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支持硅光子学的商业测试和组装
发布时间:2020-04-10   浏览:

硅光子(SiP)是世界上对数据激增的需求,它有望带来带宽,可扩展性和能源效率方面的新优势。从电子到光子的数据传输(以及即将到来的计算过程)的转变可与五十年前集成电路的发展相提并论:这是一次根本性的转变,标志着技术历史上的分水岭。但是,要实现硅光子器件的实用,可盈利的制造和测试,还需要克服许多挑战。不断增长的需求-结合对微型光子元件的纳米级精确相互定向的基本需求-需要强大,快速的自动化解决方案。

在硅光子学中,光学组件与电子微电路一起被制造到常规的硅晶片上。这些组件可以包括复杂的激光器,复杂的波导结构,检测器,调制器,延迟和复用/解复用结构,以及许多其他集成的光子组件。然后将这些芯片集成到封装中,该封装可以包括其他芯片和有源元件,透镜和其他微型光学器件,当然还包括光纤,光纤阵列和电I / O。

Cascade Microtech率先启用CM300xi光子学的工程晶圆探针台集成了PI的快速多通道光子对准系统,可对晶圆上硅光子器件进行高通量,晶圆安全,纳米精度的光学探测。图片由FormFactor公司Cascade Microtech提供。

为此,以及在封装过程甚至开始之前就测试芯片以确保其功能性,必须对光子元件进行精确对准。测试和封装都要求将光输入和输出耦合到源和检测器,并且必须在整个光路上对所有元素进行测试并相互对准,以确保有效耦合。对于当今的SiP器件,小于50 nm的横向对准公差越来越普遍。对于具有多通道光子输入或输出的设备,需要围绕Theta-Z进行额外的精度优化,以有效耦合阵列的所有输入和输出。通常情况下,Theta-X和Theta-Y方向也需要进行优化。

挑战与解决方案

这些专门的,高度精确且通常具有多个自由度的定位任务“”从晶片到最终封装重复了多次”,这意味着工程师面临着令人烦恼的几何效果。例如,如果旋转中心位置不理想(实际上总是这样),则调整角度将在X和Y方向上平移耦合。另外,越来越普遍的短SiP波导表现出操纵效应,因此在输入侧进行优化会在输出侧产生偏移。这意味着整体最佳对齐成为“移动目标”。因此,在过去,必须采用迭代方法来解决此问题并达成可接受的共识。最重要的是,这种过程非常耗时。

PI克服了这些挑战,并将全新的基于固件的算法集成到其工业光纤对准子系统中,以实现快速的多通道/多自由度光子学对准。这些自动化子系统专为集成到从晶圆探测到芯片测试再到最终封装的生产工具而设计,可同时执行多个线性和角度数字梯度搜索优化。

所产生的并行性可以消除以前需要的迭代方法,从而可以将过程吞吐量提高超过两个数量级。显然,对生产经济学和竞争力的影响是深远的。而且,这种闭环全数字技术的固有并行性意味着在多通道/多自由度应用中的总对准时间与执行的单个对准的数量仅存在微弱的关系。例如,在晶圆探测操作的情况下,无论输入或输出到SiP芯片的数量如何,通常都可以在不到500毫秒的时间内优化波导I / O耦合。在随后的芯片测试和封装过程中,同样获得了惊人的吞吐量。

专为各种应用而设计

由于不同的设备和生产应用程序提出了不同的要求,因此有几种快速定位系统变体,可用于单通道或阵列设备的对准,无论有没有角度优化要求。所有系统都基于非常严格的设置。如果不需要角度优化,则最流行的配置从三个堆叠的精密线性运动阶段开始。

三轴对准系统,适用于不需要角度优化的应用。(来源:PI)

这些提供了25mm的行程,用于粗略定位和初探。快速的NanoCube定位器安装在此长行程平台栈的末端,可提供快速的面扫描运动以进行模式定位,并提供快速的横向和Z梯度搜索功能以动态补偿漂移效应,所有这些都具有纳米级的分辨率。挠性导轨和全陶瓷绝缘压电执行器确保了全天候工业部署中的长寿命。所有驱动器上的位置传感器都提供了微秒级的位置确定性,从而实现了软限制功能,可以保护机械设备和昂贵的设备,例如完全图案化的晶圆。

如果需要角度优化,例如在对准光子阵列设备时,可使用平行运动六脚架提供长行程,六自由度定位和初光寻道,以及快速的自动角度优化。这些六脚架提供了可自由定义的坐标系和枢轴点,从而可以围绕光学最佳点(例如束腰和物理通道中心)进行旋转。再次部署NanoCube定位器以实现精细的横向和Z轴对齐,以及与角度优化过程并行的动态补偿漂移效应和残余几何误差。

基于六脚架的系统具有六个自由度,可快速,精确地对齐光纤,光纤阵列和光学组件。(来源:PI)

六脚架与Nanocube的结合为PI FMPA系统开创性的并行对齐能力奠定了基础。例如,要对齐线性或二维光纤阵列,NanoCube会通过跟踪执行横向梯度搜索,以保持阵列的第一通道对齐,而六脚架在光纤的第N个通道上执行平行theta-Z梯度搜索。数组。六脚架的可自由定义的旋转中心已经确保了第一阵列元件的光轴可以位于第一通道的光轴附近。然后,通过跟踪NanoCube可以补偿任何小的残留几何误差。整体对齐的并行性意味着整个过程比上一代迭代方法所能达到的速度快10-100倍。

考虑到生产的经济性

这些系统以标准配置提供,用于单面或双面对准任务,带有或不带有角度优化功能。此外,模块化体系结构允许提供额外的对齐机器人,以实际上满足任何应用程序需求。供货范围包括高性能数字控制器(E-712),具有用于快速定位的算法的固件例程以及广泛的软件包,涵盖了所有应用程序方面,从易于启动到方便地进行控制。系统使用图形用户界面将其快速且可管理地集成到外部程序中。

对于需要角度优化的系统,六脚架控制器(C-887)实施相同的扫描和对齐算法。这些功能包括内置的正弦和螺旋面扫描,即使没有快速稀疏扫描,也能自动建模以实现准确的峰定位;在大礼帽和其他具有挑战性的耦合中自动进行质心确定;以及独特的并行梯度搜索过程,可跨输入进行单步优化,输出和自由度。

这些新颖的子系统共同帮助确保了当今和未来的硅光子器件的经济有效的测试和制造。

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