硅光子技术规模化测试面临的挑战

人工智能（AI）和高性能计算（HPC）正在推动对数据传输的前所未有的需求。随着带宽需求不断攀升，传统电互连在功耗、延迟和传输距离方面遇到瓶颈，硅光子学、近封装光学（NPO）和共封装光学（CPO）正成为下一代数据中心日益重要的技术。

业界的关注大多集中在光子器件创新上。但展示一款高性能光子集成电路（PIC）只是挑战的一部分。要将这些器件转化为能够以可靠且经济的方式进行大规模量产的产品，需要一套能够跟上节奏的测试基础设施。

这代表着重大的转变。半导体制造已受益于数十年来自动化电学测试的不断完善。硅光子学增加了一个光学维度，对光纤对准、耦合效率、偏振管理和光学仪器提出了新的要求——同时仍需要进行传统的电学表征。

随着硅光子学从开发环境走向大规模量产，测试不再只是一个质量关卡。它是制造策略不可或缺的一部分。

图 1：一套可支持 HVM 的测试解决方案需要完整的配套软硬件。

将精密光学对准引入生产线

最基本的挑战之一是与被测器件建立可靠的光学连接。电学探针测试依靠物理接触即可提供相对直接的接口，而光学测试则不同，它依赖于将光精确地耦合进出非常微小的结构。

这种耦合必须在器件之间、晶圆之间保持可重复性。即使光纤位置或角度的微小变化也会影响插入损耗和测得的光学性能，从而可能导致难以区分器件本身的真实差异和测试设置引入的差异。

因此，大规模测试需要自动化对准能力，能够快速定位光学接口并优化耦合。这可以包括通过视觉或基于图像的定位将光纤阵列单元靠近光栅耦合器，然后通过区域扫描和梯度搜索技术并借助反馈回路找到最佳位置——这种技术通常被称为“主动对准”。该过程可能还需要在六个自由度上进行优化——X、Y、Z 定位加上三个旋转轴——以最大化耦合效率并最小化通道间的差异。

随着光学接口通道数量的增加，问题变得更加复杂。对准不能仅仅最大化单个通道的性能；它必须在多个通道上产生一致的耦合。例如，旋转对准会影响光束与多个光栅耦合器重叠的均匀程度。其他角度调整则会同时影响插入损耗和中心波长。

偏振是另一个变量。由于光子结构对入射光的偏振状态可能有不同的响应，偏振必须作为可重复生产方法的一部分加以表征和控制。这些要求加在一起，使得对准成为一个主动的测量与优化过程，而不是简单的机械定位步骤。制造方面的挑战在于如何自动化这些功能，同时不让对准时间成为吞吐量瓶颈。

在不牺牲吞吐量的前提下结合电学与光学测试

对准只是整个等式的一部分。一个 PIC 可能包含光电探测器、调制器以及其他需要结合光学与电学测量的组件。典型的表征可包括插入损耗、通道间一致性、光衰减、光电探测器响应度以及波长相关行为。

按顺序执行这些测量会大幅增加测试时间。更具可扩展性的方法是将电学与光学能力集成在一起，以便尽可能并发地执行操作。例如，电学对准可以在光学对准之前进行，而连续性测试和其他电学测试可以在自动光学探针对准期间运行，而不是等待该过程完成。随着器件复杂度和测试覆盖率的增长，这种并行性变得越来越重要。

同样的原则也适用于光学仪器。与其把每台仪器当作孤立的资源，不如在高产量环境中对激光器、功率计和其他光学设备进行集成控制，从而实现多台仪器或多个通道的并行运行。随着测试单元日益复杂，自动化校准和补偿对于保持测量一致性也很重要。爱德万测试（Advantest）在这一领域的开发工作支持在通用测试环境中使用多种光学仪器并并行操作功率计。

更宏观的目标与半导体测试相同：在最大限度提高有用测试覆盖率的同时，将测试成本降至最低。而硅光子学带来的变化是，为实现这一目标所必须协调的物理与测量领域的数量。

生态系统的规模化离不开协作

没有任何单一供应商能够掌握高产量 PIC 测试所需的全部要素。完整的解决方案可能涵盖自动化测试设备、晶圆探针测试、光学定位、光纤接口、光学仪器、器件设计以及制造工艺。

这使得生态系统协作尤为重要。测试设备供应商需要与探针和定位专家、光子器件开发商、代工厂和制造商合作，使这些技术之间的接口能够作为一个集成的生产系统运行，而不是各自独立的实验室仪器。

例如，爱德万测试（Advantest）与 FormFactor 密切合作，开发了一种晶圆级光子学测试环境，将电学测试仪器与晶圆传送、光学仪器和自动光纤对准能力相结合。其意义与其说在于单个组件，不如说在于打造可重复制造工作流所需的集成能力。

随着硅光子学、NPO 和 CPO 走向更广泛的采用，这些协作努力将变得日益重要。行业必须开发实用的测试方法，以适应不断演变的器件架构，同时提供半导体制造所要求的可重复性、吞吐量和经济性。

图 2：众多即将出现的光子学进展，需要全行业的共同努力才能实现。

从前景可观的光子技术过渡到大批量商业化产品，不仅取决于器件本身的进步，测试也必须随之演进。通过将光学对准、电气与光学测量、自动化以及生态系统互操作性视为同一个制造挑战的组成部分，行业就能构建出所需的基础设施，让硅光子学全面进入大批量生产时代。