光子测试的挑战

由于数据量的快速增长以及快速移动数据和最小化热量的需求，光子学有望实现显着增长。但要充分发挥其潜力，光子学必须克服几个生产障碍。

今天最大的挑战是结盟。虽然该行业准备生产数十亿台，但它仍然依赖于无法扩展的测试实践。

美国Physik Instrumente USA (PI)的光子学负责人斯科特·乔丹(Scott Jordan)说:“在光子学中，你需要将光引入，并将其耦合到晶圆上的光子电路中。”“因此，校准必须在几十纳米内是正确的，沿着最佳轴的精确角度和z位置，以实现最佳耦合-使光进出一个设备或一系列设备。”

其他人也同意。博通光学系统部营销和运营副总裁Manish Mehta表示:“物理对齐是许多公司正在努力解决的一个重大问题。”“如果你正在使用高密度硅光子学，你必须将光学元件连接到你的光学引擎上，以一种可以让光线进出的方式，这是整个光学行业非常普遍的投资。无论是芯片公司、收发器公司，还是现在的原始设备制造商，每个人都开始投资于构建光学对准的一些能力，作为制造过程的一部分。”

事实上，约80%的光子集成电路的成本消耗在对准过程，据乔丹说。

像光子学中的大多数事情一样，它比CMOS制造要复杂得多。“对于光子学来说，测试意味着能够耦合并获得芯片上的光的信息，”吉尔斯·拉曼特(Gilles Lamant)说节奏。“这不仅仅是在电子设备上安装一个着陆垫。在大多数芯片上，光与芯片平行。测试需要挑选并修改它。对齐也是为了耦合，所以在一个包中，如果没有完美的对齐，就会失去一些功率。你总是听到人们谈论他们在对齐时损失了多少db。这就是挑战所在。”

所涉及的容忍度增加了这一挑战的严重性。例如，光子互连比典型的片上互连小约1000倍。

Infinera光模块和相干解决方案首席技术官Robert Maher表示:“光子学通常需要亚微米精度的光学元件在封装内的放置，以使芯片与光纤或其他光学元件对齐。”“这是因为光子集成电路中的模式直径在几微米(1到3微米)的数量级上。光纤中的模式比典型的波导设备(如激光或PIC)更大，需要一个透镜或一系列精确对准的透镜来映射/对准它们。模式尺寸与折射率成比例，而不仅仅是尺寸或直径。”

在光子学的许多领域，没有边际，Twan Korthorst警告说Synopsys对此。“根据公差的不同，如果你的应用是对功率预算敏感的，并且你在光纤芯片耦合或激光芯片对准耦合中损失了很多dB，那么你的整个系统就无法工作了。”

电子产品的另一个不同之处在于，它强调了为什么正确对准是如此重要。Lamant说:“在电子学中，你可以有一个放大器，所以当你有一个长链处理信号时，你可以在这个过程中再生你的信号。”“在硅光子学中，你不能这样做，因为没有有源器件，所以你必须非常小心每一级的插入损耗。当然，在电子学中，你也会试图减轻你的损失，但插入一个缓冲器来再生你的信号是相当常见的。这在今天的光子学领域是很难做到的。”

有许多研究致力于在硅上嫁接有源器件。尽管如此，光子学还是有它自己的特点。

“重要的是要考虑到电通道和光通道的巨大差异，”John Calvin说，他是IP有线技术的高级战略规划师Keysight技术。“两个电子芯片之间的‘通道’或走线可能只有几厘米，但衰减可能在40 dB左右。光纤损耗极低(<0.5 dB/km)，通道长度可达10km以上。与频率相关的衰减不同，光发射机是在信号色散和预期接收器灵敏度的背景下测试的。光信号依赖于光载波，因此为了避免信道干扰和控制色散，控制载波的波长性能也很重要。”

测试选项
考虑传输需要发生什么，特别是当数据速率增加时。卡尔文说:“由分立元件制成的发射机需要对光学元件进行校准，以尽量减少衰减。”光学调制器也需要偏振校准才能正确工作。虽然不像光束对准那样，但也存在优化光的光电转换或调制的问题。”

在这种情况下，光束的对准可以通过简单的功率测量来完成。“光调制质量必须用高速仪器进行评估，”Calvin说。“对于强度调制的直接检测系统，通过数字通信分析仪获得的发射机眼图被评估并用于验证眼图质量。对于相干(复调制)系统，使用光学调制分析仪测量星座图。

一般来说，有两种类型的测试来确定对齐-主动测试，占主导地位，和被动测试。

主动对齐是一个反馈回路。“人们引入一根光纤，给它通电，然后用XYZ和均匀旋转系统在光纤周围移动，测量光纤到芯片的实际耦合，并在测量到最佳传输时对其进行修复，”Synopsys的Korthorst说。“因此，测试实际上是实际组装过程的一部分，因为你有一个反馈回路，你在通过粘合或焊接进行修复时进行测量。”

在光子学开发的这一点上，主动测试要么由公司创建自己的内部测试平台，要么通过第三方测试工具供应商完成。Jordan的PI公司声称拥有业界最快的测试和组装校准速度，这是大批量生产的基础，并且可能仍然是供应商声称的关键区别。

Lightwave Logic首席执行官Michael Lebby表示:“在过去的10年里，有更多的标准解决方案用于测试和评估光学组件和封装。“这将继续增加，因为随着光学工业的体积不断增加，我们必须缩短测试时间。当我在2000年刚开始工作时，测试和评估一个光模块需要两到三个小时。现在已经缩短到不到一个小时，我们的目标是在几分钟内完成。”

博通宣布了一种被动测试系统，如果它的性能符合承诺，将大大提高测试速度，并支持共封装光学器件(CPO)的大批量生产。被动测试消除了反馈回路，是一个独立的、自诊断的系统。

对于具有可拆卸光纤的CPO，仍然需要将无源光学元件连接到光引擎上的主动对准步骤。然而，一旦发动机完全组装完成，就可以通过被动插入光纤电缆在发动机和CPO水平上进行测试，从而实现在不同装配水平上进行稳健的测试流程。“你不能永久地连接纤维。你有一个光引擎，你必须插入一根光纤电缆，以便让你的光进出，但它是可拆卸的。”“正因为如此，我们可以建立测试系统，你只需要插入你的光学引擎，你插入光纤，你就可以进行测试，它是被动对准的，它是自对准的。这是我们制造过程的一部分，你可以得到校准。”

更大的吸引力
这在很大程度上是光子学成熟的标志。直到最近，其较小的市场规模可能对较大的工具供应商提供较少的吸引力来加入解决方案。

虽然光子学在电信领域已经建立了很长时间，但与汽车激光雷达等新应用相比，这个市场需要安装的设备更少。Infinera市场营销高级副总裁Rob Shore表示:“由于这些高速光学器件大多用于核心批量大规模传输应用，因此产量并没有那么高。”“直到最近，我们才开始更多地关注边缘应用和可插拔设备，其数量从数百或数千台增加到1000多万台。”

光子学在20世纪90年代是一个大热词，因为早期互联网的前景促使电信公司安装光纤电缆。但是，一旦有了足够的光纤，这种兴奋感就会消退，整个行业只是在哼哼着。现在，随着最近数据的繁荣，兴奋又回来了，整个行业又像1999年一样狂欢起来，但有一个重要的例外——这次的狂欢不太可能散场。

“这个神奇的词是消费者，因为当你开始进入数十亿的数量，而不是几百万，”PI的乔丹说。“目前对硅光子学的兴趣是由数据中心的能源效率、容量和速度驱动的。从现在起，它将成为这个领域的驱动力。这与1997年至2000年的情况不同，当时只有一个申请。”

随着行业需求的变化，特别是在数据中心，变化正在出现。Keysight的Calvin表示:“过去几代数据中心规范严重依赖于通过重新定时和信号再生来处理信道损失。“误码率是优先考虑的，不太重视延迟和总功率性能。由此产生的大量的dsp和耗电的架构现在正受到严格的审查。有直接驱动(有时称为线性驱动)举措，消除了许多这些再生电路，并强调线性/模拟信号调理。在这种直接驱动的情况下，曾经两个明显分开的领域变得不可分割地联系在一起，成为单一系统的一部分。测试策略需要建立在保持信息信号完整性的基础上，因为信息信号从电子传输到光学，再传输回来。”

结论
行业成熟度可能会改变一些测试环境，但不是全部。

卡尔文说:“随着硅光子学的出现，由于‘系统’是使用传统的微电子CMOS制造工艺构建的，因此许多制造可变性都消失了。”“这可以简化甚至消除一些所需的测试。但过程可变性仍然存在，并且仍然需要进行一些测试，例如高数据速率下的波形质量。”

总的来说，人们乐观地认为，在一个熟悉的行业周期中，更大的需求将导致合适的设备变得更广泛。“光子学就像35年前的半导体工业，”乔丹说。“到处都是人们用定制的机器做一些体力活。但这个生态系统不断发展，今天你可以通过写采购订单来装备半导体工厂，我们看到光子学领域也在发生这种情况。”

Mehta表示同意，并强调了该行业不同领域的变化。“大约十年前，人们开始去找一些高精度的模具供应商，要求定制当时用于非光学产品的工具。在接下来的两到三年里，需要进行大量的定制，但随后每年部署的光收发器数量达到1000万到2000万台。现在，如果你走进这些供应商，你问他们光学所需的校准要求，他们确切地知道你在寻找什么。我们只需要获得销量。”

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