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IC测试实例系列技术专题(二)-- 硅光芯片

2018-09-12
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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。

——《硅基光子学》周冶平


? ㈠??


无源硅光芯片/器件测试方法


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。


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:

a.? 硅与传统的 CMOS 工艺兼容性很好,利于集成;

b.? 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;

c.? 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;

d.? 硅片尺寸大,机械性能好,易加工。

e.? 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。


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;

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;

近日

我们又看到我国首款商用100G硅光芯片投产的消息。


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,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。

硅光芯片怎么测?


针对基于硅光技术的各种不同的芯片/器件,是德科技都可以提供相应的测试方案。根据硅光芯片/器件的应用,分为无源和有源两大类硅光芯片/器件的测试方案。


? ㈡??


无源硅光芯片/器件测试方法和测试方案


1

光芯片耦合的探针台及参数测试整体方案

光无源器件的发展相对较为成熟,产品种类多(例如光分路器、波分 复用/解复用器、光滤波器等), 应用十分广泛,对其测试参数早已有国 际标准规范进行定义,并且也出现了完整的参数测试解决方案。目前广泛遇到的难点在于如何高效进行光芯片层面的测试。光芯片测试时,其耦合 效率低、耦合损耗大、测试方案自动化程度不高等问题成为了大家普遍的诉求。

为了解决这一问题,满足光芯片的片上测试需求,是德科技联合 FormFactor(formerly Cascade Microtech)和 Physik Instrumente 等合作厂商一起推出了光探针耦合测试平台系统,如下图所示:


该测试系统包括三个部分:?

a.? 是德科技提供的基于波长扫描的光无源器件测试仪表硬件和软件(下 一部分详细介绍);?

b.??FormFactor(formerly Cascade Microtech)提供的射频及光探针平台;

c.? Physik Instrumente 提供的光探针对准系统。


三大厂商合作推出的这套系统优势在于可以完全自动化的进行光 探针耦合对准以及所需各种光学参数的自动化测试,能够极大提高测试效率、测试精度及测试可靠性。


关于光探针台和耦合对准系统的详细信息,请参看 FormFactor 和 PI 的官方网站,下面重点介绍 Keysight 提供的光无源测试系统。


2

波长扫描光无源测试系统平台介绍

针对技术相对成熟的无源光芯片测试。

主要测试参数:

  • 插入损耗 IL/偏振相关损耗 PDL

  • 回波损耗 RL


传统的测试方法可以通过宽带光源+光谱分析仪实现,但如果要达到更高的波长分辨率和测试动态范围,采用高性能/快速可调光源+多通道功率计进行扫描测试,更为准确。尤其是针对多通道器件(波分复用器件)以及需要测试偏振相关损耗的器件, 可调光源+偏振控制器+多通道光功率计可能是唯一可行的测试方案。


因此我们推荐的测试方案由高性能高分辨率可调光源(81600B+86106A)、 8通道光功率计 (N7745A)、回波损耗模块(81613A)以及偏振控制器(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:

?


使用 N7700A-100/101 进行 40通道 AWG 的 IL/PDL 测试结果如下:



? ㈢??


有源硅光芯片/器件的测试方法

和测试方案


1

混合光有源器件的直流波长响应测试方案

所谓混合光电芯片/器件,是指将有源部分(如光电转换器)和无源部分(如光解复用器)结合在一起的芯片或器件。


现在业内有两种典型的这样的器件,一个是用在相干光通信领域的集成相干光接收机 ICR,另一个是用在 100GE 里面的接收机组件(如 100G-LR4的 ROSA)。


下图是典型的完整相干光接收机,包括黄色的 ICR 部分和灰色的 DSP 处理部分。ICR部分集成了无源光波导(包括分路器 BS/PBS, 光混频器 Hybrid)和有源光电探测器及 TIA 差分放大器。


主要测试参数:

(除了要进行交流参数测试外,还要考虑包括无源光波导在内的整体通道的直流波 长响应的测试,包括以下几点

  • DC 响应度

  • DC CMRR(直流共模抑制比)

  • 偏振消光比 PER

  • PD的暗电流

  • 光回波损耗


另外一类混合光电器件是用于 100G-LR4 的 ROSA,例如下图,在 波长解复用器后端集成了光探测器。

主要测试参数:

  • DC响应度 vs. 波长、

  • PD的暗电流、

  • 平衡端口的直流 CMRR等等

对于 ICR 的直流特性测试,需要测试其 IL/PDL/ER/响应度 /CMRR 等参数,方案框图如下所示(图中的可调谐光源 81960A 可以换 成其他型号如 81606A 等):


而对于 100G-LR4 ROSA的直流测试,也需要进行 IL/PDL/响应度 等参数测试,测试方案框图类似,例如下所示(上面为测试连接框 图,下面为典型测试界面):


2

基于LCA和探针台的频域测试

光芯片经过初步筛选后,对直流参数合格芯片在微波探针台上通过 N4373D 光波元件分析仪(LCA)进行小信号测试。小信号测试主要是针对电光芯片/器件(激光器)或光电芯片/器件(如光探测器)进行如下高频幅频/相频响应等特性参数的测试:

a.? 截至频率 /调制带宽

b.? 驰豫震荡频率

c.? 群时延(Group Delay)

d.? 时滞(Skew)

e.? 反射/阻抗匹配


是德科技有着 30 多年表征测试光/电或电/光器件频率参数(S 参数)的历史和经验,其光波器件分析仪(LCA)N4373D 是行业公认的光电器件及芯片标准测试方案(如下图所示),能提供完整的光电器件幅频/相频特性测试的分析解决方案。该系统由高性能矢量网络分析仪、光电测试座及专有的计量校准技术为核心,能提供各种光电器件(E/O, O/E, O/O, E/E)完整的参数测试能力。


在刚刚落下帷幕的深圳光博会上,我们在现场详细的为到场客户展示了这样一套测试系统,前方记者小冰从前方发回报道:


3

针对 NRZ/PAM4 应用的芯片/器件的时域测试

* 此方案需向是德科技工程师索取


4

针对相干光通信的硅光器件的调制域测试方案

* 此方案需向是德科技工程师索取


已经着力于或即将投身于硅光领域的科学家、工程师,对本文所有提及方案及详细测试结果有进一步了解的兴趣,请联系您熟悉的是德科技工程师。



本文知识产权归是德科技所有

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