硅光芯片把光信号和电信号集成在同一个衬底上,测试它的难度也随之提高。光要精准耦合进波导,电要稳定接通电极,两者还必须在同一颗芯片上同时完成。硅光探针台就是承担这项任务的设备。围绕硅光探针台,研究人员和测试工程师关心较多的,是光栅耦合的对准精度、测试台的温度稳定性、以及重复测试时结果是否可靠。
光栅耦合是整个测试的难点所在。探针台上的光纤需要把光打进芯片表面的光栅,再接收从另一侧出来的光。这个对准过程相当精细,横向的偏差一旦超过零点几个微米,耦合效率就会明显下降。实际测试中,常通过扫描方式寻找合适的耦合位置,扫描步长通常设在0.1微米左右,找到峰值后锁定位置,再执行后续测量。这样操作,耦合效率能稳定在较优水平,重复测量的一致性也有保障。对准过程中,光纤与芯片表面要保持合适的高度和倾角,倾角不合适会直接影响耦合效果。
温度是影响测试结果的另一个重要变量。硅的折射率随温度变化,光波导的有效长度和相位也会随之改变,进而影响器件的响应曲线。探针台的载物台一般带有温控功能,把芯片温度稳定在设定值附近,波动范围控制在正负0.5摄氏度以内。测试环境也要尽量恒温,室温的波动如果较大,长时间测试时数据可能发生缓慢漂移,需要通过环境监控加以留意。开机后先让设备运行一段时间,各项指标稳定下来再开始正式测试,能减少初期的不稳定因素。

芯片的固定方式也会影响对准的可靠性。芯片要平整地贴合在载物台上,固定力度要均匀,避免局部翘起造成表面倾斜。固定后先用光学显微镜观察芯片表面的特征标记,据此建立坐标关系,把光栅位置和电极位置准确定位。有些器件需要加热或加偏压测试,接线要牢靠,测试过程中电流通过产生的温升也要留意,避免局部温度升高影响光学测量。
电学接触与光学对准需要协同完成。探针针尖要准确落在电极焊盘上,接触电阻的大小会影响电学测试的准确性。针尖与焊盘的接触压力要适中,过小接触不良,过大可能损伤焊盘。针尖的磨损也会逐步增大接触电阻,因此要定期检查更换。探针的布置与光纤的位置需要反复配合调整,确保光路和电路能在同一器件上同时测准。测试环境还要注意静电防护,硅光器件对静电敏感,操作时佩戴防静电措施,避免器件在测试中被损坏。
重复性与可追溯性衡量测试的价值。同一颗芯片多次测试,结果越接近,说明测试系统越稳定。为了减少偶然误差,每组数据通常采集多次后取平均值,测试次数根据器件的稳定性设定。测试完成后,记录的原始数据和坐标信息要完整保存,这样一旦发现问题,可以回溯到当时的测试条件。测试台的定期校准,包括针尖位置、光纤耦合效率、温度传感器的标定,也都需要按周期执行,校准记录要存档备查。
硅光探针台的价值,在于让每一次测试都可重复、可追溯。光与电在这台设备上被精确地引到同一颗芯片上,测出的每一个数据,都为器件的改进提供依据。测试的稳定与可靠,正是硅光研发从图纸走向产品的必经之路。