简介
硅基光电子技术是在硅芯片上集成光学和电子功能的技术，给高速数据通信、光学传感和生物光子学等多个领域带来了革命性的变化。然而，要确保这些芯片的功能和性能，需要强有力的测试和封装策略。本文探讨硅基光电子芯片测试的基本方面，探讨了电气和光学接口技术、可测试性设计（DFT）注意事项以及用于高通量鉴定的自动光学探针机台的实施。
电气和光学接口技术
硅基光电子器件的测试需要电气和光学领域之间的有效接口。以下是两种主要方法：
1.焊线和片上探针：使用导线键合建立电气连接，即用细导线将芯片的电焊盘连接到测试板或封装上。对于高频测量，则采用具有精确定位能力的片上探针。这些探针（如接地-信号-接地（GSG）探针）可确保与芯片的电焊盘正确接触 [1]。
2.光纤耦合：光通过光纤耦合进入和离开硅芯片。在芯片上制作的光栅耦合器有助于在芯片上的波导和光纤之间实现有效的光传输。光纤与芯片之间的间距至关重要，通常为 5 至 50 微米。偏振保持（PM）光纤通常是首选，以尽量减少硅波导中的偏振效应造成的信号衰减。
图 1. 通过芯片表面进行光学探测的方法 [2]。
图 2. 用于硅基光电子芯片边缘耦合的透镜光纤。由 PLC Connections 提供 [3]。
图 3. 用于硅基光电子芯片边缘耦合的平面光波电路 (PLC) 扇入组件。由 PLC Connections [3] 提供。
图 4. 光纤阵列示意图。由 PLC Connections [3] 提供。
图 5. 光纤阵列与光栅耦合器对齐，并粘在硅基光电子芯片表面。由 PLC Connections [3] 提供。
图 6. 光纤锥度探测技术 [4]。
可测试性设计 (DFT) 注意事项
在芯片设计阶段整合 DFT 原则，可简化测试过程，方便故障分析。以下是主要考虑因素：
- 测试结构：片上结构可对材料特性、波导损耗以及耦合系数和调制效率等器件功能进行局部计量和表征。例如环形谐振器、不同宽度的波导和定向耦合器。可对这些结构进行监测，以评估制造工艺的一致性和器件性能。
- 微调：由于硅的制造不均匀性和温度敏感性，需要对马赫-泽恩德调制器和环形谐振器等相位敏感电路进行微调。微调可通过热调整或载流子注入，或通过选择性退火等后处理技术在芯片上实现。
- 光功率预算：了解可用光功率、传输损耗和探测器灵敏度至关重要。功率预算分析计算整个系统的总光损耗，包括光纤耦合损耗、波导传播损耗和片上器件的插入损耗。这有助于确定是否有足够的功率到达探测器，以进行精确的信号测量。
自动光学探针测试机台
对于高通量测试和鉴定，自动光学探针站具有显着优势。这些系统集成了各种组件，可将硅光子芯片与光纤阵列精确对准，从而实现自动光学测量。以下是核心组件及其功能的详细介绍：
1. 样品台：该平台由步进电机控制，可将硅光子芯片相对于光纤阵列精确定位。它的行程范围通常超过 100 毫米，以适应各种芯片尺寸。分辨率和重复精度优于 1 微米对于光纤芯片的精确对准至关重要。
2. 光纤阵列：光纤阵列包括以 V 形槽配置排列的多根光纤。这使得所有光纤都能与芯片的光栅耦合器同时对准，从而加快了测试过程。带有 FC/APC 连接器的偏振维持（PM）光纤通常用于最大限度地减少反射，并解决硅基光电子技术中的偏振敏感性问题。
3. 微定位器和压电纳米定位器：高精度测试机台可实现光纤阵列与芯片光栅耦合器的精确对准。压电平台具有纳米级定位能力，可对对准进行微调。步进电机控制器通常使用光学编码器来提高精度。
4. 定制芯片安装：支架可牢固地固定硅光子样品。它可能包含一个真空吸盘和一个带热敏电阻的热电模块，用于温度控制，确保稳定的测试条件。
5. 显微镜和照相机：带有摄像头的光学显微镜便于在测试过程中进行目视检查和校准。摄像头可捕捉光纤阵列和芯片的图像，从而进行精确的对准调整。
6. 控制软件：开源软件可管理探测站各组件之间的通信。它能自动执行对准程序，从可调激光器和探测器等连接设备获取数据，并控制外部电气测试设备。
图 7. 用于鉴定硅基光电子器件的 GSG 射频探头的显微镜图像。图中可见九个器件，其中一个器件的三个探针焊盘在探针探入后清晰可见，并有轻微划痕，以便接触[1]。
图 8. 晶圆级自动探测机台 [1]。
图 9. 自动光学探针机台机械结构 CAD 图。上图/左图：光学显微镜支架和微型定位器；下图/右图：定制光纤阵列支架，带压电纳米定位器和步进电机（ThorLabs）；中图：样品台，微型步进电机（ThorLabs）；未显示：带温度控制和真空吸盘的定制芯片支架、显微镜、微型定位器和压电控制器、计算机、显示器、电缆 [1]。
图 10. 自动光学探针工作机台机械结构 CAD 图。
前/左：光学显微镜、装配和微定位；后/左：射频探头（GGB 工业公司）： 射频探针 (GGB Industries) 和支架 (Signatone)；后/右：光纤阵列 (PLC Connections)、定制光纤阵列支架和手动定位器 (ThorLabs)，以 20◦ 角显示；前/中：样品台、微型步进器和压电致动器 (ThorLabs)；未显示：带温度控制和真空吸盘的定制芯片支架、微型定位器和压电控制器、计算机、显示器、电缆 [1]。
操作程序：
软件通常采用标准化方法：
1.检索设备位置：软件从布局设计文件中提取硅基光电子芯片上光栅耦合器的坐标。
2.自动对齐：微型定位器移动光纤阵列，将每根光纤与芯片上指定的光栅耦合器精确对齐。采用粗对准和细对准步骤来实现高效定位。
3.芯片注册：对准成功后，软件会记录芯片相对于光纤阵列的物理位置，以便进行后续自动测试。
4.自动测试：根据预先定义的测试列表，软件会自动将芯片与每个被测设备对齐。使用可调谐激光器和检测器进行光谱采集等测量工作按顺序进行。此外，还可集成电气特性分析功能，由软件控制电探针接触芯片的电垫，并获取必要的测量结果。
其他注意事项
1.光学测试设备：光学测试设备的选择取决于具体的表征需求。具有低线宽和高稳定性的可调激光器对于分辨谐振器线宽和测量具有高消光比的器件很重要。光放大器可用于增强信号强度，但需要考虑其噪声特性和潜在的光谱滤波要求。在进行高速测量时，通常会使用电子矢量网络分析仪、信号发生器、示波器和误码率测试仪。
2.包装：测试完成后，对硅基光电子芯片进行封装，以提供保护，方便光纤耦合，并确保在预期应用中可靠运行。常见的封装方法包括使用被动对准技术或高精度应用的主动对准机制将芯片与光纤阵列尾纤耦合。
结论
测试和封装是开发和部署硅基光电子芯片的关键步骤。充分了解电气和光学接口技术、可测试性设计原则以及自动光学探测机台的功能，有助于研究人员和工程师高效地鉴定和验证集成光子器件的性能。按照概述的程序和注意事项，用户可以为其硅基光电子芯片开发工作建立稳健的测试方法。
参考文献
[1] L. Chrostowski and M. Hochberg, Silicon Photonics Design: From Devices to Systems. Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2015.
[2] Bradley W. Snyder and Peter A. O’Brien. “Developments in packaging and integration for silicon photonics”. Proc. SPIE. Vol. 8614. 2013, pp. 86140D–86140D–9. doi: 10.1117/12.2012735.
[3] PLC Connections PLCC – Silicon Photonics. [Accessed 2014/04/14]. url: http://www. plcconnections.com/silicon.html.
[4] Paul E. Barclay, Kartik Srinivasan, Matthew Borselli, and Oskar Painter. “Probing the dispersive and spatial properties of photonic crystal waveguides via highly efficient coupling from fiber tapers”. Applied Physics Letters 85.1 (2004).
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