Artificial intelligence (AIartificial intelligence) und High-Performance Computing (HPC1. High Performance ComputingRechenanwendungen mit besonders hohem Leistungsbedarf, die hier als Treiber für Packaging und Test genannt werden.2. high-performance computingHPC bezeichnet besonders rechenintensive Hochleistungsanwendungen.) treiben den Bedarf an Datenübertragung auf ein Niveau, bei dem klassische elektrische Verbindungen an Grenzen bei Leistungsaufnahme, Latenz und Reichweite stoßen. Deshalb gewinnen Silicon Photonics sowie Near-Packaged Optics (NPO) und Co-Packaged Optics (CPOco-packaged opticsOptische Bauelemente werden direkt mit dem Prozessor in einem Package integriert) für künftige Rechenzentren an Bedeutung.
Im Mittelpunkt steht dabei nicht nur die Entwicklung leistungsfähiger Photonic Integrated Circuits (PIC1. Physical interfaces and carriers2. Photonic Integrated CircuitEin Schaltkreis, der optische Funktionen auf einem Photonic-Chip integriert). Entscheidend ist, ob sich solche Bauelemente auch in hoher Stückzahl zuverlässig, wirtschaftlich und mit reproduzierbarer Qualität fertigen und testen lassen. Dafür braucht es eine Testinfrastruktur, die mit der optischen Komplexität der Bauteile Schritt hält.
Gegenüber der etablierten elektrischen Prüfung bringt Silicon Photonics eine zusätzliche optische Dimension mit. Testsysteme müssen Faserjustage, Kopplungseffizienz, Polarisationszustand und optische Messtechnik beherrschen, ohne die klassische elektrische Charakterisierung zu vernachlässigen. Test wird damit nicht mehr nur zum Qualitätsfilter, sondern zu einem festen Bestandteil der Fertigungsstrategie.
Eine der Grundanforderungen ist die reproduzierbare optische Anbindung an das Prüfling-Bauelement. Anders als beim elektrischen Probing, bei dem ein Kontakt relativ direkt hergestellt wird, muss Licht präzise in sehr kleine Strukturen ein- und ausgekoppelt werden. Schon geringe Abweichungen von Faserposition oder -winkel verändern den Einfügeverlust und damit das Messergebnis.
Für die Hochvolumenfertigung sind deshalb automatisierte Ausrichtverfahren nötig, die die optische Schnittstelle schnell finden und die Kopplung optimieren. Beschrieben werden bildgestützte Positionierung, anschließende Flächenscans und Gradientenverfahren mit Rückkopplungsschleifen. Die aktive Ausrichtung umfasst dabei oft sechs Freiheitsgrade: X, Y und Z sowie drei Rotationsachsen. Ziel ist eine hohe Kopplungseffizienz bei gleichzeitig geringer Kanal-zu-Kanal-Streuung.
Mit mehreren optischen Kanälen steigt die Komplexität weiter. Nicht nur ein einzelner Kanal muss optimal arbeiten, sondern die Kopplung muss über alle Kanäle hinweg konsistent sein. Rotationen beeinflussen die Überlappung des optischen Strahls mit mehreren Grating Couplers; andere Winkeländerungen wirken sich auf Einfügeverlust und Mittenwellenlänge aus. Zusätzlich muss die Polarisation erfasst und kontrolliert werden, weil photonische Strukturen je nach Polarisationszustand unterschiedlich reagieren können.
Auch bei der Messstrategie ist Parallelisierung entscheidend. Ein PIC1. Physical interfaces and carriers2. Photonic Integrated CircuitEin Schaltkreis, der optische Funktionen auf einem Photonic-Chip integriert kann Photodetektoren, Modulatoren und weitere Komponenten enthalten, die optische und elektrische Messungen in unterschiedlichen Kombinationen verlangen. Genannt werden unter anderem Einfügeverlust, Kanalgleichmäßigkeit, optische Dämpfung, Ansprechempfindlichkeit von Photodetektoren und wellenlängenabhängiges Verhalten. Werden diese Prüfungen nacheinander ausgeführt, steigt die Testzeit deutlich. Skalierbarer ist es, elektrische und optische Schritte soweit möglich gleichzeitig laufen zu lassen, etwa elektrische Tests während der automatischen optischen Ausrichtung.
Das gleiche Prinzip gilt für die optische Instrumentierung. Laser, Powermeter und weitere Geräte sollen in integrierten Testumgebungen gemeinsam gesteuert werden, um mehrere Instrumente oder Kanäle parallel nutzen zu können. Automatische Kalibrierung und Kompensation sind wichtig, damit die Messgenauigkeit auch in einem komplexeren Testaufbau stabil bleibt. Als Beispiel wird eine Entwicklungsarbeit von Advantest genannt, die mehrere optische Instrumente und parallelen Powermeter-Betrieb in einer gemeinsamen Testumgebung unterstützt.
Die Skalierung gelingt nur über ein Ökosystem aus Testequipment, Wafer-Probing, optischer Positionierung, Faserinterfaces, optischer Messtechnik, Bauelementdesign und Fertigungsprozessen. Als Beispiel wird die Zusammenarbeit von Advantest und FormFactor bei einer Wafer-Level-Testumgebung für Photonik genannt, die elektrische Messtechnik, Wafer-Handling, optische Instrumente und automatisierte Faserjustage kombiniert. Der Übergang von der Labordemonstration zur Hochvolumenproduktion hängt damit ebenso von der Testarchitektur wie von den photonischen Bauelementen selbst ab.