【应用】IC测试实例系列技术专题——无源/有源硅光芯片器件测试方法和测试方案

2018-09-17 Keysight

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;及有源芯片: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。


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。


无源硅光芯片/器件测试方法和测试方案

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:


光探针耦合测试平台系统包括三个部分: 

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。下面重点介绍Keysight提供的光无源测试系统。


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



有源硅光芯片/器件的测试方法和测试方案

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):



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。


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