8/23/2025，光纖在線特邀編輯Helen
共封裝光子（CPO）作為突破AI算力瓶頸的關(guān)鍵技術(shù)，通過將光引擎與芯片一體封裝，大幅提升傳輸速率與能效，已成為超算與AI算力中心的核心發(fā)展方向。光子集成電路（PIC）作為CPO及傳統(tǒng)光芯片封裝中的功能載體，其性能直接影響系統(tǒng)表現(xiàn)。PIC晶圓級(jí)測(cè)試對(duì)CPO尤為重要，通過驗(yàn)證其穩(wěn)定性、一致性和可靠性，為高效集成與良率提升奠定基礎(chǔ)。當(dāng)前，面對(duì)多物理場(chǎng)、高密度集成等挑戰(zhàn)，晶圓測(cè)試仍缺乏系統(tǒng)化、高效、高精度的解決方案，成為制約CPO及高端PIC技術(shù)規(guī)?；瘧?yīng)用的產(chǎn)業(yè)瓶頸，亟需突破。

一、PIC 晶圓測(cè)試的挑戰(zhàn)

PIC 晶圓測(cè)試是確保PIC器件性能與可靠性的核心環(huán)節(jié)，旨在封裝前識(shí)別和剔除性能不合格的芯片，避免為不良品支付昂貴的封裝和測(cè)試成本，并為晶圓工藝改進(jìn)和良率提升提供直接的、基礎(chǔ)性的數(shù)據(jù)支持。與傳統(tǒng)的電芯片測(cè)試和單PIC芯片相比，PIC晶圓測(cè)試在以下幾個(gè)方面面臨挑戰(zhàn)。

1.光學(xué)對(duì)準(zhǔn)精度要求極高  
光信號(hào)的耦合效率高度依賴于光纖探針與波導(dǎo)端面之間在六個(gè)自由度（X、Y、Z 位移和 Rx、Ry、Rz 旋轉(zhuǎn)）上的亞微米級(jí)精確對(duì)準(zhǔn)，而且必須保證光信號(hào)耦合的高重復(fù)性。傳統(tǒng)電學(xué)探針僅需垂直接觸，而光學(xué)測(cè)試需以非正交角度逼近，對(duì)準(zhǔn)過程復(fù)雜且易發(fā)生碰撞，對(duì)機(jī)械系統(tǒng)與控制算法提出了極高要求。

2.工藝變異引入測(cè)量干擾  
在從單芯片研發(fā)擴(kuò)展至整片晶圓測(cè)試時(shí)，硅厚度不均勻、刻蝕線寬波動(dòng)、套刻誤差以及晶圓翹曲等工藝變異成為不可忽視的因素。這些變異導(dǎo)致每個(gè)芯片的最佳耦合位置發(fā)生偏移。若測(cè)試系統(tǒng)無法自動(dòng)識(shí)別并補(bǔ)償這些偏差，將難以區(qū)分器件真實(shí)性能與耦合誤差，從而導(dǎo)致良率誤判。
3.多域系統(tǒng)集成與協(xié)同復(fù)雜  
光學(xué)測(cè)試需整合高精度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、光學(xué)探頭、電學(xué)儀器、機(jī)器視覺與溫控模塊等多個(gè)子系統(tǒng)。各系統(tǒng)需在微秒級(jí)別實(shí)現(xiàn)硬件觸發(fā)與數(shù)據(jù)同步。缺乏統(tǒng)一的軟件架構(gòu)與通信標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步增加了系統(tǒng)集成與后期維護(hù)的復(fù)雜度與成本。

4.測(cè)試吞吐量成為量產(chǎn)瓶頸  
光學(xué)耦合是一個(gè)串行且耗時(shí)的過程。每個(gè)測(cè)試點(diǎn)均需進(jìn)行光功率搜索與優(yōu)化，傳統(tǒng)手動(dòng)或半自動(dòng)方案每點(diǎn)耗時(shí)可達(dá)數(shù)分鐘，無法滿足量產(chǎn)對(duì)效率的要求。

5.校準(zhǔn)依賴性強(qiáng)，重復(fù)性差  
光學(xué)測(cè)試結(jié)果極易受環(huán)境擾動(dòng)與機(jī)械重復(fù)性的影響，晶圓重復(fù)裝卸會(huì)引入位姿偏差。若缺乏標(biāo)準(zhǔn)化校準(zhǔn)流程（SoP），測(cè)試數(shù)據(jù)的可比性與可靠性將難以保證。


二、PIC 晶圓測(cè)試中的光學(xué)耦合方式與光探針類型

（一）光學(xué)耦合方式

PIC中光信號(hào)一般是水平傳輸?shù)模贑PO等光引擎中，PIC與其他有源、無源器件的耦合也是水平耦合的。為了評(píng)估PIC中的光路功能和性能，PIC 晶圓測(cè)試中的光耦合主要包括表面耦合與邊緣耦合兩種方式，取決于材料平臺(tái)與芯片結(jié)構(gòu)。

- 表面耦合（基于衍射光柵的垂直耦合）  
通過引入衍射光柵，將晶圓內(nèi)水平傳輸?shù)拇郎y(cè)光信號(hào)轉(zhuǎn)向90°，垂直于晶圓表面進(jìn)行耦合。這種方式利用光柵的衍射效應(yīng)，將周期性光柵制作于芯片表面波導(dǎo)上。在輸入端口，入射光信號(hào)以垂直方式入射到晶圓表面，當(dāng)滿足相位匹配條件時(shí)，光可高效耦合入水平的光波導(dǎo)。在輸出端口，水平光波導(dǎo)中的出射光信號(hào)通過衍射光柵后，實(shí)現(xiàn)垂直于晶圓表面輸出。該方式在硅光與氮化硅平臺(tái)上工藝成熟、應(yīng)用廣泛，測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相對(duì)比較容易，但其主要劣勢(shì)在于：1）帶寬受限與耦合損耗較大，提高帶寬常需采用多光柵復(fù)用等復(fù)雜方案。2）耦合光柵占用晶圓面積帶來一定的成本。3）在PIC芯片與其他光學(xué)元器件水平耦合時(shí)，需要通過刻蝕等工藝將相關(guān)的衍射光柵去除，以實(shí)現(xiàn)水平波導(dǎo)端面暴露，帶來額外成本和性能精度誤差。

- 邊緣耦合  
適用于波導(dǎo)端面暴露或嵌入深槽的結(jié)構(gòu)（如 InP 邊緣發(fā)射器或硅光倒錐結(jié)構(gòu)）。入射光信號(hào)和出射光信號(hào)直接在波導(dǎo)端面與光探針陣列進(jìn)行高精度耦合，由測(cè)試系統(tǒng)基于光探針的光信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。光探針一般通過拋光陣列光纖或 3D 打印微透鏡等方式實(shí)現(xiàn)。這種方式與PIC與其他元器件的耦合方式一致，測(cè)試結(jié)果更加直接、準(zhǔn)確。邊緣耦合具有帶寬高、損耗低的優(yōu)勢(shì)。邊緣耦合的難點(diǎn)是如何實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的光探針對(duì)準(zhǔn)和提高耦合效率。在晶圓層面實(shí)現(xiàn)邊緣耦合還需要晶圓上在芯片輸入/輸出端面刻蝕深槽。
由于邊緣耦合具有直接、準(zhǔn)確、綜合成本低等優(yōu)點(diǎn)，且在晶圓上為芯片測(cè)試預(yù)刻蝕耦合槽成本不高，已成為高帶寬 PIC 測(cè)試的主流趨勢(shì)。

（二）光探針類型

常用的光探針主要有以下三類：

1.平面光波導(dǎo)（PLC） 探針  
基于硅或氮化硅材料，將光路精確路由至芯片邊緣，模場(chǎng)尺寸可與 PIC 波導(dǎo)匹配，易于實(shí)現(xiàn)高端口密度與并行測(cè)試，適用于大規(guī)模量產(chǎn)。但其制造成本高，需針對(duì)特定 PIC 布局定制，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，靈活性較差。

2. 3D 打印光學(xué)探針  
利用雙光子聚合技術(shù)，在光纖端面集成 TIR 反射鏡和非球面透鏡等微光學(xué)結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)高效精準(zhǔn)的邊緣耦合。但其聚合物材料熱穩(wěn)定性較差，通道易發(fā)生漂移，限制了其在長(zhǎng)期穩(wěn)定性要求高的場(chǎng)景中的應(yīng)用。

2.拋光光纖陣列單元（FAU）  
通過精密加工控制光纖端面的曲面形貌與光潔度，實(shí)現(xiàn)與納米波導(dǎo)模場(chǎng)的最佳匹配，插入損耗極低。FAU 結(jié)構(gòu)全玻璃/硅材質(zhì)的熱膨脹系數(shù)極小，在溫度波動(dòng)或機(jī)械應(yīng)力下仍能保持穩(wěn)定的光學(xué)性能。FAU的淺插入深度允許使用尺寸更小的耦合溝槽，可簡(jiǎn)化刻蝕工藝并降低成本，同時(shí)提升了自動(dòng)化操作中的安全性，如圖1。此外，設(shè)計(jì)測(cè)試平臺(tái)需優(yōu)化FAU角度，以確保安全插入溝槽、光路方向正確以及光纖通道與晶圓上的光端口精確對(duì)準(zhǔn)。

      
圖1 應(yīng)用于PIC晶圓邊緣測(cè)試的FAU光探頭與PIC溝槽之間的耦合示意圖

三、Sunyu Photonics公司的系統(tǒng)性創(chuàng)新解決方案

晶圓級(jí)光子集成電路測(cè)試需要整合光學(xué)、電學(xué)和機(jī)械系統(tǒng)。多域的系統(tǒng)協(xié)同工作，是實(shí)現(xiàn)高效率、高可靠測(cè)試的關(guān)鍵所在。針對(duì)多領(lǐng)域協(xié)同帶來的巨大挑戰(zhàn)，Sunyu Photonics 公司推出了一套基于邊緣耦合模式的高度集成、智能自動(dòng)化的測(cè)試系統(tǒng)，顯著提升了測(cè)試的重復(fù)性、吞吐量和可靠性，為PIC光子芯片的研發(fā)與量產(chǎn)提供了有力支撐。

1.應(yīng)用于邊緣耦合的拋光FAU的優(yōu)化設(shè)計(jì) 
采用邊緣耦合技術(shù)路線，充分發(fā)揮其高通真度、高帶寬、低損耗的優(yōu)勢(shì)。采用自主優(yōu)化的拋光FAU作為核心光學(xué)探頭，其卓越的熱機(jī)械穩(wěn)定性（30分鐘內(nèi)光功率波動(dòng)＜0.1 dB，如圖2所示）和可重復(fù)的耦合特性，為自動(dòng)化量產(chǎn)測(cè)試奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。


圖2 經(jīng)過拋光處理的 FAU 光探頭在邊緣測(cè)試中的耦合穩(wěn)定性

2.多層次全自動(dòng)校準(zhǔn)流程
校準(zhǔn)是確保測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵步驟。在晶圓級(jí)測(cè)試中，校準(zhǔn)流程需要覆蓋光學(xué)探針、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和測(cè)試儀器等多個(gè)方面。通過精確的校準(zhǔn)，可以消除系統(tǒng)誤差，提高測(cè)試結(jié)果的可靠性和重復(fù)性。校準(zhǔn)流程的設(shè)計(jì)和實(shí)施，是測(cè)試系統(tǒng)性能的重要保障。Sunyu Photonics集成了一套完善的校準(zhǔn)流程，作為高重復(fù)性測(cè)試的基石。該校準(zhǔn)流程保障了即使重新裝片，測(cè)試差異仍可控制在 0.2 dB 以內(nèi)。
校準(zhǔn)流程通常包括頂相機(jī)校準(zhǔn)、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)校準(zhǔn)、晶圓校準(zhǔn)和Z平面校準(zhǔn)等步驟。頂相機(jī)校準(zhǔn)用于確定全局坐標(biāo)系和角度方向，確保機(jī)器視覺對(duì)準(zhǔn)的準(zhǔn)確性。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)校準(zhǔn)則通過高精度定位技術(shù)，確保平臺(tái)的位置精度。晶圓校準(zhǔn)和Z平面校準(zhǔn)則用于補(bǔ)償晶圓表面的不平整，確保測(cè)試過程中的穩(wěn)定對(duì)準(zhǔn)。

1）視覺與運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)校準(zhǔn)：包括相機(jī)標(biāo)定與平臺(tái)定位精度校準(zhǔn)（±1.5 μm），建立全局坐標(biāo)系。
2）Z 軸平整度校準(zhǔn)：通過采集多點(diǎn)構(gòu)建晶圓表面三維高度圖，實(shí)時(shí)補(bǔ)償翹曲帶來的 Z 向變化。
3）FAU 旋轉(zhuǎn)中心（Pivot）校準(zhǔn)：通過六軸操縱器進(jìn)行小角度旋轉(zhuǎn)并迭代計(jì)算，確定虛擬旋轉(zhuǎn)中心，確保角度調(diào)整時(shí)不引起光纖末端的橫向漂移，有效避免碰撞。
4）FAU 角度校準(zhǔn)：依次校準(zhǔn)插入角（Rz）、入射角（Ry）和陣列對(duì)齊角（Rx），確保光路正向耦合入波導(dǎo)。
全自動(dòng)校準(zhǔn)體系能有效補(bǔ)償晶圓工藝變異和機(jī)械重復(fù)性誤差，確保每次測(cè)試均在最佳狀態(tài)下進(jìn)行，小于0.1 dB次間（run-to-run）差異實(shí)現(xiàn)了極高的短期測(cè)試重復(fù)性，小于0.2 dB的裝載間（load-to-load）差異則反映了系統(tǒng)長(zhǎng)期重復(fù)性和魯棒性以及軟件算法、校準(zhǔn)流程、自動(dòng)化水平的綜合實(shí)力。

3.智能軟件平臺(tái)與高速算法
Navigo是Sunyu Photonics公司專有的PIC測(cè)試集成軟件系統(tǒng)，專門設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)自動(dòng)化PIC集成光子晶圓測(cè)試中的多物理域參數(shù)交互及過程控制。Navigo無縫管理運(yùn)動(dòng)臺(tái)、光學(xué)探針、電氣儀器和視覺系統(tǒng)之間的復(fù)雜交互，確保在光學(xué)、電氣、機(jī)械和熱域之間協(xié)調(diào)操作，該軟件平臺(tái)構(gòu)成整個(gè)自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的“智能大腦”。其集成的高速梯度搜索算法，將光學(xué)對(duì)準(zhǔn)時(shí)間縮短至3-4秒，徹底解決了邊緣耦合的效率瓶頸。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，系統(tǒng)可在125分鐘內(nèi)完成520個(gè)測(cè)試點(diǎn)，平均每點(diǎn)僅需14秒（包含平臺(tái)移動(dòng)、光纖對(duì)準(zhǔn)和波長(zhǎng)掃描），可顯著提升PIC的量產(chǎn)效率UPH（每小時(shí)產(chǎn)量)。

1）低代碼流程開發(fā)：通過圖形化界面拖拽組件，工程師可快速構(gòu)建包含波長(zhǎng)掃描、偏振控制等復(fù)雜測(cè)試序列，顯著降低開發(fā)門檻與時(shí)間成本。
2）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理與反饋：結(jié)合高速搜索與優(yōu)化算法，系統(tǒng)能在毫秒級(jí)別完成光功率優(yōu)化與數(shù)據(jù)采集，大幅提升測(cè)試吞吐量。
3）系統(tǒng)集成與通信控制：通過統(tǒng)一的軟件架構(gòu)協(xié)調(diào)多子系統(tǒng)運(yùn)作，確保硬件觸發(fā)與數(shù)據(jù)同步的高效與穩(wěn)定。

Navigo模塊化的可擴(kuò)展軟件平臺(tái)專為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜光子集成電路晶圓級(jí)測(cè)試而設(shè)計(jì)，測(cè)試流程如圖3所示。


圖3 基于云平臺(tái)的Navigo模塊化可擴(kuò)展軟件架構(gòu)

4.高穩(wěn)定性硬件平臺(tái)與自動(dòng)化擴(kuò)展 
PS300測(cè)試平臺(tái)提供亞微米級(jí)定位精度（＜±1.5 μm）和高機(jī)械穩(wěn)定性?？蛇x配的全自動(dòng)晶圓加載器，實(shí)現(xiàn)了無人化操作，杜絕人為誤差，確保量產(chǎn)環(huán)境下的測(cè)試一致性與高效率。

光子集成電路（PIC）的晶圓級(jí)測(cè)試是一項(xiàng)涵蓋精密機(jī)械、光學(xué)設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制與軟件算法等多學(xué)科交叉的復(fù)雜系統(tǒng)工程。面對(duì)光學(xué)對(duì)準(zhǔn)、工藝變異、系統(tǒng)集成、測(cè)試效率與重復(fù)性等核心挑戰(zhàn)，Sunyu Photonics的解決方案直面PIC晶圓測(cè)試的核心痛點(diǎn)，通過光電軟機(jī)一體化創(chuàng)新，成功破解了邊緣耦合技術(shù)在精度、效率與可靠性方面的產(chǎn)業(yè)化難題，為PIC大規(guī)模量產(chǎn)提供了至關(guān)重要的測(cè)試保障，有望加速整個(gè)光子集成產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進(jìn)程。