如何规模化测试硅光子芯片

AI 与高性能计算带来的带宽需求持续攀升，传统电互连在功耗、延迟和传输距离上逐渐受限，硅光子、近封装光学（NPO）和共封装光学（CPO）因此成为下一代数据中心的重要技术方向。但做出高性能光子集成电路（PIC）只是第一步，要把它变成可高量产、经济可靠的产品，还需要跟得上的测试基础设施。硅光子在传统电学表征之外增加了光学维度，对光纤对准、耦合效率、偏振管理和光学仪器提出新要求，测试不再只是质量关卡，而是制造策略的组成部分。 最基础的挑战是建立可靠的光学连接。与电学探针依靠物理接触不同，光学测试需要把光精确耦合进极小的结构，并保证器件之间、晶圆之间可重复。光纤位置或角度的微小变化都会影响插入损耗和测得的光学性能，使真实器件差异与测试引入的差异难以区分。因此高量产测试需要自动对准能力，通过视觉或图像定位把光纤阵列单元移近光栅耦合器，再用区域扫描和梯度搜索等反馈回路找到最佳位置，即所谓“主动对准”，并可能在 X、Y、Z 及三个旋转轴共六个自由度上优化。 通道数增加后问题更复杂：对准不能只优化单个通道，还要在多个通道间保持一致耦合；旋转对准会影响光束与多个光栅耦合器的重叠均匀性，其他角度调整则同时影响插入损耗和中心波长。偏振也是变量，光子结构对不同偏振态的响应不同，必须作为可重复生产工艺的一部分加以表征和控制。制造上的难点在于把这些功能自动化，同时不让对准时间成为吞吐瓶颈。 对准只是其中一环。PIC 可能集成光电探测器、调制器等，需要插入损耗、通道间一致性、光衰减、响应度和波长相关行为等多种光学与电学测量。串行执行会显著拉长测试时间，更可扩展的做法是让电学与光学能力集成、尽可能并行，例如先做电学对准，并在自动光学探针对准期间同步运行连续性等电学测试。光学仪器同样需要集成控制激光器、功率计等设备，支持多仪器或多通道并行，并通过自动校准与补偿维持测量一致性。Advantest 在这方面的工作支持在统一测试环境中使用多台光学仪器和并行功率计。 高量产 PIC 测试没有单一供应商能覆盖全部环节，方案涉及自动测试设备、晶圆探测、光学定位、光纤接口、光学仪器、器件设计与制造工艺，生态协作因此尤为关键。Advantest 与 FormFactor 合作开发了晶圆级光子测试环境，把电学测试仪器与晶圆搬运、光学仪器和自动光纤对准能力结合起来，其意义不在于单个组件，而在于形成可重复的制造工作流。随着硅光子、NPO 和 CPO 走向更广泛采用，行业需要建立兼顾不断演进的器件架构、并满足半导体制造所要求的可重复性、吞吐量和经济性的实用测试方法。