本日，光子集成电路（PIC）在很大程度上推动带宽不断发展——400G支配越来越多、5G日益遍及、数据中央呈爆炸式增长。PIC虽然体积小，但功能强大，正在推动电信业的未来发展。近年来，这一颠覆性技能的发展速率不断加快，紧张运用于电信领域，但同时也运用于医疗、传感和军事领域。PIC常常被拿来与首创性的电子处理器进行比拟，与后者相同的，它也同样首先在晶圆上被制作出来，然后被切割成单个芯片。
PIC将光子学引入集成电子学领域，以紧凑的设计将光子器件（如激光器和调制器）与光-电、电-光、全电子乃至射频等各种器件结合起来，运用于从医学到数据中央、自动驾驶汽车和量子打算等诸多领域。
然而，测试如此繁芜的器件带来了许多寻衅。测试每个芯片上包含的各种有源和无源光、电子或射频器件的关键参数可能是件非常棘手的任务。
在PIC发展的早期，设计、制造和测试事情都由学术或高度专业化的研究小组完成。由于这是一个漫长而繁琐的过程，因此PIC测试和丈量工程师常常须要创建自己的定制办理方案。现在，将PIC量产的压力越来越大，须要能够更快、更可靠地完成PIC的测试与丈量任务。
在测试PIC的光学特色方面，目前有几种测试办理方案和丈量方法可供选择。本文先容了直接在晶圆上进行光测试的基本事理，以及测试PIC芯片上有源和无源器件的尚佳方法。
PIC根本知识
PIC是一个紧凑的光子系统，通过将数十个、数百个乃至数千个单独的器件组合到一个拇指大小的芯片上来实现繁芜的功能。PIC与电子集成电路（EIC）非常相似，也在可能包含数百个芯片的晶圆上制造出来。然而，与EIC不同的是，PIC的紧张优点是能够在紧凑的设计中将光功能与电子和射频功能结合起来。
有源光器件（即自身发光的器件，如激光器或放大器）常日在磷化铟（InP）晶圆上制造，而硅光子晶圆（SiPh）是用于制造无源光器件（如环形谐振器）的首选材料。基底材料的选择也在很大程度上取决于终极运用和事情波长（可见光、近红外光或红外光）。
与块状的光器件比较，PIC除了芯片明显紧凑外，还具有本钱低、事情功率低、可批量生产、可重复性高档优点。它们还可以实现传统光模块无法实现的分外光构造设计。
PIC技能正在迅速发展。下图显示了现有的几种PIC组成办法。将这些器件组合在芯片上，可实现所需的特性和功能：
波导、延迟线、分路器和多模干涉耦合器复用器（Mux）/解复用器（Demux），常日基于阵列波导光栅（AWG）基于马赫-曾德尔干涉仪或环形谐振器的电光调制器可嵌入芯片的光电检测器，用于在芯片内进行光功率监测图1：PIC组成部分（图片由CEA Leti供应）
然而，要充分发挥PIC的潜力，还须要战胜一些障碍。由于光本身的缘故原由，光子集成电路存在一些比较严格的限定：操纵光子不像操纵电子那么随意马虎！
利用纤芯为10μm的光纤对进出PIC的光进行耦合须要专业知识。这使得PIC的测试和封装变得更加艰巨，而这些芯片的测试和丈量已经成为制约全体PIC行业发展的瓶颈。必须在知足测试与丈量哀求的同时，不会对制造商每年生产数以十万计的器件造成影响。
这些组成PIC的器件在电信行业已经利用了十多年，用于制造繁芜的系统，如收发器和可调谐激光器。PIC尤实在用于电信领域，由于它们可以应对该行业面临的寻衅：对建立高速网络所需的紧凑型设备、更高带宽和能效的需求日益增长。5G以及数据中央和网络其它部分的数据速率从400G提高到800G及更高，都依赖于从设计到封装的PIC全程高效开拓。
运用
作为一项渐趋成熟的技能，PIC还在电信以外的多个领域有巨大的运用潜力，包括传感、政府和军事运用、医疗和生物成像，以及随着自动驾驶汽车的涌现而变得日益遍及的激光雷达。潜在运用的爆炸式增长使适合局采纳多项方法——紧张是在美国和欧洲，以支持从事PIC设计、研发以及量产的公司和企业的发展。因此，PIC技能正以更快的速率从大学实验室走向主流运用。
PIC：测试与寻衅
带宽持续增长，推动PIC技能不断发展，从而对PIC的测试和丈量提出了更严格的哀求。制造商和运营商比以前更加须要更迅速、可靠的测试方法。
01
测试：PIC发展项目中的关键步骤
TAP（测试、封装）占PIC芯片生产总本钱的80%。测试是PIC项目每个阶段都必不可少的一部分：从设计和制造到封装。代工厂的工程师直接对晶圆进行测试，以改进制造工艺，并确定每个晶圆性能的公差和极限。这些测试结果被反馈到工艺设计工具包（PDK）中，PDK实质上是光器件的光电特色数据库，通过它可以建立精确的芯片终极特色模型。功能测试在包装阶段进行，在将芯片交付给客户之前检测这些芯片。这种测试类似于范例的无源器件规格和可靠性测试（光纤输入/输出或电子输入/输出测试）。
02
晶圆级测试
晶圆级测试的性价比最高。纵然须要专业设备来实行关键的参数丈量，也可以自动测试和选择数百个PIC。乃至可以直接在晶圆上进行更高等的芯片测试，从而真正地验证裸片。
测试从晶圆边缘到中央的多个芯片，可以供应有关芯片制造工艺的关键信息。在开拓过程中，当测试为研究目的而生产的晶圆时，可以网络到大量利用特定生产配方时涌现了哪些工艺问题或导致了哪些非常的干系信息。这有助于将可接管的工艺和公差与毛病或非常联系起来。在生产过程中，晶圆级测试的目标是将坏芯片和好芯片区分开来，以便可以尽早丢弃有缺陷的PIC，由于切割和包装坏芯片会造成很高的本钱。须要迅速、可靠地完成工业规模的PIC测试。由于有许多芯片要测试，以是将好芯片和坏芯片区分开来至关主要。
探针台已经得到了广泛的发展，运用于电子领域，如CMOS（互补金属氧化物半导体）晶圆测试，但升级这些系统以便对进出芯片的光进行光子耦合则是一个全新的寻衅。
图2：MPI Corporation利用EXFO CTP10组建的完全晶圆PIC测试系统
首先，由于光子耦合点的尺寸比电垫小许多，因此校准系统的精度至关主要。其次，利用纤芯直径为10 um的光纤进行光耦合，须要6轴对准。
在完成测试的校准部分后，就可以开始光学特色测试。上图显示的是利用EXFO的CTP10器件测试平台进行的测试过程。接下来，可以从PC上的定制软件掌握所有设备，从而将全体测试过程自动化。
03
封装
在切割之后，将PIC终极封装起来也须要进行测试。此时，功能测试比参数测试更加主要。仍旧可以利用EXFO的CTP10这样的器件测试仪，以确保对准以及插损和偏振干系性精确无误。
04
利用光电二极管的上风
光电二极管很随意马虎地刻在晶圆上，并可以用来简化和加快测试过程。在光路上设置测试点，这些测试点不须要进行光纤耦合，从而节省了宝贵的测试韶光：光路中的光电二极管可以代替光栅耦合器。它们不须要在电垫上精确对准，并且比光纤耦合更稳定。此外，这些测试点可以轻松地在成品PIC产品上切出。芯片上的多个光电二极管也可以排列起来以便于测试，就像光栅耦合器可以排列成光纤阵列一样。
PIC关键参数：测试什么
01
参数测试
光器件的基本特色是其光谱会随着波长的变革而变革。对付激光器或放大器等有源器件，光谱是波长变革光阴功率输出的丈量结果。
对付无源器件（本身不发光的器件），所丈量的光谱与插损（IL）相对应，即由于插入所述器件而导致的透射光与入射光的比率（单位为分贝，dB）。丈量器件的回损（被器件反射的光的比率）和偏振干系损耗（光的偏振导致的插损变革）光谱印记也很故意义。对无源器件的光谱剖析可以得到光风雅度、峰值波长、通带特色、开/关比、滤波器隔离度、滤波器带宽等结果。
02
功能测试
如果设计许可，晶圆级测试也可以从一开始就包括功能测试。例如，可以直接在晶圆年夜将马赫-曾德尔干涉仪用作调制器，并通过利用BERT和采样示波器剖析得到的眼图来对其进行功能测试。这将进一步降落集成有缺陷芯片的风险。
图4：
（上）马赫-曾德尔调制器的参数测试——光谱
（下）马赫-曾德尔调制器的功能测试——眼图
（图片由CEA Leti供应）
PIC的寻衅与测试方法
本日，有各种各样的办理方案来实行前辈的参数或功能测试。如前所述，PIC开拓职员正在探求更快、更可靠的方法来测试这些器件。下面，我们将先容最适宜这些新芯片的参数测试技能。
制造商正在探求可供应很高灵巧性、可靠性和速率的办理方案。他们还希望确保以同样大略的办法测试所有PIC，并且测试结果可信。
01
测试PIC的有源器件
PIC上的激光器和放大器等有源器件测试起来非常大略，可以通过光谱剖析仪（OSA）完成。对这些有源器件进行频谱剖析，可以得到详细的器件信息。检测收发器内部激光器的中央波长和边模抑制比（SMSR）。此外，还检测采取AWG构造的波分复用旗子暗记的光信噪比（OSNR）。
OSA可用来测试有源器件，只须要利用OSA网络来自激光器输出端口的光，便可以得到光源的光谱旗子暗记。
图5：利用EXFO的OSA20测试有源器件
前辈的OSA具有非常迅速的优点，能够以2000 nm/s的速率进行测试，每秒完成五次扫描，这足以进行实时的器件校准，且分辨率非常高，可以丈量关键的参数，如OSNR和SMSR。
02
测试PIC的无源器件
利用OSA测试无源器件也可以利用OSA进行无源器件测试。OSA与宽带光源（在较宽的波长范围内有一些功率）一起利用，具有既大又平坦的光谱和稳定的功率。光在被耦合到芯片内后，可以被网络并耦合起来，发送到OSA。OSA随后将进行扫描，以记录被测设备（DUT）的光谱相应。
这种技能的优点是速率非常迅速，但在可丈量的动态范围和光谱比拟度以及偏振掌握等方面存在不敷，且一次只能测试一个输出端口，因此对付一些端口数高的PIC运用来说不太实用。
步进式激光器测试法在标准、非PIC、无源的器件测试中已经开始利用一种方法，即步进式激光器技能。该方法绕过了OSA技能存在的问题：如果须要，激光器可以与一个由几百个功率计组成的检测系统结合利用。所有的功率集中在一个波长上，这意味着由于激光器的光功率密度缘故原由，动态范围会非常宽。这可供应很好的光谱覆盖范围，通过将几个激光器起来，大多数时候可在1250-1700 nm之间进行丈量。末了，由于激光器的偏振度很高，因此也很随意马虎掌握偏振度，从而能够进行PDL丈量。步进式丈量依赖于可连续调谐到不同波长的可调谐激光器。
该方法对粗光谱采样（>100 pm）具有很好的结果，在与外腔激光器（ECL）结合利用时，可以在几分钟内完成宽光谱范围的丈量，具有良好的动态范围。然而，当被测试器件须要更高的分辨率（常日为1 pm乃至更低）时，这种技能的速率就太慢了。对付光谱相应达到皮米级的环形谐振器来说，这是一大局限。
扫频测试法为了可靠地丈量现有的繁芜器件，最有效的方法是扫频测试法。这种方法利用一个连续可调谐的激光源和一个器件测试仪，当激光器扫描波永劫，该测试仪会同步记录波长和功率检测结果。该方法能在几秒钟内，以皮米级光谱分辨率和很大的光功率动态范围完成测试。
这种方法集连续可调谐的激光器的优点和器件测试仪的优点于一身。器件测试仪是一种专用仪器，具有非常短的测试韶光和非常好的精度：它在扫描激光器时同时记录测试波长和输出功率，而不是进行步进式波长丈量——每次将激光器移动一个步长。如果光谱范围较大（在鉴定涵盖所有电信波段的器件时很主要），也可以利用几个可调谐激光器进行测试，每个可调谐激光器覆盖被测总光谱的一部分，并将插损或回损结果合并到一个光谱中。此外，它是唯一能够在合理的韶光内供应皮米级分辨率PDL光谱丈量的方法。
图6：直接在晶圆上进行PIC测试
器件测试仪可以鉴定多个光输出端口的特色
下图解释了利用器件测试仪可以完成的操作，显示在一次扫描中能够同时测试25个通道。CTP10在几秒内以1皮米的分辨率完玉成部动态范围的测试。
图7：利用CTP10丈量AWG
03
功能测试
随着收发器变得越来越紧凑和高效，电信行业已经开始充分利用PIC技能。端到端收发器验证不仅须要光参数测试，更须要功能测试。
为了帮助收发器厂商确保全体产品生命周期的合规性，EXFO供应了一系列从晶圆级到封装的电气和光测试办理方案，包括EA-4000采样示波器和BA-4000误码率测试仪。
图8：EA-4000采样示波器眼图
PIC光谱测试的未来
光子集成电路具备无限的潜力，这意味着对这些功能强大的器件的需求十分巨大，且进一步发展这项技能有很大的推动力。由于PIC结合了一系列的光子和电子器件，因此测试它们非常具有寻衅性。鉴于对PIC的需求不断增长且PIC快速发展，现在就拥有更可靠、更快的测试办理方案至关主要。
从这些发展过程中我们可以清楚地看出，“按测试设计”PIC芯片对付缩短测试韶光，同时提高可靠性非常关键。设计、制造和测试之间的共生关系为我们在全体PIC开拓过程中理解和解决任何问题供应了一个路子。同样的整体方法可以运用于PIC组装和终极封装，以进一步降落TAP对芯片终极本钱的影响。
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