Page 33 - 网络电信2021年8月刊下

解 决 方 案
展望未来，硅光技术会向大规模光电集成、片上重构系
统、全光交换等方向发展。一些大型的计算或数据交换芯片
巨头如Intel、Cisco、Broadcom等已经在尝试联合封装（Co-
package）的技术，即进一步把光收发器和计算或交换芯片集成
在一起，以简化电接口设计，同时克服单通道112Gbps以上信号
在PCB上传输的距离和功耗限制。未来硅光技术如果能够实现
大规模集成，可以显著减少高性能计算和数据交换设备的体积
和功耗，因此具有巨大的发展空间。一些第三方机构如Yole预
测，未来几年全球硅光市场年复合增长率会超过40%。
二、硅光技术挑战
虽然具有巨大的市场前景，目前的硅光技术也仍然面临很
多的挑战，主要体现在以下方面：
图 1 硅光芯片生产和测试流程
表 1 典型硅光器件 / 模块测试参数
52
● 激光器大规模集成：典型的硅光器件针对的是单模光纤
的通信波长（1260nm～1625nm），由于硅是间接带隙材料，在
这个波段发光效率较低，所以仍需使用III-V族（如InP）材料
制造激光器。常用的做法是用发光效率比较高的材料来制造激
光器，再通过特殊的工艺如分立贴装（Flip-chip）、晶圆键合
以及在硅材料上直接生长III-V族材料的外延生长技术等和硅基
材料集成在一起，大规模集成的工艺还有待成熟。
● 硅光器件的性能问题：目前的硅光技术已可以实现或替
代很多传统的光器件，但还有一些需要克服的技术难题，比如
如何减少硅波导的损耗、如何实现波导与光纤的有效耦合、如
何克服温度对于功率和波长稳定性的影响等。这些挑战会影响
到硅光技术的普及以及在电信场景中的应用。
● 成熟的Foundry厂和工艺流程：在研发或小规模生产
阶段，一些研发型晶圆厂或研究所都可以提供硅光公共流片服
务，如比利时的IMEC、新加坡的AMF、美国的AIM，以及国内的
中科院微电子所等。而在大规模生产阶段，为了提高产量和降
低成本，需要大型Foundry厂的支持和成熟的PDK文件。目前，
一些大型晶圆厂如Global Foundry、TSMC等也在逐渐开展和完
善硅光流片能力。
● 测试流程和方法：与常规的大规模集成电路芯片不同，
光电芯片本身成本高、制造流程多、工艺复杂、废品率高，因
此需要先在晶圆上进行测试和筛选，避免残次芯片造成的不必
要的后期封装成本。
三、硅光器件测试流程和测试项目
尽管硅光技术有诸多优势，但也增加了研发和测试流程的
复杂性，其测试流程和传统的电芯片有较大不同。采用硅光技
术以后，由于很多光路直接在晶圆上蚀刻完成，所以测试工作
的重点也转移到了晶圆生产阶段，需要采用专门的晶圆上（on-
wafer）测试方法。图1是典型硅光芯片的生产流程，包括了研
发（Design）、晶圆生产（Foundries）、晶圆测试（Onwafer
testing）、封装（Packaging）等。
其和光、电性能有关的测试主要在两个阶段进行：
● 晶圆级测试：指在晶圆生产完成后，借助于探针台对
晶圆上各个单元或者子单元进行测试和筛选。典型的被测器件
类型有光无源器件、有源发送器件、有源接收器件等。根据被
测器件的种类不同，其测试项目也不同，通常波长域相关的测
试，如波长相关的插入损耗（IL）、偏振相关损耗（PDL）等在
晶圆生产完成后会批量进行，而频域相关的高频测试（如调制
带宽、S参数）会在研发或QA阶段进行。
● 封装后的模块级性能测试：当器件封装成模块之后，需
要验证模块在不同环境温度下发射机、接收机的性能与相关规
范（如IEEE、OIF-CEI、各种MSA组织）的符合性，这些测试是
在发送或接收正常速率的光/电信号时进行的，并必须严格参考
相关规范要求。通常生产阶段会进行功率、眼图模板、消光比
等能够快速批量进行的测试，而更多、更复杂的测试项目会在
研发或者QA阶段进行。
表1列出了根据不同的器件和模块类型，需要进行的典型测
网络电信 二零二一年八月