Das Testen photonischer Komponenten erfordert eine präzise und reproduzierbare optische Kopplung sowie, je nach Anwendung, eine elektrische Kontaktierung oder RF-Anbindung des zu prüfenden Bauteils. Die Anforderungen hängen vom photonischen Bauteil, seinen optischen Schnittstellen, der Messaufgabe sowie der jeweiligen Entwicklungs- oder Produktionsphase ab. Grating-, Edge- und Trench-Coupling können unterschiedliche Positionier- und Ausrichtstrategien erfordern. Auch die optische und elektrooptische Charakterisierung einschließlich RF-Messungen stellt jeweils spezifische Anforderungen an die Messtechnik und koordinierte Messabläufe.
SmarAct begegnet diesen Anforderungen mit einer modularen Testarchitektur für photonisch integrierte Schaltkreise (PICs). Sie kombiniert funktionale Bausteine für die Positionierung von Wafern und Dies, die Vorpositionierung, Mess- und Feedbacksysteme, die schnelle optische Ausrichtung sowie die Integration der Messtechnik. Diese Bausteine werden entsprechend der jeweiligen Anwendung ausgewählt und konfiguriert. Einzelne Komponenten können unabhängig voneinander eingesetzt oder zu einem automatisierten Testablauf kombiniert werden. Damit lassen sich Aufbauten von Forschung und Entwicklung über die Bauteilcharakterisierung und Kleinserientests bis hin zur Integration in produktionsnahe Testumgebungen realisieren.
Bild 1 Modularer Aufbau zur automatisierten elektrooptischen PIC-Charakterisierung, integriert in ein Gehäuse.
Aufbau der photonischen Testkette
Wafer- und Probenhalter positionieren einzelne Chips, Bauelemente oder Messstellen in Reichweite der Testschnittstellen. Die Auswahl reicht von kompakten XY-Tischen bis hin zu maßgeschneiderten Waferhaltern mit anwendungsspezifischen Verfahrbereichen, Zugangsgeometrien und integrierter Messtechnik.
Für den optischen Zugang bringen Positionierungs- und Vorausrichtungsalgorithmen Fasern, Faserarray-Einheiten (FAUs), Sonden oder optische Köpfe in die erforderliche Position und Ausrichtung relativ zum Bauelement. Verschiedene Konfigurationen ermöglichen laterale Positionierung, XYZ-Bewegung oder bis zu sechs Freiheitsgrade. Durch Werkzeug- und Drehpunktkalibrierung werden die Arbeitsposition und -ausrichtung der optischen Schnittstelle sowie deren effektiver Drehpunkt festgelegt, was eine präzise mehrachsige Ausrichtung ermöglicht.
Integrierte Messsysteme können lokale Abstands-, Höhen- und Oberflächeninformationen für den nachfolgenden Ausrichtungsprozess liefern. Kapazitive Sensorik oder optische Abstandsmessung können beispielsweise eine kontrollierte Annäherung und eine höhensensitive optische Kopplung unterstützen. Bei Anwendungen auf Wafer-Ebene können Oberflächentopografiemessungen Referenzdaten für nachfolgende Positionierungs- und Testprozesse liefern.
Sobald die optische Schnittstelle erreicht wurde, stehen mehrere Optionen zur Charakterisierung der Kopplung und zur Feinjustierung zur Verfügung. Mithilfe von piezobasierten Scanner-Positionierern lassen sich positionsabhängige Kopplungseffizienzen mithilfe der Firmware-Funktionen der Bewegungssteuerungen schnell erfassen. Diese Messungen können für die Optimierung im geschlossenen Regelkreis verwendet werden. Für die laterale 2D-Ausrichtung ermöglichen die Scanner-Positionierer eine schnelle Kopplungsoptimierung auf Basis enger Regelkreise direkt auf dem Bewegungsregler.
Für Optimierungsaufgaben, für die noch keine controllerintegrierte Lösung zur Verfügung steht, beispielsweise die mehrdimensionale Optimierung über verschiedene Regler hinweg, bietet SmarActs Development Environment flexible Gradientensuchverfahren.
Die Architektur lässt sich über offene Software-Schnittstellen an anwendungsspezifische optische, elektrooptische und HF-Messgeräte anpassen. Externe Hardware kann mithilfe von Plug-ins oder Python-Modulen integriert werden, darunter auch bestehende Module von Geräteherstellern. SmarActs Development Software kann Bewegung, Ausrichtungsroutinen, Gerätesteuerung, Messsequenzen, Visualisierung und Datenerfassung in einem gemeinsamen Arbeitsablauf koordinieren. Dadurch lassen sich externe Messgeräte in die Bewegungs- und Ausrichtungstechnologie von SmarAct integrieren.
Bild 2 Beispielkonfiguration: Elektrooptische RF-Charakterisierung von LTOI-Mach-Zehnder-Modulatoren auf Wafer-Ebene.
Automatisiertes elektrooptisches Wafer-Level-Testing
Eine konkrete Umsetzung dieser Architektur demonstrierte SmarAct gemeinsam mit Luxtelligence und Anritsu. Der Aufbau ermöglicht die automatisierte Ausrichtung auf Wafer-Ebene, die optische Kopplung und die elektrooptische Charakterisierung von LTOI-Mach-Zehnder-Modulatoren von Luxtelligence. Ein Anritsu ShockLine™ MS46524B Vektornetzwerkanalysator erfasst die elektrooptische Antwort, während SmarAct die Bewegungsmodule, Ausrichtalgorithmen und Steuerungstechnik bereitstellt.
Der Workflow umfasst zunächst die Systemkalibrierung, bei der die relevanten Beziehungen zwischen Werkzeugen und Koordinatensystemen bestimmt werden. Darauf folgen Wafernavigation, Lokalisierung des Bauteils, optische Ausrichtung und Messung. Die optische Schnittstelle wird relativ zum ausgewählten Bauteil positioniert und ausgerichtet, wobei Feinjustagealgorithmen die optische Kopplung optimieren. Die elektrische Kontaktierung und der Vektornetzwerkanalysator vervollständigen die Messkette zur Charakterisierung der elektrooptischen Frequenzantwort des Bauteils. Ziel der SmarAct Development Software ist es, die einzelnen Schritte über wiederverwendbare Prozessbausteine für Geräteansteuerung, Ausrichtung, Messung, Visualisierung und Datenverarbeitung miteinander zu verbinden.
Der Demonstrator verdeutlicht den zentralen Gedanken der modularen Architektur: Das Bauteil, die optische Schnittstelle, die Messtechnik und der erforderliche Automatisierungsgrad bestimmen die Konfiguration. SmarAct-Komponenten können als einzelne Bausteine eingesetzt, zu funktionalen Subsystemen kombiniert oder gemeinsam mit kundeneigener Hardware und Geräten von Drittanbietern in eine koordinierte Testarchitektur integriert werden. Maschinenbauer, Systemintegratoren und Photonikhersteller können so anwendungsspezifische Testsysteme entwickeln und gleichzeitig flexibel über die eingesetzten Komponenten, die Messtechnik und den Automatisierungsgrad entscheiden.