成。所述可调功率分束器2-1其一个输入端连接信号输入Signal，另一个输入端悬空；其两个输出端通过波导2-2分别连接第一探测器芯片2-3-1 与第二探测器芯片2-3-2。所述的上下两路连接波导具有相同的光程。所述的第一探测器芯片2-3-1与第二探测器芯片2-3-2的输出端分别连接平衡零差电路2-4 的输入端，所述平衡零差电路2-4通过比较放大产生量子随机数信号。
所述可调功率分束器2-1和连接波导2-2采用氧化硅波导、SiON波导、Si3N4波导、Si波导、Ge波导以及聚合物波导中的一种或是组合制作。所述可调功率分束器的结构为定向耦合器(DC)或2x2多模干涉耦合器(MMI)或马赫曾德干涉仪结构，由任一端输入光信号，通过调节驱动电压使两路输出端的光信号相等。另外，可调功率分束器的光学带宽和光信号的波长是匹配的。所述连接波导用于连接可调功率分束器2-1和第一探测器芯片2-3-1与第二探测器芯片 2-3-2，连接波导2-2-1和2-2-2的光程在理论上是相等的，实际制作中两路的光程差通常小于1个光信号的波长，所以不需要VODL调节光程差，也省掉了相关的电学驱动控制。另外，本发明由于采用波导器件实现可调功率分束器2-1 和分立器件之间的光学连接，相对于传统分立元件随机数熵源装置具有体积小、成本低、封装简单，电学控制简单等优点。波导的材料包括硅、氧化硅、SiON、 Si3N4、聚合物(Polymer)等。采用硅材料制作的可调功率分束器2-1和连接波导2-2，首先在SOI(绝缘体上的硅)晶圆上利用紫外光刻工艺形成波导器件的掩膜图形，最后利用ICP(感应耦合等离子刻蚀)刻蚀工艺将掩膜图形转移到沉积的材料上形成波导。采用氧化硅、SiON、Si3N4材料制作的波导，首先需要利用化学气相沉积法(例如PECVD或LPCVD)将材料沉积在硅基芯片上，再利用紫外光刻工艺形成波导的掩膜图形，最后利用ICP(感应耦合等离子刻蚀)刻蚀工艺将掩膜图形转移到沉积的材料上形成波导。采用聚合物制作波导时，一般需要将聚合物材料通过甩胶工艺均匀旋涂在硅基芯片上，再利用光刻工艺或者纳米压印等工艺形成聚合物材料的波导。波导的结构包括条形、脊形、圆形、扁平型等。
所述第一探测器芯片2-3-1与第二探测器芯片2-3-2和连接波导2-2、3dB耦合器的集成工艺为单片集成、混合集成、微组装集成工艺。所述单片集成工艺，利用Si波导制作3dB耦合器和连接波导，利用Ge外延制作Ge/Si探测器。所述混合集成工艺，利用Si波导、SiON波导、Si3N4波导或者聚合物波导制作3dB 耦合器和连接波导，将InGaAs探测器利用flip-chip工艺或者键合工艺制作在衬底芯片上，通过连接波导进行连接。所述微组装集成工艺，利用Si波导、SiON 波导、Si3N4波导或者聚合物波导制作3dB耦合器和连接波导，将InGaAs探测器利用高精度的微组装工艺将探测器的探测器面和连接波导进行耦合对接。
共模抑制比(CMRR)是评价基于真空涨落原理的随机数熵源装置的一个重要指标，共模抑制越大说明经典噪声被抑制的越小，量子随机噪声的质量越好。本实施例按照图2结构设计，可调功率分束器2-1为SiO2波导制作的马赫曾德干涉仪结构，连接波导为的SiO2波导，探测器芯片为InGaAs探测器。
图3和图4是对本实施例CMRR的测试结果。当可调功率分束器2-1输出的两路光只有一路光被探测时，平衡零差电路的输出信号频谱如图3所示，在30MHz的频谱峰值为-1.5dBm；当可调功率分束器2-1输出的两路光都被探测时，平衡零差电路的输出信号的频谱如图4所示，在30MHz的频谱峰值为 -72.1dBm。共模抑制比为两者的差值，即为70.6dB，这要比传统装置46dB的共模抑制比更优。
综合本发明的结构与原理可知，本发明的一种基于真空涨落原理的随机数熵源装置，利用将波导工艺实现可调功率分束器输出的两路光信号具有相等的强度和光程进入到探测器芯片上，并通过平衡零差电路产生高质量随机数信号。相比于传统的随机数熵源装置，本发明不需要VOA和VODL，减小了系统的复杂度，提高了系统可靠性。另外，本发明将通过波导工艺制作可调功率分束器和连接波导，相对于传统分立元件随机数熵源装置具有体积小、成本低、封装简单，电学控制简单等优点。

Claims (7)

1.一种基于真空涨落原理的随机数熵源装置，其特征在于，包括可调功率分束器(2-1)、连接波导(2-2)、第一探测器芯片(2-3-1)与第二探测器芯片(2-3-2)以及平衡零差电路(2-4)，所述可调功率分束器(2-1)其一个输入端连接信号输入Signal，另一个输入端悬空；可调功率分束器(2-1)包括的两路输出端，所述两路输出端分别通过连接波导(2-2)的两分路连接第一探测器芯片(2-3-1)与第二探测器芯片(2-3-2)，所述两分路连接波导具有相同的光程，所述的第一探测器芯片(2-3-1)与第二探测器芯片(2-3-2)的输出端分别连接平衡零差电路(2-4)的输入端，所述平衡零差电路(2-4)的输出端连接运算放大器。
2.如权利要求1所述基于真空涨落原理的随机数熵源装置，其特征在于，所述可调功率分束器(2-1)的结构为定向耦合器、2x2多模干涉耦合器(Multimode Interference,MMI)、马赫曾德干涉仪中的一种。
3.如权利要求1所述基于真空涨落原理的随机数熵源装置，其特征在于，所述可调功率分束器(2-1)的材料为氧化硅波导、SiON波导、Si3N4波导、Si波导、Ge波导以及聚合物波导中的一种或是组合。
4.如权利要求1所述基于真空涨落原理的随机数熵源装置，其特征在于，所述连接波导(2-2)的外形包括条形、脊形、圆形或者扁平型。
5.如权利要求1所述基于真空涨落原理的随机数熵源装置，其特征在于，所述连接波导(2-2)的材料为氧化硅波导、SiON波导、Si3N4波导、Si波导、Ge波导以及聚合物波导中的一种或是组合。
6.如权利要求1所述基于真空涨落原理的随机数熵源装置，其特征在于，所述第一探测器芯片(2-3-1)与第二探测器芯片(2-3-2)为InGaAs探测器、Ge/Si探测器、Si探测器中的一种。
7.如权利要求1所述基于真空涨落原理的随机数熵源装置，其特征在于，所述第一探测器芯片(2-3-1)与第二探测器芯片(2-3-2)和连接波导(2-2)、可调功率分束器(2-1)的集成工艺为单片集成、混合集成、微组装集成工艺中的一种或者组合。
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