Оборудование и методики тестирования фотонных интегральных схем (ФИС)

12.03.2026

Введение

Интегральная фотоника — научно-техническое направление, связанное с изготовлением на общей планарной подложке нескольких фотонных устройств, которые работают с оптическими и электрическими сигналами. Цель — миниатюризация устройств благодаря малым радиусам изгибов оптических каналов – волноводов. Это создавать схемы фотонных приборов с размерами порядка микрометров [1]. Основными материалами для изготовления интегральных схем служат кристаллические подложки из кремния, ниобата лития LiNbO3[2], фосфида индия InP, оксида алюминия Al2O3 и др. [12].

Фотонные интегральные схемы (ФИС) могут содержать большое количество волноводных топологий с различным функционалом. Комбинации структур способны решать разнообразные задачи фотоники: преобразование параметров излучения, таких как частота, амплитуда, фаза или поляризация; генерация и прием излучения определенной частоты; спектральные преобразования и анализ. Рынок интегральной фотоники стремительно растет, и эксперты каждый год прогнозируют значительный прирост, так как это направление сегодня актуально во многих сферах деятельности: медицина, связь, измерения, навигация и т.д. В свою очередь создание и производство ФИС – сложный процесс, состоящий из этапов дизайна, фабрикации, тестирования, и корпусирования.

Этап тестирования требует определенного внимания, поскольку он отражает качество техпроцесса фабрикации и эффективную работу конечного устройства. В зависимости от конечного назначения и функционала ФИС данный этап может отличаться, но в его основе лежат идентичные операции.

Рассмотрим подробно исследование ФИС на примере тестирования спектрально- селективного устройства.

Измерение спектрально-селективной ФИС

Одна из актуальных задач фотоники в сфере телекоммуникаций – мультиплексирование и демультиплексирование потоков данных. Это процесс передачи нескольких потоков данных разной частоты через один физический канал. Иначе говоря, один оптоволоконный кабель может поддерживать несколько потоков данных, отличающихся частотой. В современной литературе этот способ называют DWDM (англ. Dense Wavelength Division Multiplexing). Данный метод позволил существенно увеличить пропускную способность сетей и качество соединения [8].

Рисунок 1. Пример применения ФИС в DWDM

Разделение света по частотам или по окнам прозрачности реализуется на структуре упорядоченной волноводной решетки волноводной решетки (УВР) (англ. Arrayed waveguide grating). Оптический сигнал сплошного спектра может быть разделен на несколько несущих частот подобно тому, как призма разбивает белый свет на цвета радуги, хоть и в основе этих явлений лежат разные принципы. Принцип работы УВР основывается на явлении дифракции. Эта структура создается на базе ФИС. УВР для задач WDM может иметь вид 1хN, либо NxN каналов.

Рисунок 2. Спектральная селективность в а - прозрачной призме, b - упорядоченной волноводной решетке.

Этап тестирования ФИС, содержащих УВР, подразумевает исследование следующих параметров [3, 9-11]:

Потери в выходных каналах
Форма спектра в каналах

2.1 Ширина спектра по уровню 3 дБ FWHM (англ. – full width on half maximum) (рис. 3b)Ширина спектра по уровню 10 дБ (рис. 3b)
2.2 Спектральное расстояние между пиками в соседних каналах Δλ (рис. 3a)
2.3 Область свободной дисперсии FSR (англ. - Free spectral range) (рис. 3d)
Неоднородность потерь в каналах (рис. 3a)
Уровень перекрытия соседних каналов (рис. 3c)
Наличие побочных спектров

Измерение уровня потерь в выходных каналах показывает то, насколько сильно затухает свет, преодолевая путь именно по этому каналу УВР. Одинаковость ширины спектра – важный показатель правильной и эффективной работы DWDM прибора. Неоднородность потерь в каналах – то, насколько сильно отличаются по затуханию соседние каналы. Этот параметр позволяет увидеть некоторые проблемы фабрикации и дизайна. Уровень перекрытия соседних каналов – уровень мощности, где совпадают спектры соседних каналов. Если речь идет об эффективной передаче плотного потока данных, то этот параметр критически важен. Побочные спектры – как и в предыдущем пункте могут снижать пропускную способность.

Рисунок 3. Пример анализа характеристик УВР на спектре a – неоднородность потерь в каналах и расстояние между спектрами соседних каналов Δλ, b – полная ширина на полувысоте, с – уровень перекрытия соседних каналов, d – область свободной дисперсии.

Оборудование для измерений

Рассмотрим перечень оборудования, необходимый для измерения вышеперечисленных параметров.

Ввод-вывод излучения в ФИС

Прежде всего стоит задача ввода и вывода излучения из каналов ФИС волоконными световодами. Существует два основных способа – торцевой и планарный [6].

Рисунок 4. Иллюстрация двух способов ввода излучения в волновод торцевой (слева) и планарный (справа)

Торцевой ввод и вывод излучения осуществляется через торец волокна в торец волновода и наоборот. Для такой передачи света важно, чтобы поверхности этих торцов не имели дефектов и загрязнений и были максимально гладкими, поскольку даже мельчайшие дефекты могут осложнять испускание и прием света.

В интегральной фотонике для разного рода световодов существует параметр диаметра поля моды – это физический диаметр, на котором мощность гауссова пучка становится ниже в два раза или на 3 дБ меньше. Критически важным критерием торцевого ввода с наименьшими потерями является согласованность полей мод. То есть диаметры полей моды и их форма должны быть максимально схожими [7]. Обыкновенное значение диаметра поля моды одномодового волокна составляет около 9,4 мкм, тогда как для волноводов это значение может быть значительно ниже – в районе 3-4 мкм. В таком случае на конце волокна может быть сформирована волоконная микролинза или иная компонента, которая уменьшит диаметр поля моды, до необходимых значений. Помимо этого, на волноводных структурах могут быть специальные преобразователи формы и диаметра моды – тейперы.

Планарный ввод излучения подразумевает использование специальных переходных структур на поверхности ФИС. Такие структуры называются дифракционными решетками ввода. Это периодичная наноструктура на поверхности ФИС. Попадающий на структуру свет дифрагирует и возбуждает фундаментальную оптическую моду в волноводе. Как правило свет из волокна в таком случае распространяется под углом для наиболее эффективного ввода-вывода. Для такого типа ввода используются угловые полированные волокна.

Таким образом, зная параметры волноводов и способ ввода в ФИС, можно выбрать правильные оптоволоконные компоненты – волоконные микролинзы, высокоапертурные оптические волокна.

Юстировка

Ввод света также требует высокоточного позиционирования оптоволоконного и волноводного канала, так как «типичные» диаметры этих структур крайне малы: 9 мкм – сердцевина ОВ и 3-4 мкм – ширина волновода. Процесс позиционирования волокна и волновода называется оптическая юстировка. Диаметры юстируемых компонент определяют требуемую точность юстировки. Например, для сведения ОВ и волновода с ДПМ порядка 4 мкм необходимая точность составит не менее 4 мкм.

Механические микропозиционеры

Для работы с тестированием характеристик ФИС могут подходить механические позиционеры. Они универсальны в эксплуатации и не требуют ПО и специальных навыков.

Аппаратно-программный комплекс оптической стыковки

Однако, если речь идет о количестве измерений больше 100, то механические позиционеры сильно уступают программно-аппаратным комплексам. Для них доступна автоматизация большого количества однотипных измерений, что существенно снимает нагрузку с оператора, уменьшает вероятность ошибок в измерениях.

Зондовые станции

Помимо использования ручных позиционеров и аппаратно-программного комплекса существуют зондовые станции с возможностью интеграции оптических зондов. Такой вариант идеален для тестирования ФИС с планарным вводом-выводом. Оптические зонды представляют собой волоконные микролинзы, расположенные под определенным углом относительно ФИС. Комбинируя работу оптических и электрических зондов, открывается возможность тестирования ФИС с системами электродов, где могут быть изготовлены фазовые или амплитудные модуляторы, нагреватели и др. Тестирование этих элементов требует подвода электрических сигналов к ФИС, и сценарий применения зондовой станции более эффективен в сравнении с другими.

Немаловажным компонентом здесь является наличие камер. Если в аппаратно- программный комплекс и зондовую станцию это обязательно включено, то для сборки с ручными механическими позиционерами остается необходимость включения камер макросъемки с увеличением, поскольку операции ввода-вывода излучения в ФИС происходит на микрометровых масштабах.

Рисунок 5. Иллюстрация сборки для торцевого ввода-вывода излучения в волноводах

Источник излучения

Рассматриваемая в работе ФИС – спектрально-селективный элемент. Это подразумевает работу с различными длинами волн излучения, поскольку как было указано выше, различные каналы ФИС будут поддерживать различные длины волн. Поэтому при выборе источника излучения важно обратить внимание на его спектральную характеристику. Здесь важно разобраться как именно будет проводиться измерение. Существует два основных способа измерений спектрально-селективных элементов ФИС.

Метод измерения широкополосным источником излучения

Один из таких способов подразумевает использование широкополосного источника излучения и анализатора оптического спектра с соответствующей шириной пропускания. Такой способ наиболее простой, так как не требует дополнительных манипуляций с оборудованием и постобработки результатов. Однако, при таком способе измерения требуется учесть согласованность между источником, собственным спектром ФИС и рабочим диапазоном длин волн анализатора. Идеальный сценарий подразумевает, что спектр источника сильно больше спектральной характеристики ФИС

Важно обратить внимание также на разрешение анализатора спектра. Обычные значения ширины спектра канала УВР не менее 1 нм. Поэтому для работы с такими структурами достаточным будет стандартное разрешение 0,05 нм.

Таким образом, к анализатору спектра предъявляются следующие основные требования: рабочий диапазон и разрешение. В данном случае единицей оборудования с подходящими параметрами является анализатор оптического спектра. Однако, при измерении других спектрально-селективных элементов по типу оптических фильтров, модуляторов или резонаторов следует обращаться к приборам с наибольшим возможным разрешением.

Для источника излучения в данном методе предъявляется единственное требование – наибольшая ширина спектра.

Рисунок 6. Схематичное изображения метода измерения спектра широкополосным источником

Метод сканирования спектра перестраиваемым источником

Другой способ измерений предполагает непрерывное сканирование канала по длине волны. Это подразумевает использование узкополосного источника излучения с возможностью перестройки длины волны. Сканирование перестраиваемым источником – это процесс, при котором длина волны излучения на входном волноводе меняется с некоторым неизменным шагом. При этом для каждой длины волны записывается значение с фотоприемника. Таким образом, составляется спектральная характеристика – I(λ). Разрешение сканирования в данном методе определяется наименьшим доступным шагом перестройки и шириной спектра источника.

$C:\Users\22746\Pictures\epr.png$

Рисунок 7. Схематичное изображения метода сканирования спектра узкполосным источником

Такой способ сканирования спектра требует использования измерителя оптической мощности. Для более эффективной и быстрой работы имеет смысл рассмотреть программируемые источники и фотоприемники. На базе такого оборудования может быть реализовано быстрое программное сканирование. Главным условием для этого является соответствующая частота обновления данных фотоприемника. То есть данные измерителя мощности должны как минимум обновляться с той же частотой, что перестройка длины волны источника.

Коннекторы

Все перечисленные выше типы оборудования имеют разъемы для коннекторов типа APC/UPC.

Схема измерений

Перед началом измерений следует убедиться в целостности чипа ФИС. Для этих целей может подойти оптический микроскоп с возможностью увеличения 50х. Как было сказано выше, при торцевом вводе огромную роль играет качество торца ФИС. На нем не должно быть дефектов или загрязнений. К дефектам можно отнести: сколы, завалы, инородные включения. Если на визуальном осмотре на микроскопе не удалось установить дефектов, то можно приступать к тестированию параметров ФИС.

Располагать ФИС на пьедестале или столике, где он будет исследоваться, следует специальным инструментом. Для этих целей существуют вакуумные пинцеты.

Рассмотрим измерительную установку для метода исследования спектра широкополосным источником излучения.

Рисунок 8. Схема подключения оборудования для метода измерения спектра широкополосным источником.

На рисунке стрелками обозначается направление излучения в оптическом волокне.

В случае исследования методом сканирования узкополосным источником схема приобретет вид:

Рисунок 9. Схема подключения оборудования для метода сканирования спектра узкополосным источником.

Соединение источника и измерителя мощности дает возможность синхронной работы для быстрой работы сканера.

Расположение волоконных зондов и юстировка

Ввод излучения в каналы ФИС подразумевает использование волоконных зондов: прямосколотое/полированное волокно, волоконная микролинза, высокоапертурное волокно. Выбор формы и параметров зонда определяется характеристиками волновода. Этот раздел заслуживает рассмотрения в отдельной статье.

Измерение параметров ФИС

При работе с анализатором спектра многие из требуемых к измерению параметров УВР могут быть определены на спектре автоматически. Например, в оптическом анализаторе спектра АКМЕТЕХ AT6362 осуществлена функция автоматического определения FSR и FWHM в наборе методов анализа WDM. Также функционал позволяет настроить определение высоты спектра по уровню 3 дБ и 10 дБ.

Такие параметры как паразитные спектры, неоднородность потерь и перекрытие соседних каналов не могут быть определены прибором. Для этого требуется анализ специалиста.
При работе по обработке готовых данных параметры УВР определяются следующим алгоритмом:
1.    Потери в каналах.
1.1.    Измерить величину оптической мощности источника P0.
1.2.    Найти максимальное значение оптической мощности на спектре канала УВР.
1.3. Найти величину потерь по формуле:

В вычислении величины потерь в каналах важно учитывать наличие потерь на вводе- выводе света. Качество торцов и рассогласованность оптических мод являются источником потерь, чему отведена отдельная статья. В контексте данной статьи ввод- вывод считается идеальным, то есть без потерь мощности.

2. Форма спектра в канале.

2.1. Ширина спектральной полосы по уровню 3 дБ или полная ширина на полувысоте FWHM (англ. – full width on half maximum).
2.1.1. Найти максимальное значение оптической мощности на спектре канала УВР.
2.1.2. Найти два значения длин волн, которые соответствуют значениям P – 3 дБ.
2.1.3. Найти величину

2.2. Ширина спектральной полосы по уровню 10 дБ – аналогично с предыдущим пунктом.
2.3. Область свободной дисперсии (free spectral range FSR)
2.3.1. Найти максимальное значение оптической мощности на спектре канала УВР.
2.3.2. Настроить анализ спектра на наибольшую развертку по спектру.
2.3.3. Найти следующий или предыдущий пик мощности на спектре. Для наибольшей уверенности рекомендуется найти оба (следующий и предыдущий) пика мощности.
2.3.4. Найти разницу между положением основного и вторичных пиков. Одинаковое спектральное расстояние до основного пика говорит о том, что это именно область свободной дисперсии.
Важно учитывать ширину спектра источника или же диапазон перестройки, поскольку FSR может быть больше этих значений и на данных следующие за основным порядки могут не отобразиться.
2.4. Спектральное расстояние между каналами УВР.
2.4.1. Найти максимальное значение оптической мощности на спектре канала УВР и соответствующую ему длину волны λ1.
2.4.2. Найти максимальное значение оптической мощности на спектре канала УВР и соответствующую ему длину волны λ2.
2.4.3. Найти разность λ2 - λ1

Рекомендации по выбору измерительных комплексов

Проанализируем основные сценарии измерений и оборудование необходимое для этих сценариев.

1. Ручные позиционеры + отдельные единицы для метода измерений широкополосным источником.
Оптимальный вариант для тестирования единичных экземпляров. Достаточно универсальная сборка для экспериментальных образцов с разнообразными вариациями расположений элементов ФИС.
В данной сборке камеры не включены в комплект поставки и должны подбираться отдельно. Камеры необходимы для постоянного наблюдения и контроля за взаимным расположением волоконных световодов и волноводов. Малые размеры стыкуемых элементов не позволят точно ввести свет «на глаз».

2. Ручные позиционеры + отдельные единицы оборудования для метода сканирования узкополосным источником.
Данная сборка очевидно также нуждается в наличии камеры с увеличением изображения. Помимо этого, метод сканирования эффективен, когда он автоматизирован. Для автоматизации процесса у оборудования должна быть возможность сопряжения с ПК через GPIB, LAN или др. Самый эффективный вариант – это единый измерительный модуль, включающий в себя перестраиваемый узкополосный источник и фотоприемник.

3. Аппаратно-программный комплекс оптической стыковки
Технические характеристики источника излучения и измерителя мощности могут быть обговорены с разработчиком установки под конкретные задачи. Этот вариант идеален для уже отработанного технологического процесса в качестве одного из его этапов.

4. Зондовые станции обладают теми же техническими возможностями, что и аппаратно-программные комплексы. Отличие состоит в сложности применения торцевого ввода и отсутствии измерительного оборудования и источника излучения. Рекомендуется для работ связанных с тестированием электродов и нагревателей ФИС.
В заключении можно сказать, что конечный выбор измерительного комплекса опирается на количество испытываемых образцов, наличие электродов и характер работ: технологический этап или экспериментальные работы.