具体实施方式

以下，为了便于本领域技术人员理解本发明技术方案，现参照附图来做进一步说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。

在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

CPO光电共封装(Co-packaged Optics)技术是通过将光电芯片集成在一个封装内部，实现更短的互连距离、更好的高频性能，更小的损耗，传输带宽更大，集成度更高，封装更紧凑。利用CPO光电共封装技术，将多个相对独立的光电芯片实现混合封装，完成量子随机数产生的功能，这种量子随机数噪声源芯片制造方案，相比较而言，成本低，体积小，有利于量子随机数技术的大规模应用。

如图1～2所示，为本发明各个板块之间的连接关系示意图，本发明基于CPO光电共封装技术，提供了一种量子噪声源芯片模块的封装结构，包括腔体管壳1，管壳1内设置有竖直放置的第一基板2和水平放置的第二基板3，还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2的上表面，光电探测单元贴设在水平放置的第二基板3的上表面，第一基板2和第二基板3垂直排布，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形成严格对准，并在二者之间形成光路传输的自由空间4，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，并将其转换为射频电流信号，用于产生量子随机数噪声信号；跨阻放大器单元水平贴设在第二基板3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，用于对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。

本发明技术方案提供的基于光电共封装的量子噪声源模块，利用CPO光电共封装技术，将超辐射发光单元、光电探测单元封装于腔体管壳中，通过超辐射发光单元产生宽谱辐射光束，宽谱辐射光束经光路自由空间与光电探测单元空间耦合，光电探测器模块能够探测并采集入射的宽谱辐射光束，经光电探测器光电转换形成射频电流信号，经跨阻放大器单元进行放大输出，生成量子随机数噪声信号。本发明应用CPO光电共封装技术，将多个相对独立的光电芯片实现混合封装，通过将光电芯片垂直互连，完成量子随机数噪声信号产生的功能，这种量子随机数噪声信号源制造方案，相比较而言，成本低，体积小，有利于量子随机数技术的大规模应用。

下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明：

如图2所示，为本发明实施例提供的一种基于光电共封装的量子噪声源模块的俯视图，

本发明实施例中，超辐射发光单元为SLED超辐射电光二极管芯片21，光电探测单元为高带宽光电探测器PD芯片31，SLED芯片的放大自发辐射ASE噪声功率谱具有平坦特性,并且SLED芯片的线宽非常宽，达到10THz量级，近似理想的白噪声，具有超高随机数产生速率。所以本实施例中采用SLED芯片与PD芯片的方式，作为量子随机数发生器的量子熵源。目前量子随机数发生器QRNG正朝着小型化趋势发展，产生速率、实时性、小型化及稳定性是QRNG需要考虑的关键因素。用国产SLED芯片作为裸的光量子光源与国产光电探测器芯片直接空间高效光耦合的方式，实现全国产高速随机光量子噪声源芯片化的需求，替代支撑新一代物理噪声源芯片研制、高速光量子通信芯片研制。跨阻放大器单元为LNA低噪声放大器32，SLED芯片21通过金丝键合固定在第一基板2上，PD芯片31和LNA低噪声放大器32通过金丝键合固定在第二基板3上。

SLED芯片21的出光面和PD芯片31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4，SLED芯片21出光面与PD芯片31光敏面距离为50-70um，PD芯片31的带宽3GHz以上，LNA低噪声放大器32的带宽为6GHz以上，SLED芯片21自发产生宽谱辐射光束经光路自由空间与PD芯片31进行光耦合，PD芯片31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，实现SLED芯片21和PD芯片31芯片二者之间的垂直互连，用于产生量子随机数噪声信号。在所设计的自由空间光耦合结构中，用于进行光束收发器的SLED芯片21和PD芯片31的对准传输是其实现的关键，SLED芯片21为波导水平出光，且有一定的发散角，PD芯片31收光光窗方向是垂直的，在较高的传输速率下，PD芯片31的光敏面的面积约70μm，在与SLED芯片21的水平波导耦合时，二者的出光、收光方向是呈90°垂直。SLED芯片21通过金丝键合固定在第一基板2的上表面上，PD芯片31通过金丝键合固定在第二基板3上表面，第一基板2和第二基板3垂直排布，SLED芯片21的出光面与PD芯片的收光面正面对准排布，能够减少光束在射出波导芯片后经过中间介质时产生的损耗，有效的提供空间光路耦合效率，下表为当使用PD芯片31收光面为70um，采用正面对准收光时仿真结果数据：

经测算，采用正面直接对准的方式进行光耦合，空间光路耦合效率达到82％，实现全国产高速随机光量子噪声源芯片化的需求，耦合效率达到80％以上，解决了微小空间环境下光电芯片高效空间耦合效率的难题。

LNA低噪声放大器32水平贴设在第二基板3上，LNA低噪声放大器32的输入端与PD芯片31的输出端连接，用于对PD芯片31产生的射频电流信号进行跨阻放大后输出，第一基板2和第二基板3的底面用于与外部电路连接。

第一基板2和第二基板3为氮化铝陶瓷基板，第二基板3的表面均覆盖有镀金层，覆盖镀金层一方面便于射频传输线的印制。

本实施例中，PD芯片31，PD芯片31的带宽3GHz以上，LNA低噪声放大器32的带宽为6GHz以上。

本发明实施例的射频电流信号采用共面波导馈电进行传输，这样有利于降低射频空间辐射，同时保证较好的射频阻抗控制。第一基板2和第二基板3上印制有多条微带馈线5、微带馈线的特性阻抗为50欧姆，微带馈线5转角处存在90°直角，并在直角弯曲处进行45°外斜切，此时直角弯曲处的特性阻抗不连续性最小，使得信号传输特性能够达到最佳状态。

如图3所示，为本发明基于光电共封装的量子噪声源模块的另一个实施例的结构示意图，作为更优化的方案，在管壳1内还包括热敏电阻6和TEC温度控制单元7和匹配电容8，热敏电阻6贴设于第一基板2上，用于采集SLED芯片21的工作温度，TEC温度控制单元7安装在管壳的内底面上且其冷面朝上布置，用于获取热敏电阻采集的SLED芯片21的温度，并对管壳1内进行温度控制，由于LNA低噪声放大器32在工作时会产生较多热量，而SLED芯片21属于温度敏感型芯片，易受到温度的影响，在高低温下的输出光功率与常温下有偏差，因此为了保证SLED芯片21的稳定可靠工作，在管壳1内采用TEC温度控制单元7和热敏电阻6形成一个温度控制回路，能有效控制SLED芯片21的温度，有效避免温度过高产生的影响，稳定性好，从而解决了现有发光二极管器件外形尺寸大、功耗高的问题。

本实施例中，由于散热需求，管壳1采用采用热导率高、热膨胀系数匹配的可伐合金材质，该合金在20～450℃范围内具有与硬玻璃相近的线膨胀系数和其进行有效封接匹配，容易焊接和熔接。

管壳1采用平行缝焊密封方式进行气密封装，在焊接的局部产生高温，而在外壳内部的芯片温度低，因而不会对芯片产生热冲击，在管壳1的底部设有电路板12，用于与第一基板2和第二基板3的底面连接，并与外部电路连接，管壳的最终外形尺寸为7.4mm×5.4mm×5.2mm。本装置整体结构通过应用CPO光电共封装技术，将多个相对独立的光电芯片实现混合封装，实现了光子源模块小型化封装技术的自主可控，从根本上解决了量子随机数发生器高速化、小型化、系统稳定化的难题。

如图4所示，为本发明提供的一种基于光电共封装的量子噪声源模块生成量子噪声源的方法，包括：

步骤1：通过超辐射发光单元产生宽谱辐射光束；

步骤2：宽谱辐射光束经光路自由空间4与光电探测单元空间耦合，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；

步骤3: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，跨阻放大器单元的输入端接收射频电流信号并进行跨阻放大处理；

步骤4:跨阻放大器单元将放大后的射频电流信号向外输出。

其中，超辐射发光单元为SLED芯片21，光电探测单元为高带宽光电探测器PD芯片31，SLED芯片21的出光面和PD芯片31的光敏面严格对准，跨阻放大器单元为LNA低噪声放大器32，通过将超辐射SLED芯21片输出的宽谱辐射光束通过自由空间4与光电探测器PD芯片31实现光耦合，入射到光电探测器PD芯片31的光敏面，光电探测器PD芯片31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32进行放大后输出。

通过上述描述可知，本发明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，通过将光电芯片正对排布垂直互连，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。本发明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×5.4mm×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。本发明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。本发明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。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。