【经验】Keysight测试仪器和软件用于硅光晶圆测试/芯片测试方案

继光模块设计与仿真专题之后，继续分享由KEYSIGHT武汉工程师朱振华准备的硅光测试总体方案。武汉作为光电子产业基地，聚集了光通信行业龙头企业的研发机构，同时也是其次疫情最严重的地区，然而我们相信，熬过严冬是春天，疫情终将消散，光通信产业依然充满着勃勃生机。

正如近期业内的两大收购事件，诺基亚收购硅光初创公司Elenion；博创科技与Sicoya，源杰半导体成立合资公司以拓展硅光技术领域。都说明了产业界对硅光领域广为看好，且期待加速其发展进程应对5G，云计算和大数据快速发展带来的光连接需求。

电接口等的测试方法原理有深入了解和丰富的实测经验。这一份硅光测试方案包括：

01. 硅光技术的背景、发展和市场概况

02. 硅光测试的分类

03. 硅光晶圆测试/芯片测试方法和测试方案

一、硅光技术的背景、发展和市场概况

硅光技术的背景

从上世纪80年代以来，光电子器件获得了高速发展。以光纤为介质的光通信技术逐渐成为远距离传输/高速互联接口的主要形式。不过光纤只是光通信中的传输"通道"，而光信号的发射、调制、接收则需要光模块。光模块的作用简单的说就是光电转换，发送端把电信号转换成光信号，通过光纤传送后，接收端再把光信号转换成电信号。其中，光电芯片是光模块的心脏，也是整个光通信系统的核心。

近些年来，随着数据中心应用及相干光通讯技术对光电器件低功耗/高密度/低成本等的实际需求，基于光子集成技术的光电芯片的发展也非常迅速，作为组成通信系统的各种关键光电芯片，其性能会对整个系统的性能有直接和关键性的影响。       

典型的光电芯片分为：

• 无源芯片：阵列光波导(AWG)、可变光衰减器(VOA)、PLC光分路器；

• 有源芯片：激光器(DFB 激光器、VCSELS激光器)、光调制器、光电探测器等光-电、电-光芯片。

以实现信号的光信号的方向/功率控制及光-电、电-光转换。

随着集成技术尤其是硅光集成技术的日益发展，集成无源及有源单元的光子集成芯片成为了下一代的发展方向。和常规的大规模集成电路芯片不同，光电芯片（特别是激光器芯片）本身材料成本（III-V, II-IV族）高、制造流程多、工艺复杂、废品率高等特点，这使得On-wafer测试极为重要。通过在晶圆阶段对光电芯片进行性能评估及筛选，可以避免对本身残次芯片高昂的封装成本。

众所周知，如今的各种电学芯片得到了广泛了应用，这很大程度上得益于半个多世纪前，硅使微电子的发展取得了巨大的成功，能够大规模进行集成电路的制造。随后，化合物半导体也开始推动光通信的发展。随着这两个行业的迅猛发展，他们已经逐渐融合并形成了以光电集成为代表的交叉领域。但化合物半导体与CMOS工艺之间的巨大不兼容性并没有消除，为此，硅光子学便应运而生。

什么是硅光?周治平教授在《硅基光电子学》一书中给出了其定义“研究和开发以光子和电子为信息载体的硅基大规模集成技术。其核心内容就是研究如何将光子器件“小型化”、“硅片化”并与纳米电子器件相集成，即利用硅或与硅兼容的其他材料，应用硅工艺，在同一硅衬底上同时制作若干微纳量级，以光子和/或电子为载体的信息功能器件，形成一个完整的具有综合功能的新型大规模集成芯片”。

相比于传统的化合物半导体，硅在光通信或光互连中具有如下优势：

硅与传统的CMOS 工艺兼容性很好，利于集成；

其在地壳中含量高，减缓了人们对资源的需求压力，也意味着成本低廉；

硅对通信波段透明，意味着光学损耗低；

硅折射率大，具有优秀的波导性能；

硅片尺寸大，机械性能好，易加工。

特别是绝缘体上硅(SOI)具有高折射率差、结构紧凑、与CMOS工艺兼容、易于光电集成等诸多优点而受到广泛的关注。

硅光技术的发展

硅光技术其实早在30年前就开始发展了，那个时候先出现了奠定硅光技术的理论基础，如Sore波导理论、激光放大理论、硅掺杂调制等等，但器件的发展开始是比较缓慢的。

直到2004年，英特尔研制成功1Gbps的硅光调制器——标志着徘徊多年的硅光电子学研究，取得了突破性的进展。

随后几年，硅光芯片/器件的研究得到了迅速的发展，例如2016年首个英特尔硅光电子100G光学收发器投入商用；

2018年，复旦大学成功研制出世界上首个全硅激光器……硅光技术已经走向高速发展的快车道，向着自动化、大集成方向发展。

高速发展的背后，是强劲的市场需求。著名第三方机构对未来几年硅光收发器市场做了预测，如下图1，可见增长速度十分迅猛，2025年的规模几乎是2016年的10倍。

市场的需求推动了技术的发展，也促使了整个产业生态链的构建，如下图2所示，硅光子产业阵容十分豪华，囊括了从互联网运营商到设备商、从光模块/器件厂商到芯片设计厂商、再到芯片制造商的完整布局。

尽管目前硅光技术还有很多问题和挑战需要逐步克服，但全行业都对这一方向非常看好，相信在不久的将来定会得到广泛的应用。

是德科技（Keysight Technology）作为全球最大的电子测试测量公司，自然也不会错过硅光这一技术机会。针对基于硅光技术的各种晶圆/芯片、乃至器件/模块，是德科技都可以提供相应的测试方案。

下面先梳理一下硅光产品的典型生产周期，从而进行测试分类，然后再介绍每种测试类型的测试挑战、测试方法和方案。

二、硅光测试的分类

1硅光产品的典型生产周期

以基于硅光技术的光收发器模块为例，从材料生长到最后的产品出货，会经历很多制造/测试环节，其典型的生产周期可以参考下图3：

其实，无论是电子元器件产品还是硅光模块产品，都有上述类似的生产周期。但从整个生产周期的成本比例来看，对于电子元器件产品，80%的成本是在硅芯片上，只有20%的成本是在封装后的环节；而对于光模块产品，则恰恰相反，芯片封装和模块组装环节占到了整个成本的80%，而另外20%是在硅光芯片级别的生产上面。

从这个规律可以看到，如果不在硅光芯片层面上控制好良率，挑选出合格的芯片来进行后续的生产制造，那么则会降低产品的最终良率，导致生产成本过高。

因此，有必要对硅光产品的测试进行划分，按照测试对象的类型不同可以分为晶圆/芯片级别的测试和模块/应用级别的测试两大类。

2硅光晶圆/芯片级别的主要测试需求

在前面介绍的硅光产品生产周期中，晶圆/芯片级别的测试将主要发生在Wafer Test 和Dice & Sort这两个环节上。这时的被测对象从形态来讲位于晶圆上面或者是单个芯片chip；从构造来讲，主要为各种光波导，包括无源光波导和有源激光器、调制器、探测器等。其主要的测试需求包括以下两个方面：

a. 波长域的测试：主要包括波长相关的参数，如功率、插入损耗、偏振相关损耗、TE/TM损耗等；

b. 频域的测试：主要包括幅度/相位频率响应、带宽、平坦度、群时延、回波损耗等。

3硅光模块/应用级别的主要测试需求

当面芯片/器件被封装成光模块后，就要进行模块级别的测试，而且对于不同应用的光模块，其测试需求和测试方法也是不同的。硅光模块主要可以应用在两个领域：数据中心/接入网应用，相干光通信应用。每种应用的不同测试需求主要有：

a. 数据中心/接入网应用：测试模块光/电接口的NRZ/PAM4眼图和眼图的各种参数（如NRZ眼图的模板余量、PAM4眼图的TDECQ等等），接收机的灵敏度测试等；

b. 相干光通信应用：测试相干光模块的光信号的星座图、EVM等参数。

以上硅光模块的测试需求其实和普通其他光模块是类似的，其测试方法和方案是可以通用的，将会在后面章节展开。

三、硅光晶圆/芯片级别的测试方法和测试方案

1硅光晶圆 / 芯片的波长域测试方案

1)测试方案的组成和仪表特点介绍

是德科技提供的基于单次波长扫描的穆勒矩阵法的 N7700A IL/ PDL测试系统可以很好的应对前述的测试挑战。

该系统的典型方案由高性能高分辨率可调光源(81606A)、8 通道光功率计(N7745A)、偏振控制器(N7786B)组成，配合自动光探针耦合对准系统，以及相关测试软件 N7700A，就能够支持各种多端口无源光芯片 (CWDM/DWDM光复用器/解复用器/PLC光分路器/阵列波导AWG芯片等)的On-wafer级别测试。测试系统 框图如下所示 :

该测试系统平台各组成部分介绍如下

a. 可调谐光源：是德科技近年推出的快速扫描可调光源模块81606A，可以覆盖1240-1650nm的全波段(视不同选件组合)，最快扫描速度可达200nm/s ；在保证测试精度的同时，结合快速多通道功率计，最快可以以2Hz 的速度扫描，基本上与多波长计的扫描速度媲美。

概括起来，是德科技可调光源有如下几个特点：

波长精度/波长稳定度最高：

可调光源最重要的指标是动态扫描状态下的波长精度和波长重复性，以及波长稳定性，因为绝大多数可调光源实际工作状态是在连续扫描而不是静止在某一个波长的状态。在这方面是德科技的可调光源表现尤为出色，动态扫描下波长精度± 1.5 pm，波长重复性± 0.2pm，波长稳定性可达≤ ± 0.5 pm, 24 hours。

扫描速度快：

是德科技可调光源最快扫描速度是200nm/s，并且支持双向扫描。

可调光源波长分辨率高：0.1pm。

将高功率输出和低噪声输出合二为一：

在保证高功率输出的同时，保证了更大的动态范围。光功率输出最大+12dBm，并且信号对SSE的比≥ 80 dB/nm(≥ 90dB/0.1nm)。

具有极窄的线宽(<10KHz)和极低的相对强度噪声(<-150dB/Hz)。

b. 偏振控制分析仪：N7786B 偏振合成控制器是集偏振控制器和在线偏振分析仪于一身的测试仪表，它可以快速准确设置特定偏振态，并配合相关测试软件，可实现基于单次扫描的穆勒矩阵法来测试偏振相关损耗PDL随波长变化的谱分析。此外，N7786B也可以应用在快速偏振扫描、扰偏、稳偏、PER、SOP分析等应用场合，是一款使用灵活、应用广泛的仪表。

c. 多通道光功率计： N7745A 多通道光功率计具有8 个光测试通道，可以当作独立的8 个光功率计使用。该光功率计平均时间非常快(最快可达1us)，最小输入功率-80dBm，单量程动态范围很大(>60dB)。在配合相关测试软件的情况下，可以快速准确并行测试多通道输出的光器件，例如如果同时使用6台，可以进行多达48个通道的同时光功率测试，且光功率计各个端口之间重复性好，只需要进行单端口参考测试然后复制到其他端口即可。此外，如果需要灵敏度更高的光功率计，Keysight还可以提供N7747A/N7748A光功率计，其最小输入光功率低至-110dBm。