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创建时间:2023-02-20

 

随着全球消费者和企业用户对网络以及云服务的需求向多样化的方向发展,社交网络、商务会议、人工智能/机器学习、医疗监护等诸多方面推动了数据中心基础设施的扩张。光模块已经成为电信基础设施中必不可少的技术,光互连无处不在。
 
市场分析机构Yole Group的报告[1-2]预测:光收发器市场的收入有望在2027年达到247亿美元,在2020-2026年实现15%的复合年增长率。其中,硅光技术的平台成熟度和迅猛发展的生态系统将推动价值54亿美元的数据通信市场,并在激光雷达、光计算、光传感、生物光子学等多个市场有新的应用。
 

 

硅光技术快速发展的同时也为硅光市场的玩家们带来了诸多难题:如何在短期内摸索出符合器件性能标准的工艺制程?如何提高PIC(Photonic Integrated Circuit,光子集成回路)晶圆的生产良率、降低成本?如何缩短芯片研发时间、加速产品迭代?解决这些难题的过程中,PIC芯片的测试是不可缺少的一环。
PIC芯片测试相较于IC(Integrated Circuit,集成电路)芯片测试,最大的不同是PIC芯片具有光耦合结构。通常情况下需要实现光纤与片上光耦合结构的精确对准,完成信号光的输入与输出(输出形式可能是光或电)。一般PIC器件具有多个输入输出端口且需要保持特定偏振态的光输入,因此需要在多个自由度上调整光纤与芯片的相对位置,这个过程是复杂且耗时的。如果采用人工测试方式,考虑到人力资源、生产环境、测试效率等诸多因素,单个器件的成本是十分昂贵的。2018年曾有研究人员[3]对测试成本进行了粗略估计:以200万美元的自动测试设备、40万美元/年的人力成本估算每秒钟的测试成本为3美分,考虑芯片制造成本进而预估1个10 mm2的芯片测试时间应当小于3-4秒,才能使芯片的测试成本与制造成本相当。这一估计虽然非常不准确但是说明了测试效率的重要性。为了提高测试效率同时注意到晶圆上同一die的测试准确性,晶圆级全自动化测试的重要性不言而喻。
在进行自动化测试前,通常会考虑DFT(Design for Testability,可测试性设计)这一概念。一般意义上,可将其理解为在流片前的器件设计布局阶段,考虑器件的可测试性特别是可自动化测试,从而有目的性地对PIC器件的耦合器位置、电极尺寸、间距、位置等进行设计。PIC晶圆的直径通常为12英寸或8英寸,测试时通常需要将单光纤或者各种类型的光纤阵列靠近晶圆表面的耦合器直流或射频探针卡的针尖接触晶圆表面的电极。一个经过良好DFT的器件可以保证自动化测试的顺利进行。
从测试的角度出发,通常将PIC芯片分为无源(Passive)和有源(Active)两种类型。对于Passive器件,通常由波导、光栅耦合器GC、端面耦合器EC、多模干涉仪MMI、定向耦合器DC、分路器Splitter等基本结构组成;对于Active器件,通常包括激光器、光电调制器、光电探测器、光开关等。对于前者,通常测试的参数为插入损耗IL、偏振相关损耗PDL、回波损耗RL等;对于后者,除无源参数外,通常测试响应度、电流-电压曲线、调制带宽、群时延等。

 
目前,上海交大-平湖智能光电研究院对外提供PIC晶圆测试服务。以下为基本情况介绍:
  • 支持12英寸的晶圆,同时向下兼容bar条及die芯片;

  • 支持垂直及水平耦合方式,支持单光纤以及光纤阵列。其中,晶圆级水平耦合有两种方式:基于PWB(Photonic Wire Bonding,光子引线键合)的水平耦合技术和基于反射式光纤的水平耦合技术。适用于模斑尺寸9&3μm的耦合器;

  • 支持直流及射频探针卡;

  • 支持有源及无源参数测试;

  • 支持定制光纤/探针卡;

  • 支持以下类型的器件布局:左侧及右侧支持各类光纤及探针卡,上侧及下侧支持各类探针卡;

  • 无源及有源参数测试的时间参考。

  1. 无源测试:2 Ports,IL谱线扫描(Range@100nm,Step@5pm),包括光纤移动、耦合、测试、通信等
  2. 有源测试(MOD)2 Ports,S参数测试(IF BW@2kHz,Points@6700),包括光纤移动、耦合、测试、通信等
  3. 有源测试(PD)1 Ports,IV(-2V to 1V),S参数测试(同MOD),包括光纤移动、耦合、测试、通信等

  • 以下为各种测试类型示意图:(滑动查看更多)

 

 

参考资料:
[1]https://www.yolegroup.com/product/report/optical-transceivers-for-datacom--telecom--market-and-technology-report-2022/
[2]https://www.yolegroup.com/press-release/silicon-photonics-to-soi-and-beyond/
[3]Robert Polster, Liang Yuan Dai, Michail Oikonomou, etc. “Challenges and solutions for high-volume testing of silicon photonics.” Silicon Photonics XIII 10.1117/12.2292235 (2018).

 


作者:刘建军

编辑:徐千棋

 

 

 

最新成果丨硅光晶圆测试能力再提升!