基于芯片化光电共封装的量子噪声源模块

薛叙，陆兆辉，徐兵杰，栾添

（1.中国电子科技集团公司第八研究所，安徽 合肥 230041；2.宇航光纤互连技术安徽重点实验室，安徽 合肥 230041；3.中国电子科技集团公司第三十研究所，四川 成都 610000；4.中国电子科学研究院，北京 100041）

0 引言

量子随机数发生器（QRNG）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。基于激光光子技术的量子随机数发生器（QRNG）即实用化QRNG，因其出色的性能和较为成熟的工艺而成为QRNG技术的主流。目前实用化的量子随机数产生技术已经十分成熟，有很多公司先后推出了基于不同方案实现的高速量子随机数发生器产品。在降低成本和缩小体积方面，芯片化是量子随机数发生器产品的发展趋势[1]。现有的量子随机数发生器（QRNG）一般是基于分立的光学器件系统，大多采用的是“进口激光器+光纤+连接器+进口探测器+微波放大器”的器件集成实现方式，这种实现方式存在生产成本较高、无法实现国内生产的缺点，同时光电模块所占空间较大，导致集成封装的整体体积较大，也不利于量子随机数发生器趋向芯片化发展的需求[2]。为此，在采用分立器件研制的基础上，提出一种基于芯片化光电共封装[3]的量子噪声源。通过采用国产SLED裸芯片与光电探测器芯片直接通过空间光高效耦合的方式，实现国产高速随机量子噪声源芯片化。同时采用光电共封装技术，实现量子噪声源模块小型化封装。

1 模块整体结构及功能单元简介

1.1 模块整体结构

考虑到光波导设计及制作工艺较为复杂，并且不易小型化，最终采用空间光路耦合的方式，将超辐射发光二极管SLED输出的宽谱光入射到光电探测器PD芯片，光电转换后经低噪放大器LNA进行放大输出。即将SLED、PD、LNA芯片进行集成封装设计，形成整体模块，其内部结构如图1所示。

图1 内部结构示意图

1.1.1 SLED 芯片设计选择

（1）材料选择。目前，绝大部分SLED有源区均采用单量子阱或多量子阱结构，该结构可以有效提高微分增益，进而提高器件的光功率。由于量子阱有源区材料普遍使用Ⅲ-Ⅴ族半导体化合物，故有源区选用材料为直接带隙半导体材料。1550nm波长的SLED多采用AlGaInAs和 GaInAsP材料作为有源区增益介质，采用InP作为衬底。

（2）结构选择。SLED芯片结构最常用的有两种：脊型波导结构（RWG）和掩埋异质结构（BH）。由于RWG高低温环境适应性较好，综合考虑，选择脊型波导结构（RWG），并对其进行优化设计。

1.1.2 PD 芯片设计选择

（1）材料选择。PD材料为InGaAsP，具有宽光谱响应特点，适合与SLD这类宽谱光源匹配工作。在1310nm、1550nm波段，具有较高的响应度，可以达到0.8mA/mW以上。

（2）结构选择。PD芯片结构最常用的有两种：APD和P-I-N结构。APD结构工作时需要的反向偏压较大（15V以上），且噪声较大。P-I-N结构具有响应速度快，带宽高的优势，故选择P-I-N结构。

1.1.3 LNA 芯片

（1）材料选择。LNA材料为GaAs，在较小工作电流下，可提供25dB的增益，噪声系数典型值为3dB。

（2）结构选择。采用单片集成工艺，带宽大于3GHz，芯片背面金属化处理，便于共晶烧结及散热。

1.2 功能单元说明

芯片化光电共封装量子噪声源模块内部功能单元主要包括超辐射发光单元、光电探测单元、低噪声射频放大单元、TEC温度控制单元等，每个单元的正常工作都需要外部提供稳定的电流、电压源或PID反馈控制回路。

超辐射发光单元的功能是将输入电信号转换为光信号，属于电流型器件，其输出光功率随流过SLED的电流呈线性变化。SLED正常工作时需要外部电路提供恒定的正向偏置电流，所需加载的工作电流范围一般在10～150mA之间（最大不超过200mA），典型工作电流值可设置为150mA。在恒流源电路设计时，最好设置输出电压最大值在2.5V以内，输出电流最大值在200mA以内，防止电压和电流过大造成SLED不可逆损伤。

光电探测单元实现的功能与SLED相反，是将入射到PD光敏面上的光信号转换为电信号。正常工作时需要给规定二极管加恒定电压5V，且该光电二极管处于反向偏置状态，即PD阴极（Cathode）接电压源正极，PD阳极（Anode）接电压源正极。为了实现对宽带信号的探测，要求光电探测器具有一定的探测带宽。在本模块中，探测器带宽为4GHz。

低噪声射频放大单元通常在光电探测器后接放大器进行弱信号的低噪声放大。由于电信号经过SLED进行电-光转换和PD光-电转换后，损耗较大，为了补偿电损耗，模块内置的射频放大器带宽为4GHz，工作电压5V，经过交流耦合输出，增益22dB。射频输出部分为50欧姆GSG微带线。

TEC温度控制单元主要是对SLED在正常工作时进行温度控制。由于模块的工作温度范围设定为-10～60℃，而SLED属于温度敏感型芯片，在高低温下的输出光功率与常温下有偏差。模块已经内置TEC，需要外部电路匹配相应的温度控制电路实现对TEC的恒温控制。

2 芯片化光电共封装技术研究

光电共封装是将光收发模块与集成电路控制芯片封装在一个封装体内，通常是采用封装基板与光电芯片进行一体化集成封装的方式[4]。光电共封装技术是目前研究的热点和趋势，通过将光电芯片垂直互连，可以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。目前国外多家公司已经投入硅基光电芯片集成的工艺研究，技术相对成熟，国内还处于研究状态。

在推行量子随机数发生器芯片化的过程中，光电共封装结构的光电芯片均存在寄生效应。由于电路中热沉、焊料、金丝的存在，会引入相应的寄生参数，寄生参数的存在会对激光器输出的高频光信号的稳定传输产生一定的影响。因此需要对封装寄生参数进行优化，改善寄生参数对模块中高频信号稳定传输产生的影响。需要解决的难题主要有以下两方面：①减小电芯片热效应对光路的影响；②降低射频反射及损耗。

2.1 降低电芯片热效应的技术研究

由于封装模块中的光电芯片SLED、PD及LNA都需要贴装在封装基板上，便于这些芯片的直流供电及射频信号传输。LNA工作时会产生较多热量，而SLED又易受温度影响，因此需要降低电芯片LNA带来的热效应，保证SLED的稳定可靠工作。对此采取了以下两方面的解决措施：①选用热导率较高的热沉材料（即封装基板），具有热阻小，传热效率高的优点；②封装管壳采用热导率高、热膨胀系数匹配的材料制作。

2.1.1 封装基板材料的设计选择

光电共封装采用的是芯片直接贴装的方式，封装基板主要利用材料本身具有的高热导率，将热量从芯片（热源）导出，实现与外界环境的热交换。对于功率半导体器件而言，封装基板必须满足以下要求：热导率较高，便于芯片散热处理；相匹配的热膨胀系数，降低热应力；优异的热稳定性、绝缘性。

封装基板常用的材质主要有陶瓷、金属、高分子等。经过研究，陶瓷材料具有良好的耐热性能，较高的绝缘强度、机械加工强度以及热匹配性能，非常适合用于光电封装基板，在众多领域得到广泛应用。

常用的陶瓷材料主要包括氮化铝、碳化硅、氧化铝、氧化铍等，对其性能参数进行研究对比后，发现AlN材料的热导率可以达到270W/mK，热膨胀系数在25℃～200℃的温度范围内只有4×10-6/℃，同时与GaAs、InP等半导体芯片材料的热膨胀系数相匹配[5]。本项目最终选择了AlN作为陶瓷基板材料，AlN陶瓷样品如图2所示，封装基板3D模型如图3所示。

图2 AlN 陶瓷样品

图3 陶瓷基板3D 模型

2.1.2 封装管壳设计

封装管壳的作用主要是对已装有裸芯片等外贴元器件的陶瓷基板通过环氧粘接或焊料焊接的方式安装到金属外壳底座中，引线键合电学互连基板上的输入输出端子焊区和金属外壳的外引线。同时采用平行缝焊工艺在氮气环境中熔封外壳底座与盖板或管帽，形成气密性金属封装。

由于散热需求，封装管壳应采用热导率高、热膨胀系数匹配的材料制作。最终选取了可伐（Kovar）合金材质，该合金在20～450℃范围内具有与硬玻璃相近的热膨胀系数并且能够和其进行有效封接匹配，容易焊接和熔接。同时采用平行缝焊进行气密封装，其特点是局部产生高温，外壳内部的芯片温度低，对芯片不产生热冲击，因此被广泛用于混合电路、微电子单片集成电路以及对温度较敏感器件的气密封装。封装管壳模型如图4所示。

图4 封装管壳

2.2 降低射频反射及损耗的技术研究

2.2.1 物料射频阻抗匹配

集成模块的电信号传输速率较高，对于需要加载数据的发射芯片和接收转换数据的探测器芯片，进行物料射频阻抗的匹配。首先通过射频仿真来设计芯片的贴装基板，降低射频反射并提高射频传输效率，从而提高发送和接收数字电信号的质量。在进行仿真设计时，将键合用金线的寄生效应也考虑在内，同时对不同材质的基板用金线连接后进行整体仿真，具体仿真模型如图5所示。

图5 仿真模型

2.2.2 射频走线设计

射频输入输出采用共面波导形式，通过金线键合方式或FPC软板与外部电路进行连接，在满足模块要求指标的情况下，降低射频损耗（<10dB），减小模块体积。在射频走线设计中，采用共面波导作为射频信号走线的方式，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。根据共面波导阻抗计算公式，在设计射频传输线特性阻抗50欧姆的前提下，设计射频信号线的走线宽度之和、信号与地之间的间距和陶瓷基板的厚度。

由于涉及到射频走线的转折，在高频下，这个弯曲转折是造成射频特性阻抗不连续的关键因素，会引起信号传输特性恶化，最终影响信号完整性，不同类型的弯曲对射频传输线影响也不同。

本项目高频电路板采用的是直角弯曲几何结构，同时共面波导传输线特性的一个重要技术参数即特性阻抗，它体现了微带传输的固有属性。只有当特性阻抗连续时，才能保证信号的完整性，减小射频反射与传输损耗。另外采取了直角弯曲45°外斜切方法对微带线特性阻抗的连续性进行控制。通过电磁仿真分析，采用该方法，达到了最小的直角弯曲处特性阻抗不连续性以及良好的信号传输特性。

3 结语

通过采用芯片化光电集成封装结构，满足了量子随机数发生器芯片化的发展需求，其具有紧凑性、一体化，以及易于配合量子通信系统使用的优点。随着高速化、小型化、产品化量子通信系统技术的突破与规模化应用，芯片化量子噪声源模块也为该系统的研制提供了有力的支撑，并将带来高度微型化的光量子系统。同时，还可有效带动相关光电子器件集成等产品的市场需求。