光子集成电路驱动着信未来？

       今天的带宽繁荣-400G的推出，5G和数据中心开发的爆发-在很大程度上是由光子集成电路(PICS)驱动的。微小但强大的这些组件正在推动我们的电信未来。 

      近年来，这种破坏性技术正在加快步伐，主要是在电信应用领域，但也在医疗、传感和军事部门。通常与开创性的电子处理器相比，PICs在晶片上被切割成单个芯片之前也是类似的。PIC将光子学引入集成电子学领域，将激光和调制器等光子元件与光电、光电、全电子甚至射频功能结合起来，并在从医学到数据中心、自动汽车和量子计算等应用领域发挥无穷潜力。然而，测试这种复杂组件的漩涡带来了许多挑战。测试包含在每个芯片上的无数有源和无源光学、电子或射频组件的关键参数可能是很困难的。在PIC开发的早期，设计、制造和测试是由学术或高度专业化的研究小组进行的。通过一个冗长而繁琐的过程，与PIC一起工作的测试和测量工程师通常需要创建自己的定制解决方案。

       随着当今生产技术的压力越来越大，PIC的测试和测量需要更快速地进行，并且要变得更加可靠。在PICS的光学表征方面，有几种测试解决方案和测量方法。

      下图说明了已经可用的构建块的类型。将这些组件组合在芯片上创建 所需的功能和功能： 

      − 简单波导，延迟线，分裂器和多模干扰耦合器 

      − 通常基于阵列波导光栅(AWG)的Mux/Demux

      − 基于马赫-曾德尔干涉仪或环形谐振器的电光调制器 

      − 可以刻在芯片上用于片内光功率监测的光电探测器 

. PIC技术组件

       然而，释放PIC的全部潜力仍然存在一些障碍。由于光本身，光子学有一些严格的限制：操纵光子并不像玩弄电子那么容易！使用10μm芯光纤的设备进出耦合光需要专业知识。这使得测试和包装PICS的整个业务更加艰巨，对这些芯片的测试和测量已经成为整个PIC开发的瓶颈。更重要的是，这些特性需要以一种方式加以处理，以便每年制作数十万个组件。这些类型的膨胀块已经在电信行业使用了十多年，以创造复杂的系统，如收发器和可调谐激光器。PIC非常适合电信领域，因为它们可以应对行业面临的挑战：对紧凑设备的需求不断增加，高速网络的带宽和能源效率不断提高。在数据中心和网络的其余部分， 5G和数据速率从400G增加到800G及以上取决于从设计到包装的有效PIC开发。

       作为一种成熟的技术，PICS现在在电信以外的部门提供了大量的潜力，包括传感、政府和 军事应用、医疗和生物成像以及激光雷达，随着自主汽车的出现，激光雷达越来越突出。潜在应用的激增激发了政府的举措，主要是在美国和欧洲，以支持与PICS各个方面合作的公司和企业的增长-从设计和研发到大批量制造。因此，PIC技术正从大学实验室更快地走向主流。

       带宽的增长和这种技术的发展对这些设备的测试和测量提出了更严格的要求。制造商和运 营商现在需要比以往任何时候都更快、更可靠的测试方法。

测试：任何PIC项目的关键步骤 TAP(测试,装配和包装)占设备生产总成本的80%. 测试是PIC项目每个阶段的组成部分：从PIC Foundry厂的设计和制造到装配和包装. Foundry工程师直接在晶片上进行测试，以改进制造工艺,并建立每个设备的公差和性能限制. 这些测试结果被反馈到过程设计工具 包(PDKs)中,它本质上是光学元件的光学-电子特性数据库,允许对最终芯片特性进行精确建模. 功能测试是在包装阶段进行的,以检查设备之前,他们被运送到客户. 这种测试类似于典型的无源元件测试的规格，和可靠性光纤输入/输出或电子输入/输出测试.

       晶圆级测试是最经济有效的方法。即使需要专业设备执行关键参数测量，也可以自动表征和选择数百个PIC。甚至有可能直接在晶圆上的芯片上执行更高级的测试，以真正验证芯片。

       从边缘到中心的整个晶圆测试设备都可提供有关芯片制造工艺的关键信息。在开发过程中测试出于研究目的而生产的晶圆时，可以收集有关使用特定生产配方发生了哪些工艺问题或引入哪些异常的许多信息。这有助于将可接受的过程和公差与缺陷或异常联系起来。生产过程中晶圆级测试的目标是将不良芯片与不良芯片分离，以便尽早将有缺陷的PIC丢弃，因为对不良器件进行切割和封装可能会非常昂贵。在工业规模上测试PIC必须快速而可靠。要测试的芯片太多，将好芯片与坏芯片分开至关重要。

   探针台已经广泛开发用于电子应用，例如CMOS（互补金属氧化物半导体）晶圆测试，但是升级这些系统以在设备内外进行光子耦合是一个全新的挑战。

      首先，对准系统的精度至关重要，因为光子耦合点的尺寸远小于电子测试垫。其次，使用直径为10 um的纤芯，需要6轴对齐的光纤执行光学耦合（在左侧的“您知道吗？”框中）。

一旦测试的对准部分完成，就可以开始光学表征。EXFO的CTP10组件测试平台如图2所示。然后，可以通过PC上的自定义软件控制所有设备，从而实现测试过程的自动化。

       测试PIC上的激光器和放大器等有源组件非常简单，可以使用光谱分析仪（OSA）进行测试。这些有源设备的频谱分析会产生特定的设备信息。检查收发器内部激光器的中心波长和侧模抑制比（SMSR）。另外，检查使用AWG结构创建的WDM信号的光信噪比（OSNR）。

       只需将光源或激光输出连接到OSA以获取光源的光谱信号，就可以使用OSA对有源组件执行测试，如下图的右侧所示。

       领先的OSA具有非常快的优势，每秒以2000 nm / s的速度执行最多五次扫描，足够快以进行实时组件对齐，并且具有足够高的分辨率以允许测量关键参数（例如OSNR和SMSR）

       光子集成电路的无限潜力意味着对这些功能强大的组件的需求巨大，并且大力推动了该技术的进一步发展。由于PIC结合了多种光子和电子组件，因此对其进行测试非常具有挑战性。鉴于对PIC的需求不断增长以及它们的快速发展，拥有更可靠，更快的测试解决方案现在至关重要。

      从这些发展中可以明显看出，“按测试设计” PIC芯片是减少测试时间并提高可靠性的关键。设计，制造和测试之间的共生是理解和解决PIC开发过程中任何问题的途径。可以在PIC组装和组件的最终封装期间应用相同的整体方法，以进一步减少TAP对最终芯片成本的影响。