人工智能正在改变数据中心的经济格局，而硅光子学正迅速成为这一变革背后的关键赋能技术之一。随着数据速率超越800G，业界目光投向1.6T光互连，传统的电气连接已不足以高效传输海量数据。

设计光子集成电路（PIC）只是挑战的一部分。在这些器件投入生产之前，制造商必须证明其性能完全符合预期。这正是硅光子学测试的用武之地。它已成为将这些日益复杂的器件从研发阶段推向制造环节的最重要步骤之一。

为什么光子集成电路测试与众不同

与传统半导体器件不同，光子集成电路（PIC）在同一芯片上集成了电学和光学两种功能。

单个PIC可能集成以下组件：

• 高速调制器

• 光电探测器

• 光波导

• 光耦合器

• 激光器

• 跨阻放大器（TIA）

• 高速电子接口

由于信号在电域和光域之间往复传输，工程师必须同时对两者进行验证。成功的关键在于：在测试全过程中保持精密光学对准的同时，准确测量射频（RF）性能。

随着硅光子技术从研发阶段迈入大规模量产，像TRITON™这样的量产就绪平台能够帮助实现晶圆级光电测试的自动化，同时提升吞吐量和可重复性。尽早发现性能问题有助于制造商：

• 提高良率

• 降低封装成本

• 加速工艺开发

• 缩短上市时间

这就造就了一个与大多数传统半导体应用截然不同的测试环境——射频工程、光学、精密机械、自动化和运动控制必须无缝协同工作。

挑战一：表征200 GHz以上的器件

随着行业向224 Gbps信令过渡，并开始规划448 Gbps PAM4系统，带宽预期持续攀升。

在这些数据速率下，工程师关注的已不再仅仅是基频。谐波对信号完整性、器件建模以及整体系统行为的影响日益显著。

以往峰值在70 GHz以下的测量，如今已扩展至130 GHz以上，许多先进应用所需的表征已接近200 GHz甚至更高。

为跟上这一步伐，工程师正在采用新的测量方法，包括：

• 宽带测量技术

• 先进同轴接口

• 新一代射频探针

• 单次扫描测量能力

• 改进的校准方法

目标不仅仅是测量更高的频率，而是在工程师能够信心十足地重复进行的测量环境中，捕获可靠的宽带性能。

挑战二：实现可重复的测量

随着频率不断攀升，即使最微小的误差也变得更加不容忽视。

在220 GHz及以上频段，探针放置或接触质量的细微差异都可能影响测量结果。那些以往影响甚微的变量，如今已成为不确定性的重要来源，包括：

• 探针落点位置

• 过压行程

• 接触电阻

• 触点一致性

• 机械稳定性

准确的测量只有在工程师每次都能复现时才有意义。可重复性现在与带宽同等重要。没有一致的数据，就很难建立精确的器件模型，也难以做出有信心的设计决策。

正因如此，自动化和半自动化晶圆探针系统正成为先进射频和光子学实验室的标准工具。通过减少操作人员的变量影响，并更精确地控制触点条件，自动化提高了跨晶圆、跨操作人员和跨测量批次的一致性。

挑战三：面向高速差分测量的先进校准技术

随着测量带宽的扩展，校准在整个测试策略中占据着越来越重要的地位。

许多现代光子集成电路采用高速差分接口，这引入了额外的测量不确定性来源。相邻探针结构之间以及邻近信号路径之间的串扰，会在以往这些效应微不足道的频率上扭曲测量结果。

为保持精度，工程师正在采用更复杂的校准技术，例如：

• 多线TRL校准

• 32项校准

• 64项校准

• 多端口校准方法

这些方法能够补偿测量系统内部复杂的相互作用，在宽频率范围内提供更高的可信度。

如今，校准已远不止是最后一步修正环节，而是生成准确、可信的高速测量的核心组成部分。

挑战四：维持亚微米级光学对准

射频测量本身已颇具挑战，而光学测试则带来了一套截然不同的难题。

许多晶圆级光子学测试需要将光纤与被测器件上的微观结构进行对准。根据应用场景的不同，光纤可能将激光注入器件，也可能捕获从器件发出的光。

对准公差通常以微米计，即便是极其微小的定位误差，也可能显著影响测量精度。

当光学接口不可直接观察时，这项任务变得更加困难。许多光子器件依赖沟槽、V形槽或边缘耦合结构，这些结构在测试过程中限制了可视性，要求工程师将易损的光纤定位在极其狭窄的空间内。

为提升可重复性，当今的光学探测解决方案越来越多地集成以下技术：

• 集成光学基准标记

• 精密对准参考点

• 机器视觉系统

• 自动定位软件

这些技术协同工作，帮助工程师在实现可重复的亚微米级对准的同时，缩短设置时间并提高测量一致性。

为什么晶圆级光子学测试至关重要

随着光子集成电路的持续演进，测试正成为一项关键的差异化优势，而不仅仅是又一个制造环节。

全面的晶圆级表征使制造商能够在封装前发现缺陷，在研发早期优化工艺性能，并收集随时间推移提高良率所需的测量数据。

挑战在于将多个学科整合到一个工作流程中。成功的光子学测试需要具备以下领域的专业知识：

• 高频射频测量

• 精密光学对准

• 先进校准技术

• 晶圆级自动化

• 可重复的半导体表征

成功的关键在于将所有相关能力汇聚于同一工作流程之中，从而让工程师从早期器件研发到大规模量产的整个过程中都拥有充分的信心。

展望未来

随着人工智能、高性能计算和超大规模数据中心的持续扩张，对更快光互连的需求只会日益增长。

随着光子集成电路的功能越来越强大，测试它们的工作也变得更加严苛。更高的频率、更严格的对准公差、更精密的器件架构以及不断攀升的产量，都将持续推动测量技术的进步。

光子器件设计的突破无疑将驱动下一代AI基础设施的发展，但只有工程师能够自信地对其进行测量和验证，这些设计才能真正投入量产。

随着光子器件日趋复杂，以准确且可重复的方式测试它们的能力，将在推动下一代AI技术走向市场的进程中扮演越来越重要的角色。

常见问题解答 – 光子集成电路测试

什么是光子集成电路测试？

光子集成电路（PIC）测试是对将激光器、调制器、光电探测器和波导等组件集成到单一芯片上的半导体器件进行电学和光学性能验证的过程。测试有助于确保器件在封装和生产之前满足性能规格要求。

为什么晶圆级测试对光子器件很重要？

晶圆级测试使制造商能够在昂贵的封装和组装之前识别出有缺陷的裸片。这有助于提高良率、降低制造成本、加速工艺开发，并确保只有已知良好的器件才能进入下一个生产阶段。

为什么200 GHz以上的测量变得必要？

新兴的224 Gbps以及未来的448 Gbps互连需要比前几代更宽泛的带宽表征。工程师必须同时捕获基频信号和谐波行为，才能准确评估器件性能和信号完整性。

为什么PIC测试时光学对准如此困难？

许多光子器件要求以亚微米级精度将光纤与微观结构对准。有限的可视性、易损的光纤以及复杂的耦合结构，使得准确且可重复的对准成为光子学表征中最大的挑战之一。

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