光子集成相控陣測試

逍遙設(shè)計(jì)自動化

引言
光子集成相控陣是光學(xué)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)高級光束控制和成形能力的先進(jìn)設(shè)備。這些陣列在電信、激光雷達(dá)和光學(xué)傳感等多個領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。為確保最佳性能，全面測試這些設(shè)備非常重要。本文將介紹用于評估光子集成相控陣及其關(guān)鍵組件的測試原理、方法和系統(tǒng)[1]。

光子集成相控陣簡介
光子集成相控陣由幾個關(guān)鍵組件組成，包括光耦合器、功率分配器、相移器和光天線。這些單個元件的性能顯著影響整體系統(tǒng)性能。在深入研究完整相控陣系統(tǒng)的測試之前，了解如何測試這些單個組件非常重要。

/ ~" @, t7 V/ i% b6 X. k' N: O4 K$ b# y, N關(guān)鍵組件測試
3 U) A0 e! r4 T- Y5 s光天線
; f1 O" a% i" M( g4 P: I光天線是光子集成相控陣中的關(guān)鍵元件，負(fù)責(zé)將光輻射到自由空間。光天線的主要測試特性包括：
; M% I  w7 X6 N- [
5 b7 S& J$ Q1 c, Q" @  z$ E圖1顯示了用于評估光天線的測試光路布局。

為測試光天線的輻射特性，我們通常使用圖4.1所示的設(shè)置。該過程涉及將激光源的光通過光柵耦合器耦合到硅波導(dǎo)中。然后光在波導(dǎo)中傳播，并由被測試的光天線輻射出去。
7 D1 [4 H$ M/ e7 c+ U
! B, G6 w+ n* ~圖2展示了光天線測試系統(tǒng)的示意圖。
( x6 ?" ]. S) `
& b  p0 O5 x1 _! B7 H# I如圖2所示，測試系統(tǒng)包括激光源、偏振控制器、光柵耦合器、光天線和檢測設(shè)備，如連接到功率計(jì)的光纖或紅外CCD。
2 y. r# p/ \* g' t
  f& ?) F2 U" r# r要計(jì)算光天線的輻射效率，使用以下公式：

η_rad = P_rad / P_in_antenna
, F5 l; t* D( @7 S' r* v
  [! Y1 X% x* c* z8 G其中：

η_rad 是輻射效率

P_rad 是輻射光功率

P_in_antenna 是天線的輸入光功率
" s0 W2 B# X& x: y7 W: J4 v( A
在計(jì)算輻射效率時，需要考慮耦合效率、波導(dǎo)損耗和雙向輻射等因素。

6 @8 E, o% a; C2 {0 X1 d* Y光相移器
相移器是光子集成相控陣中的重要組件，可以精確控制每個通道中光的相位。相移器的主要測試特性包括：

相移范圍

功耗

響應(yīng)時間
: C; P+ J8 O  L" c, j- c[/ol]
5 }& J, j% n0 J. g0 q% @9 e+ ]為測試相移器，我們通常使用馬赫-曾德干涉儀（MZI）結(jié)構(gòu)。這種間接方法允許我們通過觀察干涉圖案來測量相位變化。
6 i& I1 r6 k0 L# t; B/ H9 A; m+ j
9 ]5 I- B. H* l# r: L圖3展示了用于測試相移器的硅基馬赫-曾德干涉儀的示意圖。
8 X) c2 O# v! B, I2 @0 q
MZI結(jié)構(gòu)將輸入光分成兩個路徑，其中一個路徑包含被測試的相移器。通過改變施加到相移器上的電壓或電流，我們可以觀察輸出強(qiáng)度的變化，這與相位變化相關(guān)。

" @1 v, l! _& L" i& ~1 V要測試相移范圍，請按照以下步驟操作：
* o5 k) B' z! T3 X: Y. p: C8 h1. 在一個臂中設(shè)置帶有相移器的MZI結(jié)構(gòu)。
2 k1 ~! }6 C& \5 Y& P* o  G, r" h) T2. 改變施加到相移器上的電壓或電流。
2 N+ d4 A4 K! Q' _. ?3. 測量每個電壓/電流值的輸出光功率。
4. 繪制輸出功率與電壓/電流的關(guān)系圖，以確定Vπ（π相移所需的電壓）或Pπ（π相移所需的功率）。
$ R; }# Q/ V7 A/ w5 R+ O
# |! Y. n0 P: e( ]6 Z# X
) p# g5 A0 B* M) u8 t& u圖4顯示了馬赫-曾德干涉儀結(jié)構(gòu)的輸出光功率隨(a)電壓和(b)加載在相移器兩端的功率的變化。

要測試相移器的響應(yīng)時間：

將方波信號施加到相移器上。

使用光電探測器和示波器觀察輸出信號。

測量信號的上升時間，這對應(yīng)于相移器的響應(yīng)時間。
[/ol]


0 r/ P1 S# ]! e7 ?( |" Q圖5顯示了光電探測器輸出信號隨調(diào)制方波信號的變化，用于確定相移器的響應(yīng)時間。

測試完整的光子集成相控陣芯片
在測試單個組件之后，評估整個光子集成相控陣芯片的性能非常重要。
主要評估特性包括：
6 n$ |0 l( J. e& |1 N

光束指向

光束寬度

旁瓣電平

光束掃描范圍

測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)
為測試光子集成相控陣芯片，需要一個綜合測試系統(tǒng)。這個系統(tǒng)通常由光學(xué)和電氣組件組成。

) g. F" c. K2 i( C9 ^% A; b6 N" N5 n) C
圖6展示了硅基光相控陣光束掃描特性測試系統(tǒng)的示意圖。

* B1 R" _* s( E/ m2 t7 P" F& Q測試系統(tǒng)包括以下關(guān)鍵組件：

激光源

光耦合機(jī)制（光纖耦合）

光子集成相控陣芯片

遠(yuǎn)場成像系統(tǒng)

紅外CCD

用于控制和數(shù)據(jù)采集的計(jì)算機(jī)

相移器控制的電流/電壓源

光學(xué)組件
7 I" k% |/ \$ o  |4 T4 s測試系統(tǒng)的光學(xué)部分負(fù)責(zé)將光耦合到芯片中并捕獲遠(yuǎn)場輻射模式。
; |/ _& f6 j: w  U主要由三個部分組成：

精密調(diào)節(jié)組件

實(shí)時觀察組件

三透鏡遠(yuǎn)場成像組件
  n$ s+ r! z8 t8 y* F# u$ `: z
# n8 M# h- U8 z( _( Q3 T" D+ C( ?* @
圖7顯示了硅基光相控陣芯片測試系統(tǒng)光學(xué)部分的示意圖。

6 q( f: S) ?' K6 \: x& t精密調(diào)節(jié)組件包括六軸高精度對準(zhǔn)平移臺和光纖夾具。這些組件確保光纖相對于芯片的精確定位，以實(shí)現(xiàn)高效的光耦合。

實(shí)時觀察組件包括顯微成像鏡頭、平移臺、CCD和監(jiān)視器。這些允許在對準(zhǔn)和測試過程中直接觀察芯片和光纖。
# g; G5 P' s! I6 d* r2 u' [
三透鏡遠(yuǎn)場成像組件對于檢測光相控陣芯片中天線和陣列的遠(yuǎn)場輻射模式非常重要。
! Q  z& {! J1 \/ H
" t* o1 H3 Q5 |8 f. ^! @0 h圖8展示了三透鏡遠(yuǎn)場成像組件的示意圖。
4 H2 h8 o  Y5 D8 o3 y6 D

圖9顯示了三透鏡遠(yuǎn)場成像組件的光路圖。

' d9 K$ e& H" i* e三透鏡系統(tǒng)包括：
6 f  Y, a! V! |# B$ v

透鏡1：收集光相控陣的輻射場（高數(shù)值孔徑）

透鏡2和透鏡3：形成望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)以放大遠(yuǎn)場輻射模式

) B" F* K4 _" `! ]! W5 ?通過調(diào)整透鏡配置，該設(shè)置允許進(jìn)行遠(yuǎn)場和近場成像。
; D8 |5 o+ F& l( \  E
電氣組件
: T( r0 {4 w  c  X5 d4 \測試系統(tǒng)的電氣部分旨在：

測試芯片中金屬電極的電阻

測量各組件的功耗

控制相移器
[/ol]
9 S4 u' R- @) O主要電氣組件包括：

鎢探針平臺

數(shù)字源表

多通道電壓/電流控制器

萬用表

示波器

信號發(fā)生器

放大器
[/ol]

0 _# b7 _0 W4 U; x7 a圖10顯示了用于連接芯片上單個相移器的鎢探針平臺。
% K, t% J8 j/ Z! l" F  K. H
對于具有大量相移器的芯片，通常需要將其鍵合到印刷電路板上。
7 {( v9 X; e- T- @
% `( V5 |, ]) u2 s  c. {: U圖11顯示了帶有金線鍵合的印刷電路板上的芯片照片，用于連接多個相移器。

8 L; Q: u. ]9 P% I" Q/ F測試程序
, i6 f: R. }+ l要測試光子集成相控陣芯片的光束掃描特性，請按照以下步驟操作：

按圖12所示設(shè)置測試系統(tǒng)。

使用光纖耦合將激光源的光耦合到芯片中。

使用多通道電壓/電流源將電壓或電流施加到相移器上。

使用紅外CCD捕獲遠(yuǎn)場輻射模式。

使用優(yōu)化算法調(diào)整相移器電壓/電流，以實(shí)現(xiàn)精確的光束指向。

迭代優(yōu)化過程以達(dá)到所需的光束特性（指向方向、旁瓣電平等）。

記錄電壓/電流分布和遠(yuǎn)場輻射模式以進(jìn)行分析。
[/ol]

圖12硅基光相控陣光束掃描特性測試系統(tǒng)示意圖
7 B4 q: j1 h) N/ c6 L+ W5 G
相位優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)精確光束指向
由于制造工藝誤差，每個輻射光路徑的初始相位可能偏離理論設(shè)計(jì)值。為實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的光束指向，需要使用相位優(yōu)化方法。以下是逐步方法：
1. 使用計(jì)算機(jī)編程控制多通道電壓/電流源。
- Z  b+ y+ S/ G" t% i" U2. 對陣列中的每個相移器施加一組隨機(jī)電壓值。
, R" p$ _1 |. h5 r' \* L3. 使用紅外CCD收集遠(yuǎn)場輻射模式。
5 H' [; l! c( D4 g0 W4. 使用優(yōu)化算法（如粒子群優(yōu)化、模擬退火或爬山算法）確定預(yù)期和當(dāng)前光束指向方向之間的差異。
5. 根據(jù)優(yōu)化算法生成新的電壓/電流值集。
6. 將新值應(yīng)用于相移器并收集更新的遠(yuǎn)場模式。
2 x( E) ^+ V2 W$ a5 J$ v7. 重復(fù)步驟4-6，直到光束準(zhǔn)確地指向預(yù)定方向，并具有最低的旁瓣電平。
3 e+ B) Q. |1 o, }8. 記錄最終的電壓/電流分布和遠(yuǎn)場輻射模式以供進(jìn)一步分析。
2 U( `2 U5 Q; q+ G5 f1 B
這種優(yōu)化過程適用于各種規(guī)模的光相控陣芯片，可顯著提高光束掃描精度。


實(shí)際考慮因素和建議
+ B( v2 |8 e4 I. h$ Q( ~; l; v在測試光子集成相控陣芯片時，請記住以下幾點(diǎn)：

確保芯片的適當(dāng)溫度控制，因?yàn)闊岵▌訒�影響相移器性能�?li>使用高質(zhì)量光學(xué)組件以最小化損耗并保持信號完整性。

定期校準(zhǔn)測試系統(tǒng)以確保測量準(zhǔn)確。

使用基于探針的供電方法時，注意不要損壞芯片表面或電極。

對于大規(guī)模陣列，考慮使用鍵合和定制PCB，以便更容易控制多個相移器。

實(shí)施適當(dāng)?shù)钠帘魏徒拥丶夹g(shù)，以最小化測量中的電氣噪聲。

使用自動化軟件簡化測試過程，特別是對于相位優(yōu)化程序。
[/ol]
6 n* r5 s3 x2 k9 ]' O* _結(jié)論
$ `! _7 k; z& Z8 o, R* }測試光子集成相控陣是復(fù)雜但重要的過程，以確保這些先進(jìn)光學(xué)系統(tǒng)的性能。通過遵循本文中概述的方法和程序，可以有效評估光子集成相控陣芯片的關(guān)鍵組件和整體性能。徹底的測試和優(yōu)化是開發(fā)用于電信、傳感和成像技術(shù)等各種應(yīng)用的高性能光相控陣的重要步驟。
! V. B6 W% F% X/ @: ]參考文獻(xiàn)
' i$ e8 s0 {6 S4 |; Q' ][1] T. Dong, J. He, and Y. Xu, "Photonic Integrated Phased Array Technology," China Astronautic Publishing House Co., Ltd., 2024.

* F3 y: T- r) B) r  t: Q8 i- N- END -

6 V1 ?2 k0 t7 }0 N" k) @軟件申請我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請?bào)w驗(yàn)免費(fèi)版PIC Studio軟件。無論是研究還是商業(yè)應(yīng)用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
點(diǎn)擊左下角"閱讀原文"馬上申請
$ V! [( \. E3 F$ X/ J7 N
# u/ U% N. ]8 b" C4 C歡迎轉(zhuǎn)載
  q% B5 g! v; N- u! S
2 i" F5 ^1 B7 Q2 M轉(zhuǎn)載請注明出處，請勿修改內(nèi)容和刪除作者信息！

& N. h* i: S4 V

* t  m5 F7 T# {5 c$ {$ f% D3 w4 A
6 ^! K# [! R# ?4 o% ]8 ^% l7 a! L
關(guān)注我們
1 r5 Y4 \% Z) e: d) N5 i) [2 i* n
) z, s$ h9 m* U/ ?

0 l2 i" y, K2 Y- j/ { - V& m0 p% O6 M8 r* a2 c

                     

5 C  O4 l7 v5 g% @& i6 J5 s' _

關(guān)于我們：
5 h& B: C) a; M& D) k1 o/ j深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)自動化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計(jì)和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù)，廣泛服務(wù)于光通訊、光計(jì)算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。
3 C7 ^. w/ l  X. @4 ^. g; }( \6 A7 M
- U! K! ~" ]$ Xhttp://www.latitudeda.com/
  d$ d8 u$ K4 E( Y( U（點(diǎn)擊上方名片關(guān)注我們，發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容）