硅光子设计中容易忽略的测试并行化难题

当AI与高性能计算（HPC）将数据传输需求推向史无前例的高度，传统电互连在功耗、延迟和传输距离上的瓶颈日益凸显。硅光子学（Silicon Photonics）、近封装光学（NPO）与共封装光学（CPO）正成为下一代数据中心的核心技术。然而，行业注意力大多集中在光子器件创新上，却忽视了一个关键问题：如何将这些器件以可靠、经济的方式实现大规模量产？答案在于一套能够跟上节奏的测试基础设施。

测试不再是“质量关卡”，而是制造战略的核心

半导体制造受益于数十年来在自动化电学测试方面的精耕细作。但硅光子学增加了一个全新的“光学维度”——光纤对准、耦合效率、偏振管理、光学仪器等新需求叠加在传统电学表征之上，构成了前所未有的挑战。

当硅光子学从研发环境迈向高产量生产，测试的角色发生了根本性转变：它不再仅仅是一道质量检测关卡，而是整个制造战略不可或缺的组成部分。一套面向高产量制造（HVM）的测试解决方案，需要激光与光学仪器集成、可扩展的共封装连接机制、加固型光学测试连接器、校准与诊断、自动化清洁、集成软件控制、多器件支持与快速换型等全套软硬件能力协同运作。

HVM测试解决方案需要完整的硬件和软件支持（来源：SEMI）

精密光学对准：从“手工调芯”到六自由度自动化

硅光子学测试最基础的挑战之一，是与被测器件建立可靠的光学连接。与电学探针通过物理接触即可实现相对直接的接口不同，光学测试依赖于将光精确耦合进和耦合出极其微小的结构。

这种耦合必须在器件与器件、晶圆与晶圆之间保持可重复性。光纤位置或角度的微小偏差，都可能影响插入损耗和测得的光学性能，导致难以区分究竟是器件本身的变异还是测试装置引入的误差。

因此，高产量测试需要自动化对准能力，能够快速定位光学接口并优化耦合。这一过程通常被称为“主动对准”（active alignment）：先通过视觉或图像定位将光纤阵列单元移近光栅耦合器，再通过区域扫描和梯度搜索技术，利用反馈回路确定最佳位置。整个过程可能需要在六个自由度（X、Y、Z三个平移轴加三个旋转轴）上进行优化，以最大化耦合效率并最小化通道间差异。

随着光学接口通道数增加，问题变得更加复杂：对准不能只最大化单个通道的性能，而必须在多个通道间产生一致的耦合。偏振则是另一个变量——光子结构对入射光偏振态的响应不同，必须将偏振表征与控制作为可重复生产方法的一部分。这些要求共同使对准成为一个主动的测量与优化过程，而非简单的机械定位步骤。制造端的挑战在于：如何在自动化这些功能的同时，不让对准时间成为产能瓶颈。

光电测试并行化：在不牺牲吞吐量的前提下整合多维度测量

对准只是方程式的一部分。光子集成电路（PIC）可能集成光电探测器、调制器等多种组件，需要光学与电学测量的组合。典型表征包括插入损耗、通道间一致性、光学衰减、光电探测器响应度以及波长相关行为等。

按顺序执行这些测量，会大幅增加测试时间。更具可扩展性的方法是集成电学与光学能力，使操作尽可能并行进行。例如，电学对准可在光学对准之前完成，而通断测试和其他电学测试可在自动化光学探针对准过程中同时运行，而非等待该过程结束。随着器件复杂度和测试覆盖范围的增长，这种并行性变得越来越重要。

同样的原则也适用于光学仪器。高产量环境受益于对激光、功率计等光学设备的集成控制，支持多仪器或多通道的并行操作。自动化校准与补偿对于在测试单元日益复杂的情况下保持测量一致性也至关重要。以爱德万测试（Advantest）为例，其在该领域的开发工作支持在统一测试环境中集成多种光学仪器并实现功率计并行操作。

更宏观的目标与半导体测试一脉相承：在最大化有效测试覆盖的同时最小化测试成本。硅光子学带来的变化，是需要协调的物理域和测量域数量大幅增加。

生态协作：没有任何一家供应商能独自完成闭环

没有任何单一供应商能够掌控高产量PIC测试所需的全部要素。完整解决方案可能横跨自动化测试设备、晶圆探针、光学定位、光纤接口、光学仪器、器件设计和制造工艺等多个领域。

这使得生态协作变得尤为重要。测试设备供应商需要与探针和定位专家、光子器件开发商、代工厂和制造商密切合作，使这些技术之间的接口作为一个集成的生产系统运作，而非各自独立的实验室仪器。

Advantest与FormFactor的紧密合作便是典型案例——双方共同开发了晶圆级光子学测试环境，将电学测试仪器与晶圆处理、光学仪器和自动化光纤对准能力相结合，其意义不在于单个组件，而在于创建可重复制造工作流所需的系统级集成。

结语

从一颗高性能的光子芯片，到一款能大规模量产的光子产品，中间隔着的不只是技术突破，更是一整套测试基础设施的构建。当硅光子、NPO和CPO走向更广泛的采用，测试必须与器件同步演进。对于硅光子产业而言，真正的挑战不在于制造出高性能芯片，而在测试这道“隐形关卡”