晶圆和芯片级光测试
应用指南
使用 IL/PDL 测试系统解决偏振对准问题
用于光集成电路的半导体技术
在批量生产光通信器件时，采用光集成电路 (PIC) 和硅光技术可以降低生产成本和能耗，并能制造更小尺寸的器件。随着数据中心的需求飞速增长，更进一步推动了此类光通信器件的发展。这些技术还通过电路和光路的高度集成为实现新功能提供了新的途径。与半导体电子行业一样，在早期阶段进行适当的测试和测量（例如晶圆级测试）非常重要，这样可以避免加工和封装了不合格的器件之后却发现它们无法通过最终测试而浪费极大的成本，也有助于对晶圆生产工艺进行控制和诊断。这个过程通常会实施参数测试来表征材料和结构质量，包括采用电子仪器测量薄层电阻和电容，以及采用光学仪器测量衰减和响应度。光测试通常还包括波长相关性以及光偏振与波导结构的对准。对于光探测器和调制器等转发器件，表征器件的带宽时还必须考虑射频频率相关性。
偏振对准的挑战
在晶圆级测试中增加光测量需要使用光探头把光耦合到晶圆上或从晶圆耦合出来。仪器通常通过光纤电缆连接。标准单模光纤 (SMF) 的标称纤芯直径为 9 µm，这个直径明显大于半导体晶圆上的典型波导尺寸，在这样的一个直径下，较高的折射率会导致波长缩短，加大强度曲线的限制。此外，波导的横截面通常是矩形，而纤芯则是圆形。因此，我们需要一种自适应结构在探头光纤和晶圆波导之间提供匹配的耦合。 例如，利用耦合光栅结构匹配光束轮廓并通过折射改变光的方向，这样可以实现晶圆表面与平行于晶圆表面的波导之间的耦合。晶圆切割之后，可以使用锥形波导将边缘耦合到芯片中。在封装阶段，可以将芯片连接到中介层，中介层通常是无源平面结构，提供与较小芯片的可访问连接。
在上面这些情况下，由于波导特别是耦合光栅的特性，耦合效率通常在很大程度上取决于光偏振是否对准。这就要求必须确保光束与波导进行正确的轴对准，或着测量器件参数与偏振的相关性。对于具有矩形横截面的典型平面波导，与轴关联的偏振模式通常称为横向电场 (TE) 和横向磁场 (TM)。在横向电场中，光波电场沿着较宽维度分布，通常与晶圆表面平行；而在横向磁场 (TM) 中，磁场与这个宽维度平行。两种偏振模式为正交关系。
使用保偏光纤 (PMF) 可以确保对准，这种光纤具有定义光轴的结构，因此当输入光与任一轴精确对准时，输出光也将与该轴对准。如果激光源提供 PMF 中对准的输出并且可以确保探头光纤轴与晶圆轴对准，那么可以使用此功能。这个方法可能比较有效，但灵活性会受到限制。这样的探头只能用于具有该偏振态的测量，而不能用于确定偏振相关性。此外，任何中间仪器或元器件，例如光衰减器、开关或耦合器，都必须是保偏器件。与 PMF 的每个连接也会因为没有对准而受到影响，使得模式之间的串扰增加，测量准确性随之下降。
另一种方法是在探头前使用 SMF 探头和偏振控制器。通过调整偏振控制器，可以优化电气或光学被测器件(DUT) 的输出信号。如此一来，当激光源稳定时，就可以对准被测器件的偏振。遗憾的是，偏振控制器和SMF 探头输出端的偏振通常会随光的波长发生变化。如果需要在较大的波长范围内确定器件参数（如衰减或响应度），那么通常需要在所需范围内的多个波长处重复执行优化。如果在对被测器件输出进行采样的同时只扫描可调谐激光源的波长，那么就无法对特定轴进行精确的测量。典型结果显示，在用于对准的波长处信号最好，随着波长逐渐远离这个点，信号的性能就会变得越来越差。例如图 2（蓝色曲线）中显示的偏振滤光片的测量结果。变差的程度取决于波长相关性以及偏振控制器、光纤和光路径上其他仪器的双折射量。为了避免这种情况，可以将扫描分成更短的且经过单独优化的分段，但这会极大地延长测试时间。
单次扫描测量与矩阵分析
由 N7700A IL/PDL 软件引擎控制的可调谐激光源系统提供了一种更好的方法，尤其有助于获取波长相关性数据。这种方法只需一次波长扫描便可测量整体偏振相关性。根据其测量结果可以得到所有可能偏振态的平均响应（插入损耗或响应度）、偏振相关性以及对首选偏振态的响应，而无需首先优化偏振，尤其是无需保持偏振优化与波长的关系。结果用图 2 中的红色曲线显示。
测量本身使用快速切换的 N7786B 偏振合成器重复执行一组共 6 种偏振态 (SOP)，同时激光源以固定的扫描速度连续扫描波长。这一设置可以在仅仅 300 µs 内测量每个 6-SOP 序列的输出信号。这使得测量对振动和漂移非常不敏感，而如果 SOP 之间的间隔时间比较长（例如每个 SOP 进行单独波长扫描之间的时间），它们之间的相对方向会因为振动和漂移发生扭曲。
在扫描之后，测得的波长、SOP 和输出信号电平均由相应的仪器实时记录并上传，用于确定计算经过被测器件的信号功率的偏振相关性所需的 Mueller 矩阵元素。 除了对偏振平均 IL 和 PDL 进行常规分析之外，该软件还提供与被测器件光轴相对应的 IL 光谱，并将它们作为 TE 和 TM 配对呈现。该软件没有通过测量获得足够的信息来确定将哪些光谱分别分配给 TE 和 TM，因此这一标记具有任意性，但通常可以在了解预期被测器件特性的情况下正确进行分配。在某些情况下，TE 和 TM 光谱可能会交叉，因此这种方法与使用最大和最小响应的光谱进行的分析并不相同。TE/TM 分析确实有赖于这样一个假设，即测量的偏振相关性主要是由被测器件光轴之间的差异所导致。
使用这种方法的话，可以在探头就位后立即进行波长相关的测量，而无需首先对准偏振，也无需解决偏振随波长的漂移问题。这样既节省了时间又提高了测量质量。图 4 所示为另一个通过测量直接获得的 TE/TM结果示例，其中被测器件上的 TE 和 TM 光谱出现（多次！）交叉。
静态模式
前文提到的条件“探头就位后”指的是偏振的另一个方面。我们仍然需要提供一个光输入信号并将 SOP 与被测器件对准，以便进行其他操作，例如定位探头、调整被测器件的设置以及测量被测器件对其他变量（如调制频率、温度或所施加的电压）的依赖性。N7700A IL/PDL 引擎的“静态模式”功能支持这些操作。“静态模式”提供的功能包括 IL/PDL 引擎服务器，设置偏振合成器以及输出具有选定激光波长和功率的选定 SOP。这些功能可以通过客户端 GUI 或自动化程序来完成。有了这些设置，就可以使用光功率计或其他仪器来执行所需的操作。操作完成后，可以再次使用 IL/PDL 软件更改到其他静态设置或进行扫频波长光谱测量。
SOP 可以通过多种方式进行选择。斯托克斯矢量值可以直接在 N7786B 上设置，该仪器通过内置的偏振计对输出信号进行采样。如果已经知道了所需的 SOP，则可以通过这种方式轻松进行复制，并且还可以选择相应的正交 SOP。内部等效波片设置也同样可以用于复制设置。
但是，由于从 N7786B 到探头的 SMF 输入和输出 SOP 之间没有固定的关系，而是会随温度、光纤运动、波长和其他因素发生变化，因此开始的时候并不清楚入射到探头前端或被测器件上的 SOP。静态模式因而也可以基于之前扫频波长 IL/PDL 测量的矩阵分析结果来判断并设置 SOP，既可以直接在测量之后进行操作，又可以根据保存的测量文件来进行判断和设置。这一功能非常强大，因为它使用单次扫描矩阵结果来判断是否正确设置了 N7786B，以确保该设置可在被测器件提供预期的 SOP。示范用例可以使用以下步骤。
- 对探头进行初始定位，使其足以将光耦合到被测器件中并接收输出信号。
- 这样，就可以在选定的波长范围内进行单次扫描 IL/PDL 测量。
- 根据测量结果，可以选择信号传输相当高的波长（例如通带）。在“静态模式”选项卡上，可以输入该波长，并选择“上一次测量（最大值/最小值）”模式设置，以便将偏振设置用于所选检测器端口在该波长下的最大（或最小）信号电平。按下“设置静态”，然后将激光源和偏振控制器调整为这样的设置。
- 只需在要求的波导轴中使用信号偏振，即可进一步优化探头位置。
- 结束之后，可以在连接经过了优化的扫频测量模式下再次使用 IL/PDL 引擎。
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