Silicon Photonics Testing: Design for Testability, Fault Detection, and Manufacturing Variation Analysis in Photonic Integrated Circuits

技术摘要：硅光子测试：光子集成电路中的可测试性设计、故障检测与制造偏差分析

问题陈述
硅光子技术向高带宽、低成本互连以及如光学神经网络（ONN）和光学逻辑电路等复杂系统领域的快速扩张，是由绝缘体上硅（SOI）的高折射率对比度及其与 CMOS 工艺的兼容性所驱动的。然而，这项技术在制造良率和可靠性方面面临着重大挑战。硅光子电路对制造过程中固有的微小几何差异（例如波导宽度或厚度的变化）高度敏感。这些偏差会在复杂电路中传播，改变信号功率和相位，导致错误的干涉模式，并最终导致性能恶化。虽然制造后的调谐和校准是必要的，但目前的流程在很大程度上是手动、繁琐且缺乏自动化的。此外，在专门用于简化光子集成电路（PIC）测试、诊断和校准的自动化可测试性设计（DFT）架构方面，仍存在明显的研究空白。

方法论
作者提出了一种旨在直接嵌入硅光子集成电路（PIC）中的基于规范的 DFT 架构。其核心方法包括：

1. 测试访问与信号分路： 利用基于载流子注入的马赫-曾德尔调制器（MZM）在特定测试点抽取部分光信号。该 MZM 被设计为在“中间配置”（测试模式）下运行，即在测试时将特定比例（30%）的信号分流，而剩余信号继续通过电路。
2. 基于比较的故障检测： 使用 Y 型合路器将抽取的测试信号（振幅 $S_T$，相位 $\phi_T$）与已知参考信号（$S_R$，$\phi_R$）进行比较。Y 型合路器充当比较器；如果电路无故障，则设计使测试信号与参考信号具有相等的幅度但相反的相位，从而产生破坏性干涉并输出为零。任何偏离零的情况都表明存在缺陷。
3. 组件设计与仿真： DFT 电路组件——方向耦合器、相位调制器和 Y 型合路器——经过设计并使用 Ansys Lumerical 套件（FDE, varFDTD, FDTD, CHARGE 和 INTERCONNECT）进行了广泛仿真。
   • 方向耦合器： 设计为 3dB 耦合器，优化了波导间隙和长度，以确保精确的功率分配（目标为 50:50 分配），同时最大限度地减少反射损耗。
   • 相位调制器： 使用 Drude 展开式进行建模，根据由反向偏置 p-n 结引起的载流子浓度变化来计算折射率变化（$\Delta n$）和吸收变化（$\Delta \alpha$）。
   • MZM 组装： 集成方向耦合器和相位调制器以创建一个可切换的 MZM。选择 5mm 的调制臂是为了平衡占位面积与开关电压（全开关需要约 5.6V），避免了使用较短的 3mm 臂时高达 16V 的不切实际需求。
4. 验证场景： 该方法被应用于两种不同的 PIC 拓扑结构：
   • 前馈式光学神经网络（ONN），其中标准的 MZI 被 DFT MZM 所取代。
   • 带有反馈回路的光学逻辑电路（BCD 转七段显示器），其中 DFT 电路被插入到节点之间，以避免破坏闭环拓扑结构。

主要贡献

• DFT 架构： 本文提出了一种专门用于硅光子的新型 DFT 架构，能够实现芯片上信号功率和相位的测试。
• 组件设计： 详细设计并仿真了构建 DFT 电路所需的组成型光子组件（3dB 方向耦合器、载流子注入相位调制器和 Y 型合路器）。
• 故障检测演示： 作者展示了在馈进式和反馈回路电路拓扑结构中检测制造缺陷（模拟为相位偏移或功率偏差）的能力。
• 基于规范的测试： 该方法通过将实际电路特性与理想规范进行比较来验证电路运行，而不仅仅是依赖于单纯的通过/失败二元结果。

结果

• 组件性能： 设计的 3dB 方向耦合器实现了 48:48 的功率分布，并最大限度地减少了反射。5mm MZM 的插入损耗为 2.6dB，消光比为 20.3dB。
• ONN 测试： 在前馈式 ONN 测试中，无故障电路在 Y 型合路器处产生破坏性干涉（零输出）。当引入缺陷（模拟相位偏移误差为 2.14 rad 而非 3.14 rad）时，MZM 输出变为 0.1W，且 Y 型合路器检测到非零信号，成功识别了故障。
• 反馈回路测试： 在带有反馈回路的光学逻辑电路中，在特定 MZI 中引入缺陷会导致测试调试点出现信号。DFT 电路成功检测到了这一偏差，证实了该方法在复杂循环拓扑中的适用性。

意义与主张
本文声称，所提出的 DFT 方法解决了硅光子生态系统中对自动化测试的迫切需求。通过将测试访问和故障检测电路直接嵌入芯片，该方法促进了实时数据采集、故障检测和制造后调谐。作者断言，该架构可以减少测试时间和成本，提高测试覆盖率和可靠性，并提升硅光子集成电路的规模化能力和良率。这项工作是迈向基于计算机辅助设计（CAD）的测试基础设施的重要一步，填补了当前手动校准过程与大规模制造复杂光子系统需求之间的空白。作者指出，虽然该 DFT 架构已得到验证，但开发用于测试点选择和自动测试向量生成（ATPG）的自动化工具仍是未来的研究课题。