CN113610238A - 基于硅基二氧化硅波导的量子随机数发生器及工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于硅基二氧化硅波导的量子随机数发生器及工作方法，按照驱动流程依次包括驱动电路模块、随机数光学结构、模拟‑数字转换模块和后处理模块，其中，随机数光学结构包括混合集成基板，所述混合集成基板安装有PLC波导，PLC波导包括50:50分束模块和50:50合束模块，并联有相位调节模块，对应光输入端并联有激光器芯片一和激光器芯片二，50:50合束模块对应光输出端依次安装有透镜三和探测器芯片一。提出了一种基于硅基二氧化硅波导混合集成的量子随机数发生器结构，利用这种结构，可以降低现有量子随机数发生器的体积，成本以及功耗，有利于大幅度拓宽量子随机数发生器的使用场景，和商业应用市场。
Description
技术领域
本发明属于量子随机数技术领域，特别是涉及基于硅基二氧化硅波导的量子随机数发生器及工作方法。
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。
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，伪随机数发生器一般基于预设的数学算法，以系统时刻等可获取的外部信息作为种子，有计算机等一起实现，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。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，理论上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。
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成为量子随机数发生器，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。
随着这个概念的提出，有关量子随机数发生器的理论和实验工作得到了长足的发展。但是现有量子随机数发生器一般是基于分离光学器件系统，仍然具有体积较大，功耗高，价格昂贵等问题，至今没有的到较为广泛的应用。
众所周知，集成光学是在同一衬底上集成光学元件，并通过高折射率光波导实现线路互联，以解决传统光学系统体积大，稳定性差，价格昂贵等问题，而在众多光波导材料中，硅基二氧化硅平面光波回路波导(PLC)由于其价格低廉，制作工艺成熟，成为了量子随机数集成化的一条优选路线之一。但同时，由于在PLC波导上无法实现激光器和探测器等有源器件结果，所以需要利用混合集成的办法将随机数发生器所需要的激光器和探测器同PLC波导结果进行组合，从而完成量子随机数发生器的设计和制作。
综上所述，本专利公布了基于硅基二氧化硅波导混合集成量子随机数发生器的实现方案，利用该方案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，从而推进量子随机数发生器的应用领域的拓宽和发展。
发明内容
本发明的目的在于提供基于硅基二氧化硅波导的量子随机数发生器及工作方法，解决了现有量子随机数发生器一般是基于分离光学器件系统，具有体积较大，功耗高，价格昂贵等问题，至今没有的到较为广泛的应用。
为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
基于硅基二氧化硅波导的量子随机数发生器，按照驱动流程依次包括驱动电路模块、随机数光学结构、模拟-数字转换模块和后处理模块；
其中，随机数光学结构包括混合集成基板，所述混合集成基板安装有PLC波导，所述PLC波导包括50:50分束模块和50:50合束模块，50:50分束模块和50:50合束模块之间并联有相位调节模块，所述50:50分束模块对应光输入端并联有激光器芯片一和激光器芯片二，所述激光器芯片一和激光器芯片二与50:50分束模块之间分别安装有透镜一和透镜二，所述50:50合束模块对应光输出端依次安装有透镜三和探测器芯片一。
进一步地，所述PLC波导包括50:50分束模块和50:50合束模块，50:50分束模块和50:50合束模块之间并联有相位调节模块一和相位调节模块二，所述50:50分束模块对应光输入端并联有激光器芯片一和激光器芯片二，所述激光器芯片一和激光器芯片二与50:50分束模块之间分别安装有透镜一和透镜二，所述50:50合束模块对应光输出端依次安装有透镜三和探测器芯片一。
进一步地，所述PLC波导包括并联于同一50:50合束模块三的两个50:50分束模块一，两个50:50分束模块一与50:50合束模块三之间分别串联有50:50合束模块一和50:50合束模块二，所述50:50分束模块一与50:50合束模块一之间并联有相位调节模块一，所述50:50分束模块一与50:50合束模块二之间并联有相位调节模块二；
两个50:50分束模块一对应光输入端分别串联有激光器芯片一和激光器芯片二，所述激光器芯片一和激光器芯片二与对应的50:50分束模块一之间分别安装有透镜一和透镜二，所述50:50合束模块三对应光输出端依次安装有透镜三和探测器芯片一。
进一步地，所述PLC波导包括并联于同一50:50合束模块三的两个50:50分束模块一，两个50:50分束模块一与50:50合束模块三之间分别串联有50:50合束模块一和50:50合束模块二，所述50:50分束模块一与50:50合束模块一之间并联有相位调节模块一和相位调节模块二，所述50:50分束模块一与50:50合束模块二之间并联有相位调节模块三和相位调节模块四；
两个50:50分束模块一对应光输入端分别串联有激光器芯片一和激光器芯片二，所述激光器芯片一和激光器芯片二与对应的50:50分束模块一之间分别安装有透镜一和透镜二，所述50:50合束模块三对应光输出端依次安装有透镜三和探测器芯片一。
进一步地，采用模斑转换模块一代替透镜一，采用模斑转换模块二代替透镜二，采用模斑转换模块三代替透镜三。
基于硅基二氧化硅波导的量子随机数发生器的工作方法，
(1)通过驱动电路模块，为激光器芯片一以及激光器芯片二提供电压驱动，使得这两个激光器芯片工作在增益开光模式下，各自发射出一连串相位无关的光脉冲；
(2)两个激光器的光脉冲各自通过对应的透镜后，进入PLC波导，随后在PLC波导内传输，通过调节驱动电路延迟或者波导长度，使得两个激光器芯片产生的光脉冲同时进入50:50分束模块中；
(3)在PLC波导芯片上的50∶50分束模块，相位调节模块，50∶50合束模块以及结构中间的波导组成一个等臂MZ干涉仪，其中需要保证经过50∶50分束模块的过脉冲通过干涉仪上下两臂到达50∶50合束模块的光程差相同，通过调节等臂MZ干涉仪中相位调节模块的相位，可以使这个等臂MZ成为一个可调分束比的光学分束器，两个激光器芯片发出的光脉冲在等臂MZ处干涉。
进一步地，激光器芯片一和激光器芯片二的光脉冲在等臂MZ处干涉，输出光强信号为：
这里I表示输出光强，I1和I2则表示激光器芯片一和激光器芯片二输出脉冲的强度，θ1和θ2分别表示激光器芯片一和激光器芯片二输出脉冲的相位。
进一步地，随机数发生器中，我们定义干涉可见度如下：
其中：
所以有：
进一步地，干涉后的随机光强信号会通过50:50合束模块经过波导，随后经过透镜聚束后进入探测器芯片一中，探测器芯片一对光脉冲光强进行探测，并将探测模拟信号结果，通过电线传递给模拟-数字转换模块，转换为数字信号后，进入后处理模块，后处理模块运行预制的后处理算法，提取随机数，然后将随机数信号通过随机数输出接口输出。
本发明具有以下有益效果：
提出了一种基于硅基二氧化硅波导混合集成的量子随机数发生器结构，利用这种结构，可以降低现有量子随机数发生器的体积，成本以及功耗，有利于大幅度拓宽量子随机数发生器的使用场景，和商业应用市场。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1：混合集成量子随机数发生器光学结构，实例1
图2：量子随机数发生器总结构示意图
图3：混合集成量子随机数发生器光学结构，实例2
图4：混合集成量子随机数发生器光学结构，实例3
图5：混合集成量子随机数发生器光学结构，实例4
图6：混合集成量子随机数发生器光学结构，实例5
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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
基于硅基二氧化硅波导的量子随机数发生器，按照驱动流程依次包括驱动电路模块、随机数光学结构、模拟-数字转换模块和后处理模块；如图2所示。其中，随机数光学结构包括混合集成基板，所述混合集成基板安装有PLC波导。
在图2中，驱动电路模块为光学结构中包括激光器芯片，探测器芯片以及相位调节模块等有源器件提供驱动信号，模拟-数字转换模块将探测器芯片探测到的模拟电信号结果转换为数字信号后发送给后处理模块，后处理模块一般是ASIC芯片或者FPGA芯片等数据处理芯片，后处理模块则对接收到的数字信号进行后处理，随后将生成的随机数通过随机数输出接口传输出去，供用户使用，一般输出接口包括网口，PCI-e，USB接口等常用数据接口。
其中，ASIC芯片是用于供专门应用的集成电路(ASIC，Application SpecificIntegrated Circuit)芯片技术。
FPGA芯片(Field－Programmable Gate Array)，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。
实施例1：
如图1所示：所述PLC波导包括50:50分束模块和50:50合束模块，50:50分束模块和50:50合束模块之间并联有相位调节模块，所述50:50分束模块对应光输入端并联有激光器芯片一和激光器芯片二，所述激光器芯片一和激光器芯片二与50:50分束模块之间分别安装有透镜一和透镜二，所述50:50合束模块对应光输出端依次安装有透镜三和探测器芯片一。
实施例2：
如图3所示：所述PLC波导包括50:50分束模块和50:50合束模块，50:50分束模块和50:50合束模块之间并联有相位调节模块一和相位调节模块二，所述50:50分束模块对应光输入端并联有激光器芯片一和激光器芯片二，所述激光器芯片一和激光器芯片二与50:50分束模块之间分别安装有透镜一和透镜二，所述50:50合束模块对应光输出端依次安装有透镜三和探测器芯片一。
实施例3：
如图4所示：所述PLC波导包括并联于同一50:50合束模块三的两个50:50分束模块一，两个50:50分束模块一与50:50合束模块三之间分别串联有50:50合束模块一和50:50合束模块二，所述50:50分束模块一与50:50合束模块一之间并联有相位调节模块一，所述50:50分束模块一与50:50合束模块二之间并联有相位调节模块二；
两个50:50分束模块一对应光输入端分别串联有激光器芯片一和激光器芯片二，所述激光器芯片一和激光器芯片二与对应的50:50分束模块一之间分别安装有透镜一和透镜二，所述50:50合束模块三对应光输出端依次安装有透镜三和探测器芯片一。
实施例4：
如图5所示：所述PLC波导包括并联于同一50:50合束模块三的两个50:50分束模块一，两个50:50分束模块一与50:50合束模块三之间分别串联有50:50合束模块一和50:50合束模块二，所述50:50分束模块一与50:50合束模块一之间并联有相位调节模块一和相位调节模块二，所述50:50分束模块一与50:50合束模块二之间并联有相位调节模块三和相位调节模块四；
两个50:50分束模块一对应光输入端分别串联有激光器芯片一和激光器芯片二，所述激光器芯片一和激光器芯片二与对应的50:50分束模块一之间分别安装有透镜一和透镜二，所述50:50合束模块三对应光输出端依次安装有透镜三和探测器芯片一。
实施例5：
如图6所示：采用模斑转换模块一代替透镜一，采用模斑转换模块二代替透镜二，采用模斑转换模块三代替透镜三。
激光器芯片：作为随机数发生器的物理光源，包括但不限于分布反馈式激光器(DFB)芯片，分布布拉格光栅激光器(DBR)芯片或者垂直腔面发射激光器(VCSEL)芯片等。
50:50分束(合束)模块：用于将光束按照50:50的分束比进行分束(合束)，其片上结构一般可以是直接耦合波导结构(DC)以及多模干涉仪结构(MMI)等。
相位调节模块：用于调节经过波导中光脉冲的相位，一般基于热光调制原理，通过外部供电，使得波导附近发生温度变化，从而完成相位调制。
探测器芯片：作为量子随机数发生器的探测部分，一般为PIN结构的探测器芯片。
PLC波导：硅基二氧化硅波导，一般利用刻蚀等工艺在二氧化硅基本上制作而成。
混合集成基板：作为光学部分混合集成的基板，一般为各种金属或者陶瓷材料，按照混合集成要求，设置成不同形状。随机数发生器所需元器件通过胶粘或键合工艺固定在基板上。
在各个图的光路中，虚线表示空间光路，实线表示波导光路，为了使随机数发生器能够正常工作。在系统中还需要相应的外部驱动电路以及后处理模块，图2中实现代表驱动线，或数据传输线等金属线。
在实施例1中，基于硅基二氧化硅波导的量子随机数发生器的工作方法，随机数发生器的随机源为激光器的相位噪声，实施步骤如下：
(1)通过驱动电路模块，为激光器芯片一以及激光器芯片二提供电压驱动，使得这两个激光器芯片工作在增益开光模式下，各自发射出一连串相位无关的光脉冲；
(2)两个激光器的光脉冲各自通过对应的透镜后，进入PLC波导，随后在PLC波导内传输，通过调节驱动电路延迟或者波导长度，使得两个激光器芯片产生的光脉冲同时进入50∶50分束模块中；
(3)在PLC波导芯片上的50∶50分束模块，相位调节模块，50∶50合束模块以及结构中间的波导组成一个等臂MZ干涉仪，其中需要保证经过50∶50分束模块的过脉冲通过干涉仪上下两臂到达50∶50合束模块的光程差相同，通过调节等臂MZ干涉仪中相位调节模块的相位，可以使这个等臂MZ成为一个可调分束比的光学分束器，两个激光器芯片发出的光脉冲在等臂MZ处干涉。
其中，激光器芯片一和激光器芯片二的光脉冲在等臂MZ处干涉，输出光强信号为：
这里I表示输出光强，I1和I2则表示激光器芯片一和激光器芯片二输出脉冲的强度，θ1和θ2分别表示激光器芯片一和激光器芯片二输出脉冲的相位。由于激光器芯片一和激光器芯片二发射的光脉冲的相位毫无关联，且由于光脉冲的发射建立在自发辐射基础上，所以相位完全随机，此时干涉结果的输出强度则完全随机，由于自发辐射现象是一种量子现象，这种随机性是量子随机性。
其中，随机数发生器中，我们定义干涉可见度如下：
其中：
所以有：
干涉可见度的大小与最终的随机数发生器的随机数生产效率相关，我们希望系统中V＝1。但是由于两个激光器芯片不可能完全相同，所以发射的光脉冲的强度I1和I2在实际情况下会有偏差，这里我们利用调节等臂MZ干涉仪中的相位调节模块的相位可以起到调节I1和I2强度的效果，从而使得干涉可见度保持为1。
其中，干涉后的随机光强信号会通过50：50合束模块经过波导，随后经过透镜聚束后进入探测器芯片一中，探测器芯片一对光脉冲光强进行探测，并将探测模拟信号结果，通过电线传递给模拟-数字转换模块，转换为数字信号后，进入后处理模块，后处理模块运行预制的后处理算法，提取随机数，然后将随机数信号通过随机数输出接口输出。
在实例2中，在等臂MZ的两臂上均有一个相位调节模块，可以通过分别调节两个相位调节模块的相位变化值，来调节最终的干涉可见度，效果和实例1相同，具体实施方法与实例1相同。
在实例3中，则分别利用两个等臂干涉仪直接对参与干涉光脉冲强度I1和I2进行调节，从而使得光脉冲在合束模块3上的干涉可见度为1。其余实施方法与实例1相同。
在实例4中，与实例3类似，分别利用两个等臂干涉仪直接对参与干涉的光脉冲强度I1和I2进行调节，区别对于单个等臂MZ，可以分别调节等臂MZ中的两个相位调节模块的相位值进行调节。其余操作方法与实例1相同。
此外，实例5以及他代表的其它实例1到实例4的变种实例的具体实施方式和对应的实例1到实例4均相同。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (9)
1.基于硅基二氧化硅波导的量子随机数发生器，其特征在于：
按照驱动流程依次包括驱动电路模块、随机数光学结构、模拟-数字转换模块和后处理模块；其中，随机数光学结构包括混合集成基板，所述混合集成基板安装有PLC波导；
所述PLC波导包括50:50分束模块和50:50合束模块，50:50分束模块和50:50合束模块之间并联有相位调节模块，所述50:50分束模块对应光输入端并联有激光器芯片一和激光器芯片二，所述激光器芯片一和激光器芯片二与50:50分束模块之间分别安装有透镜一和透镜二，所述50:50合束模块对应光输出端依次安装有透镜三和探测器芯片一。
2.根据权利要求1所述基于硅基二氧化硅波导的量子随机数发生器，其特征在于：所述PLC波导包括50:50分束模块和50:50合束模块，50:50分束模块和50:50合束模块之间并联有相位调节模块一和相位调节模块二，所述50:50分束模块对应光输入端并联有激光器芯片一和激光器芯片二，所述激光器芯片一和激光器芯片二与50:50分束模块之间分别安装有透镜一和透镜二，所述50:50合束模块对应光输出端依次安装有透镜三和探测器芯片一。
3.根据权利要求1所述基于硅基二氧化硅波导的量子随机数发生器，其特征在于：所述PLC波导包括并联于同一50:50合束模块三的两个50:50分束模块一，两个50:50分束模块一与50:50合束模块三之间分别串联有50:50合束模块一和50:50合束模块二，所述50:50分束模块一与50:50合束模块一之间并联有相位调节模块一，所述50:50分束模块一与50:50合束模块二之间并联有相位调节模块二；
两个50:50分束模块一对应光输入端分别串联有激光器芯片一和激光器芯片二，所述激光器芯片一和激光器芯片二与对应的50:50分束模块一之间分别安装有透镜一和透镜二，所述50:50合束模块三对应光输出端依次安装有透镜三和探测器芯片一。
4.根据权利要求1所述基于硅基二氧化硅波导的量子随机数发生器，其特征在于：所述PLC波导包括并联于同一50:50合束模块三的两个50:50分束模块一，两个50:50分束模块一与50:50合束模块三之间分别串联有50:50合束模块一和50:50合束模块二，所述50:50分束模块一与50:50合束模块一之间并联有相位调节模块一和相位调节模块二，所述50:50分束模块一与50:50合束模块二之间并联有相位调节模块三和相位调节模块四；
两个50:50分束模块一对应光输入端分别串联有激光器芯片一和激光器芯片二，所述激光器芯片一和激光器芯片二与对应的50:50分束模块一之间分别安装有透镜一和透镜二，所述50:50合束模块三对应光输出端依次安装有透镜三和探测器芯片一。
5.根据权利要求1-4任一项所述基于硅基二氧化硅波导的量子随机数发生器，其特征在于：采用模斑转换模块一代替透镜一，采用模斑转换模块二代替透镜二，采用模斑转换模块三代替透镜三。
6.基于硅基二氧化硅波导的量子随机数发生器的工作方法，其特征在于：
(1)通过驱动电路模块，为激光器芯片一以及激光器芯片二提供电压驱动，使得这两个激光器芯片工作在增益开光模式下，各自发射出一连串相位无关的光脉冲；
(2)两个激光器的光脉冲各自通过对应的透镜后，进入PLC波导，随后在PLC波导内传输，通过调节驱动电路延迟或者波导长度，使得两个激光器芯片产生的光脉冲同时进入50:50分束模块中；
(3)在PLC波导芯片上的50:50分束模块，相位调节模块，50:50合束模块以及结构中间的波导组成一个等臂MZ干涉仪，其中需要保证经过50:50分束模块的过脉冲通过干涉仪上下两臂到达50:50合束模块的光程差相同，通过调节等臂MZ干涉仪中相位调节模块的相位，可以使这个等臂MZ成为一个可调分束比的光学分束器，两个激光器芯片发出的光脉冲在等臂MZ处干涉。
7.根据权利要求6所述基于硅基二氧化硅波导的量子随机数发生器的工作方法，其特征在于：激光器芯片一和激光器芯片二的光脉冲在等臂MZ处干涉，输出光强信号为：
这里I表示输出光强，I1和I2则表示激光器芯片一和激光器芯片二输出脉冲的强度，θ1和θ2分别表示激光器芯片一和激光器芯片二输出脉冲的相位。
8.根据权利要求7所述基于硅基二氧化硅波导的量子随机数发生器的工作方法，其特征在于：随机数发生器中，我们定义干涉可见度如下：
其中：
所以有：
9.根据权利要求7所述基于硅基二氧化硅波导的量子随机数发生器的工作方法，其特征在于：干涉后的随机光强信号会通过50:50合束模块经过波导，随后经过透镜聚束后进入探测器芯片一中，探测器芯片一对光脉冲光强进行探测，并将探测模拟信号结果，通过电线传递给模拟-数字转换模块，转换为数字信号后，进入后处理模块，后处理模块运行预制的后处理算法，提取随机数，然后将随机数信号通过随机数输出接口输出。
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