标准:硅光子学的下一步

随着硅光子学技术在医学、密码学、激光雷达和量子计算等新应用领域的应用，测试硅光子学正变得越来越关键，也越来越复杂，但如何以一种既一致又可预测的方式做到这一点仍未解决。

在过去的30年里，光子学在很大程度上是高速通信的推动者，这是一个利润丰厚的市场，目前已超过10亿美元。但是，随着对高速、低功耗通信的需求变得越来越普遍——特别是当更多的数据需要移动和处理时——光子学在各种市场上获得了吸引力。将所有数据通过细线传输并传输更远的距离需要电力并产生热量，而光子学提供了一种经过验证的替代方案。

随着市场机会的扩大，从功能性到可靠性的标准要求也越来越高。现在的问题是谁来定义光子学，是数百家开发利基应用的小公司，还是少数几家研究光子学多年的通信巨头?

IEEE光子学标准委员会主席约翰·库里克(John Kulick)写道:“目前，来自50多个国家的约4300家公司和100多万人正在参与该领域的研究。”“但这些公司绝大多数是中小型企业，它们拥有不同的技术理解、能力和经验。这意味着非常需要减少技术上的歧义，并在定义和其他术语上更加清晰。

标准可能会有很大帮助。“目前还没有一个商业化的、交钥匙的生产测试解决方案，”at的产品经理Matt Griffin说Teradyne．“同时，在晶圆级将电气和光学测量结合到同一个测试系统中存在挑战，并且缺乏所需测试覆盖范围的标准化。但随着产量的不断增加，高通量测试将成为一项关键能力，为了实现这一目标，必须解决这些挑战。”

西门子数字工业软件公司的产品经理汤姆•达斯匹特表示，结果是一系列不太可能规模化的自己动手配置。想象一个桌面，光纤进来，光纤出去，由个人电脑驱动。

“当我拜访客户时，我总是问，‘你们是如何测试的?’他们回答，‘我们建立了自己的内部环境，’”Daspit说。“你会同情他们，因为你知道他们有多少工作要做。在集成电路方面，我们有多年的经验，为电气测试人员建立测试程序和自动测试模式生成。这些在光子学方面都没有。每个人都是临时的。”

这意味着测试成本的增加。半导体测试通常占组件成本的10%左右，根据一些估计，硅光子学测试可以占产品成本的60%到90%。更糟糕的是，微软应用和产品管理总监Frank Chen警告说力量在美国，目前的情况可能会给那些试图证明产品原型价值的新公司带来压力。“他们希望尽快实现最小可行产品，但现有的学习周期既缓慢又昂贵。不幸的是，他们没有足够的产量来促使采用新颖、更有效的解决方案。”

为了进一步发展，在今年的光纤大会上，NVIDIA、Advanced Micro Foundry和Université Laval组织了整整两个小时的小组讨论，致力于标准化光子IC (PIC)测试，演讲者来自Ansys、Keysight和Intel等公司。

该公司光子学研究经理Ryan Scott表示:“这将是一系列关于晶圆级PIC测试的小组中的第一个，目标是最终将一些标准化引入该过程。Keysight他参加了该小组讨论。“组织者和演讲者希望通过召集来自PIC生态系统的领先公司来描述挑战，并提出一些潜在的解决方案，这将促进讨论，并推动社区走向标准化。”

事实上，Keysight、CompoundTek和武汉国家信息光电创新中心(NOEIC)宣布了一项合作计划协作在2020年建立全球公认的、标准化的PIC布局方法。在他们的联合发布会上，他们将pic的价值描述为提供了与分立元件和体积光学元件相比的众多优势，包括显著减少占地面积、提高稳定性和降低能耗。

Dave Armstrong，测试TWIG的联合主席集成光子系统路线图(IPSR)和首席测试策略师美国效果显著他指出了一些需要解决的挑战。他说:“一个全面的测试解决方案需要四样东西——光学定位、光学仪器、数字接口和控制，以及模拟热控制接口和控制。”“大多数光学仪器都有一个内置的加热器来控制波长，所以加热器的控制环和设备温度是你必须控制的第四个域，以便对这些设备进行有效的测试。”

对齐
Daspit说，纳米光子学处理的微妙性质增加了实现标准化的困难。“当我测试电子模具时，我有一个探针卡。一旦我把这些都设置好了，我就能很好地进行电接触。但是如果我有光学元件进去，我该怎么对齐呢?我有一根纤维，它要以适当的角度撞击骰子的顶部或者以适当的角度撞击骰子的一侧。如果骰子移动了一点，我可能不会对齐。所以我现在需要一种方法来移动光纤，进出，以确保我得到对齐。”

校准是光学测试的致命弱点。3DSiP Devices and components部门经理Dimitrios Velenis表示:“为了能够测试有源组件，您需要结合光电测试imec．“测试中光学部分的一大挑战是确保有良好的对准。输入纤维的主动对齐过程占据了测试时间的很大一部分。你想要在不固定永久组件的情况下做到这一点因为你想要减少安装它的成本。所以对于测试来说，即使你使用多光纤阵列，着陆时间也是你需要考虑的问题。您需要并行测试，以便在测试期间有尽可能多的光输入和输出。一旦你做到了这一点，那么你就需要通过电信号访问活动组件来测试这些组件。”

如今，一个零件上通常有多达16道的光纤，但车道的数量正在增加。每一个都需要单独对齐，这增加了生产和测试时间。如果晶圆探测仪的典型测试指标时间是每一步的几分之一秒，那么这个过程每次校准可能需要几秒钟，这还不包括每个晶圆晶片需要多少次校准或并行测试多少个位置。

困难在于硅光子学同时需要水平和垂直耦合。光子界面通常是水平的，倾向于从模具的侧面出来，这意味着光子界面被埋没了。因此，在切丁之前无法访问pic。

这意味着该设备需要使用光栅耦合器集成，本质上是一个镜子，从PIC的一侧垂直接收信号，这样光线就可以被驱动进出光子组件。问题是，今天的光栅耦合器只提供信号的垂直耦合，而pic自然具有水平耦合。尽管人们普遍认为水平耦合应该成为标准，但还没有人能广泛接受如何在生产规模上经济地实现这一目标的方法。业界仍在努力解决对齐过程需要多长时间，可以同时对齐多少光纤，以及一次可以连接到晶圆上的光纤数量。

现行检验、测试工具
幸运的是，还有一些好消息。尽管标准仍在制定中，但市场上已经有了光子检测工具，包括Keysight的专用产品。此外，传统的检测工具，如x射线，可用于某些光子学应用。

然而，根据Bruker公司FilmTek产品研发高级总监Christopher Claypool的说法，在意识到什么是可能的时候，有一个领域是分裂的。他说:“在半导体行业，人们似乎普遍意识到，非接触式反射法和椭圆偏振法是测量薄膜厚度和折射率的标准方法。”

相比之下，光子学行业的记录技术仍然是棱镜耦合器，尽管人们普遍认为它不是一种可行的生产方法，因为它是一种分辨率次优的接触技术。Claypool解释说:“在光子工业中，似乎真的缺乏意识，你可以使用非接触的多角度反射技术作为折射率和薄膜厚度的高分辨率测量。”

另一种检查和表征方法使用x射线，它是光学检查方法的补充，可以测量，例如，翘曲程度。Chen说:“新型x射线系统大大缩短了检查时间，使模具附着过程控制取得突破。”“在模具安装后立即进行检查，可以在产生失效或边缘零件之前快速识别和纠正工艺漂移。x射线测量可以直观地了解失效模式，并突出最可能失效的脆弱连接。”

图1:x射线探测到的硅光子封装翘曲例子。用红色标出的凸起是最容易失效的脆弱连接。来源:力量

布鲁克公司的XRD产品营销经理朱丽叶·范德米尔(Juliette van der Meer)对此表示赞同，并指出x射线在未来的硅光子学检测中可能有一个理想的位置。“x射线衍射具有独特的外延表征能力。以一种非破坏性的方式，它提供了关于外延层厚度、浓度以及应变的信息，”她说。“对于III-V材料，我们已经这样做了。这是我们的生计。因此，我们可能不需要开发新的硬件工具，因为这些材料已经广为人知。这是新的应用程序。据我估计，我们不需要新的x射线计量技术，但我们需要与客户一起进行应用程序开发。”

模块化:带有定制的标准化
虽然大公司已经与小众公司和初创企业联合起来制定标准，但挑战仍然存在——经济上可行吗?

“为集成光子学提供生产级工具的大公司说，‘是的，我们可以为批量生产制造工具，我们可以使它们足够快，足够精确，但是有市场说服我们建造这些系统吗?荷兰埃因霍温理工大学(Eindhoven University of Technology)的研究员、光子集成技术中心(PITC)的科学主任Sylwester Latkowski说，该中心正在开发光子学EDA和光配线架(ODF)的术语和定义。“规模较小的公司可以利用这一优势，提供这样的系统，但他们说，‘我们知道怎么做。我们知道有需求。但是，我们为一家公司构建的系统通常是定制的，以至于为另一个客户提供相同功能的类似系统必须在此基础上构建。我们不能以同样的方式做到这一点，因为我们的客户通常不愿意分享内部使用的过程的细节。’”

拉特科夫斯基，他也是IEEE工作组P3112他说，标准和通用解决方案将大幅降低非经常性工程成本，缩短推向市场的时间。现在的问题是，哪一条是最好的前进道路。

Teradyne的Griffin表示:“我们正在积极监测这一领域，看看在哪里建立一个解决方案是有意义的。“我们希望，随着我们看到数量的增加，随着我们看到一点标准化，我们可以知道你期望在生产环境中运行的测试，更多的解决方案将被公开提供。”

推动通用解决方案的另一个原因是，即使是同一家公司的专家之间，也难以交换信息。拉特科夫斯基说:“如果你拿一个产品需要的光子学专家和机械工程师来说，他们了解他们的领域，但他们不能轻易地相互交流。”“即使他们交换了数据，他们也没有可以轻松交叉操作的工具。”

作为解决这个问题的一种方法，拉特科夫斯基和他的同事在2019年发表了一篇论文，提出了一些仍在发挥作用的想法。他们的解决方案是创建具有应用程序可编程接口(api)的模块化系统。因此，将会有一定程度的标准化来保持生产盈利，并有足够的空间进行定制和竞争差异化。本文描述了可与电子光子学设计自动化(EPDA)工具一起使用的布局模板，包括模具方向、输入/输出端口的命名和位置、基准和限制区域。它还讨论了一个开放测试框架，其中包含模块化结构所需的API，以及用于数据交换的openEPDA格式。

结论
硅光子学正被用于更多的设计中，以提供低热量的高通量数据通道，但设计、制造，特别是测试这项技术的标准一直在缓慢地遵循。这种情况正在开始改变。

Broadcom光学系统部门营销和运营副总裁Manish Mehta表示:“我们终于看到业界对标准测试设备进行了改进，以支持高密度光学引擎的测试。”“在未来三到五年内，测试设备开发商继续在该领域投资至关重要，因为可测试性将成为该行业规模化能力的关键部分。”

正如Advantest的阿姆斯特朗所总结的那样:“我们需要标准，但它们必须具有成本效益。测试必须简短而甜蜜，但要彻底。”

参考文献
1.光子学标准如何帮助改变我们的数字未来?IEEE SA标准协会。2021年6月22日。https://standards.ieee.org/beyond-standards/how-photonics-standards-help-to-transform-our-digital-future/
2.S. Latkowski, D. Pustakhod, M. Chatzimichailidis, W. Yao和X. J. M. Leijtens，“光子集成电路自动化测试的开放标准”，《IEEE量子电子学选刊》，第25卷，第1期。5，第1-8页，9月至10月2019年，艺术no。6100608, doi:10.1109 / JSTQE.2019.2921401．