基于芯片化光電共封裝的量子噪聲源模塊

薛敘，陸兆輝，徐兵杰，欒添

（1.中國電子科技集團公司第八研究所，安徽 合肥 230041；2.宇航光纖互連技術安徽重點實驗室，安徽 合肥 230041；3.中國電子科技集團公司第三十研究所，四川 成都 610000；4.中國電子科學研究院，北京 100041）

0 引言

量子隨機數發生器（QRNG）被普遍認為具有真隨機性，無法被預測，是一種理想的隨機數發生器。基于激光光子技術的量子隨機數發生器（QRNG）即實用化QRNG，因其出色的性能和較為成熟的工藝而成為QRNG技術的主流。目前實用化的量子隨機數產生技術已經十分成熟，有很多公司先后推出了基于不同方案實現的高速量子隨機數發生器產品。在降低成本和縮小體積方面，芯片化是量子隨機數發生器產品的發展趨勢[1]。現有的量子隨機數發生器（QRNG）一般是基于分立的光學器件系統，大多采用的是“進口激光器+光纖+連接器+進口探測器+微波放大器”的器件集成實現方式，這種實現方式存在生產成本較高、無法實現國內生產的缺點，同時光電模塊所占空間較大，導致集成封裝的整體體積較大，也不利于量子隨機數發生器趨向芯片化發展的需求[2]。為此，在采用分立器件研制的基礎上，提出一種基于芯片化光電共封裝[3]的量子噪聲源。通過采用國產SLED裸芯片與光電探測器芯片直接通過空間光高效耦合的方式，實現國產高速隨機量子噪聲源芯片化。同時采用光電共封裝技術，實現量子噪聲源模塊小型化封裝。

1 模塊整體結構及功能單元簡介

1.1 模塊整體結構

考慮到光波導設計及制作工藝較為復雜，并且不易小型化，最終采用空間光路耦合的方式，將超輻射發光二極管SLED輸出的寬譜光入射到光電探測器PD芯片，光電轉換后經低噪放大器LNA進行放大輸出。即將SLED、PD、LNA芯片進行集成封裝設計，形成整體模塊，其內部結構如圖1所示。

圖1 內部結構示意圖

1.1.1 SLED 芯片設計選擇

（1）材料選擇。目前，絕大部分SLED有源區均采用單量子阱或多量子阱結構，該結構可以有效提高微分增益，進而提高器件的光功率。由于量子阱有源區材料普遍使用Ⅲ-Ⅴ族半導體化合物，故有源區選用材料為直接帶隙半導體材料。1550nm波長的SLED多采用AlGaInAs和 GaInAsP材料作為有源區增益介質，采用InP作為襯底。

（2）結構選擇。SLED芯片結構最常用的有兩種：脊型波導結構（RWG）和掩埋異質結構（BH）。由于RWG高低溫環境適應性較好，綜合考慮，選擇脊型波導結構（RWG），并對其進行優化設計。

1.1.2 PD 芯片設計選擇

（1）材料選擇。PD材料為InGaAsP，具有寬光譜響應特點，適合與SLD這類寬譜光源匹配工作。在1310nm、1550nm波段，具有較高的響應度，可以達到0.8mA/mW以上。

（2）結構選擇。PD芯片結構最常用的有兩種：APD和P-I-N結構。APD結構工作時需要的反向偏壓較大（15V以上），且噪聲較大。P-I-N結構具有響應速度快，帶寬高的優勢，故選擇P-I-N結構。

1.1.3 LNA 芯片

（1）材料選擇。LNA材料為GaAs，在較小工作電流下，可提供25dB的增益，噪聲系數典型值為3dB。

（2）結構選擇。采用單片集成工藝，帶寬大于3GHz，芯片背面金屬化處理，便于共晶燒結及散熱。

1.2 功能單元說明

芯片化光電共封裝量子噪聲源模塊內部功能單元主要包括超輻射發光單元、光電探測單元、低噪聲射頻放大單元、TEC溫度控制單元等，每個單元的正常工作都需要外部提供穩定的電流、電壓源或PID反饋控制回路。

超輻射發光單元的功能是將輸入電信號轉換為光信號，屬于電流型器件，其輸出光功率隨流過SLED的電流呈線性變化。SLED正常工作時需要外部電路提供恒定的正向偏置電流，所需加載的工作電流范圍一般在10～150mA之間（最大不超過200mA），典型工作電流值可設置為150mA。在恒流源電路設計時，最好設置輸出電壓最大值在2.5V以內，輸出電流最大值在200mA以內，防止電壓和電流過大造成SLED不可逆損傷。

光電探測單元實現的功能與SLED相反，是將入射到PD光敏面上的光信號轉換為電信號。正常工作時需要給規定二極管加恒定電壓5V，且該光電二極管處于反向偏置狀態，即PD陰極（Cathode）接電壓源正極，PD陽極（Anode）接電壓源正極。為了實現對寬帶信號的探測，要求光電探測器具有一定的探測帶寬。在本模塊中，探測器帶寬為4GHz。

低噪聲射頻放大單元通常在光電探測器后接放大器進行弱信號的低噪聲放大。由于電信號經過SLED進行電-光轉換和PD光-電轉換后，損耗較大，為了補償電損耗，模塊內置的射頻放大器帶寬為4GHz，工作電壓5V，經過交流耦合輸出，增益22dB。射頻輸出部分為50歐姆GSG微帶線。

TEC溫度控制單元主要是對SLED在正常工作時進行溫度控制。由于模塊的工作溫度范圍設定為-10～60℃，而SLED屬于溫度敏感型芯片，在高低溫下的輸出光功率與常溫下有偏差。模塊已經內置TEC，需要外部電路匹配相應的溫度控制電路實現對TEC的恒溫控制。

2 芯片化光電共封裝技術研究

光電共封裝是將光收發模塊與集成電路控制芯片封裝在一個封裝體內，通常是采用封裝基板與光電芯片進行一體化集成封裝的方式[4]。光電共封裝技術是目前研究的熱點和趨勢，通過將光電芯片垂直互連，可以實現更短的互連距離、更好的高頻性能，并且集成度更高，封裝更緊湊。目前國外多家公司已經投入硅基光電芯片集成的工藝研究，技術相對成熟，國內還處于研究狀態。

在推行量子隨機數發生器芯片化的過程中，光電共封裝結構的光電芯片均存在寄生效應。由于電路中熱沉、焊料、金絲的存在，會引入相應的寄生參數，寄生參數的存在會對激光器輸出的高頻光信號的穩定傳輸產生一定的影響。因此需要對封裝寄生參數進行優化，改善寄生參數對模塊中高頻信號穩定傳輸產生的影響。需要解決的難題主要有以下兩方面：①減小電芯片熱效應對光路的影響；②降低射頻反射及損耗。

2.1 降低電芯片熱效應的技術研究

由于封裝模塊中的光電芯片SLED、PD及LNA都需要貼裝在封裝基板上，便于這些芯片的直流供電及射頻信號傳輸。LNA工作時會產生較多熱量，而SLED又易受溫度影響，因此需要降低電芯片LNA帶來的熱效應，保證SLED的穩定可靠工作。對此采取了以下兩方面的解決措施：①選用熱導率較高的熱沉材料（即封裝基板），具有熱阻小，傳熱效率高的優點；②封裝管殼采用熱導率高、熱膨脹系數匹配的材料制作。

2.1.1 封裝基板材料的設計選擇

光電共封裝采用的是芯片直接貼裝的方式，封裝基板主要利用材料本身具有的高熱導率，將熱量從芯片（熱源）導出，實現與外界環境的熱交換。對于功率半導體器件而言，封裝基板必須滿足以下要求：熱導率較高，便于芯片散熱處理；相匹配的熱膨脹系數，降低熱應力；優異的熱穩定性、絕緣性。

封裝基板常用的材質主要有陶瓷、金屬、高分子等。經過研究，陶瓷材料具有良好的耐熱性能，較高的絕緣強度、機械加工強度以及熱匹配性能，非常適合用于光電封裝基板，在眾多領域得到廣泛應用。

常用的陶瓷材料主要包括氮化鋁、碳化硅、氧化鋁、氧化鈹等，對其性能參數進行研究對比后，發現AlN材料的熱導率可以達到270W/mK，熱膨脹系數在25℃～200℃的溫度范圍內只有4×10-6/℃，同時與GaAs、InP等半導體芯片材料的熱膨脹系數相匹配[5]。本項目最終選擇了AlN作為陶瓷基板材料，AlN陶瓷樣品如圖2所示，封裝基板3D模型如圖3所示。

圖2 AlN 陶瓷樣品

圖3 陶瓷基板3D 模型

2.1.2 封裝管殼設計

封裝管殼的作用主要是對已裝有裸芯片等外貼元器件的陶瓷基板通過環氧粘接或焊料焊接的方式安裝到金屬外殼底座中，引線鍵合電學互連基板上的輸入輸出端子焊區和金屬外殼的外引線。同時采用平行縫焊工藝在氮氣環境中熔封外殼底座與蓋板或管帽，形成氣密性金屬封裝。

由于散熱需求，封裝管殼應采用熱導率高、熱膨脹系數匹配的材料制作。最終選取了可伐（Kovar）合金材質，該合金在20～450℃范圍內具有與硬玻璃相近的熱膨脹系數并且能夠和其進行有效封接匹配，容易焊接和熔接。同時采用平行縫焊進行氣密封裝，其特點是局部產生高溫，外殼內部的芯片溫度低，對芯片不產生熱沖擊，因此被廣泛用于混合電路、微電子單片集成電路以及對溫度較敏感器件的氣密封裝。封裝管殼模型如圖4所示。

圖4 封裝管殼

2.2 降低射頻反射及損耗的技術研究

2.2.1 物料射頻阻抗匹配

集成模塊的電信號傳輸速率較高，對于需要加載數據的發射芯片和接收轉換數據的探測器芯片，進行物料射頻阻抗的匹配。首先通過射頻仿真來設計芯片的貼裝基板，降低射頻反射并提高射頻傳輸效率，從而提高發送和接收數字電信號的質量。在進行仿真設計時，將鍵合用金線的寄生效應也考慮在內，同時對不同材質的基板用金線連接后進行整體仿真，具體仿真模型如圖5所示。

圖5 仿真模型

2.2.2 射頻走線設計

射頻輸入輸出采用共面波導形式，通過金線鍵合方式或FPC軟板與外部電路進行連接，在滿足模塊要求指標的情況下，降低射頻損耗（<10dB），減小模塊體積。在射頻走線設計中，采用共面波導作為射頻信號走線的方式，這樣有利于降低射頻空間輻射，同時保證較好的射頻阻抗控制。根據共面波導阻抗計算公式，在設計射頻傳輸線特性阻抗50歐姆的前提下，設計射頻信號線的走線寬度之和、信號與地之間的間距和陶瓷基板的厚度。

由于涉及到射頻走線的轉折，在高頻下，這個彎曲轉折是造成射頻特性阻抗不連續的關鍵因素，會引起信號傳輸特性惡化，最終影響信號完整性，不同類型的彎曲對射頻傳輸線影響也不同。

本項目高頻電路板采用的是直角彎曲幾何結構，同時共面波導傳輸線特性的一個重要技術參數即特性阻抗，它體現了微帶傳輸的固有屬性。只有當特性阻抗連續時，才能保證信號的完整性，減小射頻反射與傳輸損耗。另外采取了直角彎曲45°外斜切方法對微帶線特性阻抗的連續性進行控制。通過電磁仿真分析，采用該方法，達到了最小的直角彎曲處特性阻抗不連續性以及良好的信號傳輸特性。

3 結語

通過采用芯片化光電集成封裝結構，滿足了量子隨機數發生器芯片化的發展需求，其具有緊湊性、一體化，以及易于配合量子通信系統使用的優點。隨著高速化、小型化、產品化量子通信系統技術的突破與規模化應用，芯片化量子噪聲源模塊也為該系統的研制提供了有力的支撐，并將帶來高度微型化的光量子系統。同時，還可有效帶動相關光電子器件集成等產品的市場需求。