光集成电路的晶圆级测试
光集成电路（PIC）和硅光技术能够降低光通信器件的生产成本和能耗，并减小器件尺寸。随着数据中心等应用快速发展，电路与光路的高度集成对器件测试提出了更高要求。
与半导体电子器件类似，PIC 在制造早期进行晶圆级测试十分重要。通过在加工和封装前识别不合格器件，可以降低后续制造成本，并为晶圆工艺控制和诊断提供依据。除薄层电阻、电容等电学参数外，PIC 测试还涉及衰减、响应度、波长相关性，以及光偏振与波导结构之间的匹配。对于光探测器和调制器，还需进一步测试其射频频率响应。
偏振对准的挑战
晶圆级光测试通常通过光探头将光耦合到晶圆波导中。标准单模光纤（SMF）的纤芯直径约为 9 μm，明显大于晶圆上的典型波导尺寸，同时圆形光纤纤芯与矩形波导在结构上存在差异，因此通常需要通过耦合光栅、锥形波导等结构实现模式匹配和高效耦合。
波导尤其是耦合光栅的耦合效率通常对偏振十分敏感，因此测试时必须考虑入射光偏振与波导光轴之间的关系。典型平面波导存在两个正交偏振模式，即横向电场（TE）和横向磁场（TM）模式。
图 1：将光探头的光束通过表面光栅耦合到晶圆波导结构中。箭头指示 TE 偏振的电场方向。
一种解决方法是使用保偏光纤（PMF）。当激光输出、光纤主轴和晶圆波导轴能够准确对准时，可以获得稳定偏振。但这种方案灵活性较低，光路中的衰减器、开关和耦合器等也需要采用保偏器件，连接误差还可能增加模式串扰。
另一种方案是在 SMF 探头前加入偏振控制器，通过优化被测器件（DUT）的输出信号实现偏振对准。这种方式适用于固定波长，但偏振控制器和 SMF 的输出偏振通常随波长发生变化。当进行宽波段扫描时，如果只在某一波长优化偏振，随着扫描波长远离该点，测量结果会逐渐偏离真实的目标偏振响应。若在多个波长处反复重新优化，又会显著增加测试时间。
单次扫描测量与矩阵分析
由 N7700A IL/PDL 软件引擎控制的测试系统提供了一种更加高效的方法。该方案无需预先优化偏振，只需进行一次波长扫描，即可获得器件的偏振平均响应、偏振相关损耗（PDL）以及沿器件主要偏振轴的插入损耗或响应度光谱。
图 2：偏振片的插入损耗测量结果；蓝色：使用偏振控制器在 1550 nm 处对准偏振， 红色：使用矩阵测量计算对准的偏振处的 IL。
测量过程中，N7786B 偏振控制器快速切换一组 6 种偏振态（SOP），同时可调谐激光源连续扫描波长。每组 6-SOP 序列的输出信号可在约 300 μs 内完成测量，因此不同偏振态之间的测量时间间隔很短，可有效降低振动和漂移造成的误差。
扫描过程中，仪器实时记录波长、SOP 和输出信号。软件根据这些数据计算描述器件偏振特性的 Mueller 矩阵，并进一步获得偏振平均插入损耗、PDL 以及与器件两个光轴相对应的两组光谱。
软件通常将两组光谱作为 TE 和 TM 光谱显示。不过，测量本身无法绝对判断哪一组属于 TE、哪一组属于 TM，因此仍需要结合器件的预期特性进行确认。TE 和 TM 光谱还可能随波长发生交叉，因此这种方法并不等同于简单提取每个波长处的最大和最小响应。图 4 所示为另一个通过测量直接获得的 TE/TM 结果示例，其中被测器件上的 TE 和 TM 光谱出现（多次！）交叉。
图 3：使用 N7700A IL/PDL 软件进行单次扫描矩阵测量的基本仪器。
图 4：光集成电路在 TE 和 TM 偏振模式下的插入损耗光谱，通过单次扫描矩阵测量确定。
采用矩阵测量后，探头完成基本耦合即可直接进行宽波段扫描，无需首先进行精确偏振对准，也不需要在扫描过程中反复补偿偏振随波长产生的变化，从而同时提高测试效率和测量质量。
静态模式
晶圆测试不仅需要获得波长扫描结果，还经常需要在固定波长和确定偏振态下完成探头定位、耦合优化，以及器件对温度、电压、调制频率等参数的响应测试。N7700A IL/PDL 引擎的“静态模式”可支持这些操作。
静态模式能够设置激光波长、功率和偏振态，并控制 N7786B 输出选定的 SOP。更重要的是，该模式可以利用此前单次扫描矩阵测量得到的结果，自动判断应如何设置偏振控制器，使最终到达器件的偏振与目标光轴相匹配。
图 5：IL/PDL 引擎客户端的“静态模式”选项卡。
典型操作流程是：首先粗略调整探头，使器件具有足够的输出信号；随后进行一次 IL/PDL 波长扫描；根据扫描结果选择合适的工作波长，并将偏振设置为该波长下最大或最小输出状态；然后利用这一偏振进一步优化探头位置；最后再次进行完整扫频测量。
这种方法可以将前一次矩阵测量获得的偏振信息直接用于后续器件调节，从而减少人工反复寻找偏振方向的过程。
如果工作波长位于 TE 和 TM 光谱交叉附近，最大和最小输出无法明确对应器件的两个光轴，此时可使用 PDL 分析得到的主要偏振态 PSP1 和 PSP2 来设置 SOP。静态模式也可以调用之前保存的测量文件作为偏振设置依据，但要求偏振控制器与器件之间的光路保持稳定。
图 6：测量曲线说明了使用 PDLPSP 设置来确定 SOP 的情况。
SOP 稳定与扩展测试
由于 SMF 中的偏振会受到温度、光纤移动等因素影响，N7786B 在静态模式下可以主动稳定输出 SOP。系统通过小幅度偏振调制获得反馈，对环境变化造成的偏振漂移进行补偿。如果这种调制会影响其他测量，也可以关闭稳定功能并保持当前波片设置。
这一功能还便于在不同光源之间切换。例如，可通过光开关选择可调谐激光源或 N4373E 光波元器件分析仪（LCA）作为 N7786B 的输入。首先利用可调谐激光和矩阵测量确定器件的 TE/TM 偏振轴，再在静态模式下将 SOP 调整到目标偏振。随后将输入切换到 LCA，即可在保持相同器件偏振条件的情况下测试器件的射频频率响应。
对于光探测器，还可以使用源表模块代替光功率计测量光电流，从而获得器件的波长相关响应度。结合 LCA，还能够进一步测试光电或电光器件的高频响应，并对附加光路及射频探头引入的衰减和延迟进行校正。
图 7：使用矩阵测量来设置和稳定偏振的配置示例，该配置也适用于对 LCA 的调制光信号进行测量。
通过将单次扫描矩阵测量、静态偏振设置和 SOP 主动稳定结合起来，IL/PDL 测试系统能够减少传统方法中重复进行偏振优化的过程，为晶圆和芯片级 PIC 的宽带光谱测试、探头对准以及高频器件测试提供更高效、稳定的偏振控制方案。
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