光子学测试中的挑战

由于数据量的快速增长，以及需要以最小的热量快速移动数据，光子学有望实现显著增长。但要充分发挥其潜力，光子学还必须克服几个生产障碍。

如今，最大的挑战在于调整。虽然该行业准备生产数十亿台，但它仍然依赖于无法规模化的测试实践。

“在光子学中，你需要将光引入晶圆上的光子电路，”美国Physik Instrumente (PI)光子学主管Scott Jordan说。“因此，对齐必须在几十纳米之内是正确的，沿着最佳轴有准确的角度和z位置，以实现最佳耦合——让光进出一个或一系列设备。”

其他人也同意。博通光学系统部营销和运营副总裁曼尼什·梅赫塔(Manish Mehta)说:“物理对齐是一个大而重要的问题，很多公司都在努力解决。”“如果你正在研究高密度硅光子学，你必须将光学元件连接到光学引擎上，以一种可以让光进出的方式，这是整个光学行业非常常见的投资。无论是芯片公司、收发器公司，还是现在的原始设备制造商，每个人都开始投资一些能力，将光学对齐作为制造过程的一部分。”

事实上，光子集成电路大约80%的成本是在对准过程中消耗的，Jordan说。

和光子学中的大多数东西一样，它比CMOS制造要复杂得多。“对于光子学来说，测试意味着能够在芯片上耦合光并获得有关光的信息，”法国科学院的杰出工程师Gilles Lamant说节奏。“这不仅仅是在电子设备上安装一个着陆平台。在大多数芯片上，光平行于芯片。测试需要发现它并对其进行修改。对齐也是为了耦合，所以在一个包中，如果没有完美的对齐，就会失去一些动力。你总是听到人们谈论他们在对齐时损失了多少dbs。这就是挑战所在。”

所涉及的容忍度增加了挑战的严重性。例如，光子互连比典型的片上互连小1000倍左右。

Infinera光模块和相干解决方案部门的CTO Robert Maher表示:“光子学通常需要在封装内放置亚微米精度的光学组件，以便将芯片与光纤或通过其他光学元件对齐。“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齐的透镜来映射/对齐它们。模式大小与折射率有关，而不仅仅是大小或直径。”Maher说。

在光子学的许多领域，都没有边际，特万·科托斯特(Twan Korthorst)警告说Synopsys对此。“根据公差的不同，如果您的应用程序对功率预算敏感，并且在光纤芯片耦合或激光芯片对准耦合中损失了大量dB，那么整个系统将无法工作。”

电子产品的另一个不同之处在于，它强调了为什么正确对齐是如此重要。拉曼特说:“在电子技术中，你可以有一个放大器，这样当你有一个很长的信号处理链时，你可以在这个过程中重新生成信号。”“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层的插入损失。当然，在电子设备中，您也会尝试减轻损耗，但插入缓冲区来重新生成信号是相当常见的。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。不过，光子学也有自己的特点。

“重要的是要考虑到电通道和光通道的巨大差异，”John Calvin说，IP有线技术的高级战略规划师Keysight技术。“两个电芯片之间的‘通道’或迹线可能只有几厘米，但衰减可以达到40分贝。光纤损耗极低(<0.5 dB/km)，通道长度可达10公里或更长。光发射器在信号色散和预期接收机灵敏度的背景下进行测试，而不是依赖于频率的衰减。光信号搭载在光载波上，因此为了避免信道干扰和管理色散，控制波长方面的载波性能也很重要。”

测试选项
考虑一下传输需要发生什么，特别是随着数据速率的提高。卡尔文说:“由离散组件组成的发射器需要对光学组件进行校准，以最大限度地减少衰减。”光调制器还需要偏振对准才能正确工作。虽然不像光束对准，但也有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，”卡尔文说。“对于强度调制直接探测系统，用数字通信分析仪获得的发射机眼图进行评估，并用于验证眼图质量。对于相干(复杂调制)系统，使用光学调制分析仪测量星座图。

一般来说，有两种测试来确定对齐-主要是主动测试和被动测试。

主动对齐是一个反馈循环。Synopsys公司的Korthorst说:“人们引入一根光纤，给它通电，当用XYZ甚至旋转系统在光纤周围移动时，他们测量从光纤到芯片的实际耦合，并在测量到最佳传输时修复它。”“所以测试实际上是实际装配过程的一部分，因为你有一个反馈回路，在你通过粘合或焊接来修复的同时，你可以测量。”

在光子学发展的这一点上，主动测试要么由公司创建自己的内部测试平台完成，要么通过第三方测试工具供应商完成。Jordan的PI公司声称其测试和组装的校准速度是业内最快的，这是大批量生产的基础，并可能继续成为供应商之间的关键区别。

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子组件和封装。“这个数字还会继续增加，因为随着光学行业的产量不断增加，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所需的时间是两到三个小时。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。”

博通宣布了一种无源测试系统，如果它能像承诺的那样运行，将大大提高测试速度，并支持协同封装光学(CPO)的大批量生产。被动测试消除了反馈循环，是一个独立的、自我诊断的系统。

对于具有可拆卸光纤的CPO，将无源光学组件连接到光学引擎仍然需要主动对齐步骤。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层面进行测试，从而在各个组装级别实现稳健的测试流程。“你不会永久地附着纤维。你有一个光学引擎，你必须插入光纤电缆，以便让你的光进出，但它是可拆卸的。”梅塔说道。“正因为如此，我们可以建立测试系统，只需插入光学引擎，插入光纤，就可以进行测试，它是被动对齐的，它是自对齐的。这是我们制造过程的一部分，让你得到校准。”

更大的吸引力
这在很大程度上标志着光子学正在走向成熟。直到最近，其较小的市场规模可能对大型工具供应商加入解决方案的吸引力较小。

虽然光子学在电信领域早已建立，但与汽车激光雷达等新应用相比，光子学市场对安装的要求更少。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，我们才开始更多地转向边缘应用和可插拔应用，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。但一旦有足够的光纤供应，人们的兴奋就会消退，整个行业只是在嗡嗡作响。现在，随着最近的数据热潮，兴奋之情又回来了，整个行业就像1999年一样狂欢，只有一个重要的例外——这一次的狂欢不太可能结束。

PI的Jordan说:“神奇的词是消费者，因为这是你开始进入数十亿规模的时候，而不是几百万。”“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，它将推动这个领域的发展。这与1997年至2000年的情况不同，当时只有一份申请。”

随着行业需求的变化，尤其是在数据中心，变化正在发生。Keysight公司的Calvin说:“过去几代数据中心的规范在很大程度上依赖于通过重新计时和信号再生来处理信道损失。”“误码率是优先考虑的因素，延迟和总功率性能不是重点。由此产生的大量dsp和耗电的体系结构目前正受到严格的审查。有直接驱动(有时称为线性驱动)主动消除了许多这些再生电路，并强调线性/模拟信号调节。在这种直接驱动场景中，曾经两个明显分离的领域成为单一系统的一部分，不可分割地联系在一起。测试策略将需要基于维护信息信号的完整性，因为它在电信号和光信号之间流动。”

结论
行业的成熟可能会改变一些测试环境，但不是全部。

Calvin说:“随着硅光子学的出现，由于‘系统’是使用传统的微电子CMOS类型制造工艺构建的，许多制造变异性都消失了。”“这可以简化甚至取消一些必要的测试。但过程的可变性仍然存在，仍然需要进行一些测试，例如高数据速率下的波形质量。”

总体而言，人们乐观地认为，在熟悉的行业周期中，需求的增加将导致适当的设备变得更广泛。Jordan说:“光子学就像35年前的半导体行业。“只是各地的人用定制的机器做一些体力活。但这个生态系统在不断发展，今天你可以通过写采购订单来装备半导体工厂，我们看到这在光子学领域也在发生。”

梅赫塔对此表示同意，并强调了该行业不同领域的变化。“大约十年前，人们开始去一些高精度的模具安装供应商，要求对当时用于非光学产品的工具进行定制。在接下来的两到三年里，需要进行大量的定制，但随后每年部署了1000万到2000万个光收发器。现在，如果你走进其中任何一个供应商，你向他们询问光学所需的那种对齐要求，他们确切地知道你在寻找什么。我们只需要拿到数量。”