4. 光源选择与驱动电路设计

在光子量子随机数发生器中，光源决定了随机性熵源的物理形态。不同光源在光子统计特性、探测难度、系统复杂度和成本上差异显著，因此选型必须与探测方案、后处理算法和整机形态协同考虑。本节先横向对比四类候选光源，再聚焦基于衰减激光脉冲的准单光子源，给出驱动电流、温度控制与脉冲调制电路的设计方法，最后完成一个可调占空比脉冲激光驱动电路的仿真与测试。

四类光源在QRNG中的适用性对比

激光器输出相干态，其光子数服从泊松分布。经过强衰减后，平均光子数 μ 可降至 0.1 甚至更低，此时每个脉冲中“有光子”的概率约为 μ，“无光子”概率约为 e^-μ。由于存在少量多光子脉冲，严格意义上它不是单光子源，但通过合理设置 μ 并配合后处理，仍可获得高质量随机性，且实现简单、速率高，是当前工程化QRNG最常用的方案。

LED 属于自发辐射光源，相位随机、光谱宽、发散角大，耦合进单模光纤效率低，且难以产生窄脉冲，时间抖动大，通常只适合对速率和集成度要求极低的场景。单光子源（如量子点、色心）能确定性发射单个光子，理论上可消除多光子事件，但多数需要低温、复杂泵浦和精密对准，工程成熟度低。纠缠光子源基于自发参量下转换，可提供内在随机性甚至器件无关安全性，但需要泵浦激光、非线性晶体和符合探测，系统庞大、成本高，适合科研验证而非通用产品。

综合速率、成本与可集成性，本节选择衰减激光脉冲作为准单光子源。其核心设计目标是在保证单光子概率可控的前提下，实现稳定的驱动电流、恒定的结温和可调的脉冲占空比。

准单光子源的驱动电流与温度控制

半导体激光器是电流驱动器件，输出光功率 P 与注入电流 I 在阈值 I_th 以上近似线性：P ≈ η(I - I_th)，其中 η 为斜率效率。为使平均光子数 μ 稳定，必须让驱动电流的直流工作点稳定在阈值附近，脉冲调制时再叠加高速开关。若电流漂移 5%，μ 也会随之漂移，导致随机数偏置变化。

温度直接影响阈值电流和波长。典型DFB激光器阈值电流温度系数约为 0.5%/℃，波长漂移约 0.1 nm/℃。温度升高会使阈值电流增大、斜率效率下降，因此需要TEC（半导体制冷器）和热敏电阻构成闭环。控制目标通常设为 25.0±0.1℃，采用PID算法驱动TEC电流。热敏电阻分压后经ADC采样，与设定值比较，误差送入PID，输出PWM或线性电流给TEC。积分项用于消除稳态误差，微分项抑制超调。

脉冲调制电路与可调占空比实现

脉冲调制通常采用“直流偏置+高速开关”结构。直流偏置由恒流源提供，保证激光器始终略低于阈值；高速开关由MOSFET或专用激光驱动芯片完成，将脉冲电流叠加到偏置上。占空比 D = t_on/T，通过调节比较器阈值或MCU定时器实现。为获得窄脉冲，需注意驱动回路的寄生电感与激光器封装电容，建议采用低侧开关、短回流路径和阻尼电阻。

下面给出一个可调占空比脉冲激光驱动电路的仿真与测试方案。电路由555定时器产生可调频率方波，经RC微分和比较器整形为窄脉冲，再驱动MOSFET。通过电位器改变比较器参考电压，即可改变脉宽，从而改变占空比。

仿真设置（LTspice/PSpice 示例）：
Vcc = 5 V
R1 = 10 kΩ, R2 = 100 kΩ, C1 = 1 nF  → f ≈ 1/(0.693(R1+2R2)C1) ≈ 6.8 kHz
比较器参考 Vref 由 10 kΩ 电位器分压，范围 0.5~4.5 V
MOSFET：2N7002，栅极串 22 Ω，漏极接激光器与 50 Ω 限流电阻
激光器模型：阈值 10 mA，斜率 0.2 mW/mA，结电容 5 pF

测试步骤：
1. 固定 Vref=2.5 V，示波器观察栅极与漏极波形，记录 t_on。
2. 调节电位器，使 Vref 从 1.0 V 增至 4.0 V，记录 t_on 与 D。
3. 用光功率计测平均光功率，反推 μ。
4. 改变温度设定 20/25/30℃，观察阈值电流与 μ 漂移。

仿真中可观察到：当 Vref 升高时，比较器翻转点后移，t_on 减小，D 下降；反之 D 上升。若脉冲边沿出现振铃，说明回路电感偏大，可减小栅极电阻或缩短走线。测试时若平均光功率随温度升高而下降，说明偏置电流未补偿阈值漂移，应调整TEC设定或增加电流闭环。

完成上述仿真后，建议用实际示波器与光功率计交叉验证。判断标准是：在设定温度下，平均光功率波动小于±3%，脉冲宽度可调范围覆盖 5%~50%，且无多光子显著增加。若 μ 偏高，可增大衰减或降低偏置电流；若脉冲振铃严重，应优化PCB布局。通过这一闭环，准单光子源即可为后续单光子探测与随机数提取提供稳定熵源。