光子集成相控阵测试

逍遥设计自动化

引言
4 I1 y* M4 D9 J. N6 v" s光子集成相控阵是光学系统中实现高级光束控制和成形能力的先进设备。这些阵列在电信、激光雷达和光学传感等多个领域有广泛应用。为确保最佳性能，全面测试这些设备非常重要。本文将介绍用于评估光子集成相控阵及其关键组件的测试原理、方法和系统[1]。
& Y3 }, O/ h: F3 z6 a
, l, m9 I( r& p* c% d& G3 ^光子集成相控阵简介
# e! x& @2 }2 k! p* r$ Y: u( O光子集成相控阵由几个关键组件组成，包括光耦合器、功率分配器、相移器和光天线。这些单个元件的性能显著影响整体系统性能。在深入研究完整相控阵系统的测试之前，了解如何测试这些单个组件非常重要。

关键组件测试
光天线
8 G% y0 n, U) ?: k6 V光天线是光子集成相控阵中的关键元件，负责将光辐射到自由空间。光天线的主要测试特性包括：
2 W" x$ M4 v  F

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图1显示了用于评估光天线的测试光路布局。
! K. ?# X! T/ z& |; U+ P& e
  H. Y/ \+ p5 {7 I% @! K为测试光天线的辐射特性，我们通常使用图4.1所示的设置。该过程涉及将激光源的光通过光栅耦合器耦合到硅波导中。然后光在波导中传播，并由被测试的光天线辐射出去。
0 X( h' P1 K- i. Y3 k, @) d

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% S. C( Q2 a* d1 E/ M# w! }& [3 z图2展示了光天线测试系统的示意图。
, ]3 x6 [" Y  z* H* v& a$ R
如图2所示，测试系统包括激光源、偏振控制器、光栅耦合器、光天线和检测设备，如连接到功率计的光纤或红外CCD。
& X& M. P: F5 q% i0 c& y! R
要计算光天线的辐射效率，使用以下公式：
0 V7 m" ]" m1 i& f: f3 ~" E; E# z8 [
! v* E# |2 w9 H$ cη_rad = P_rad / P_in_antenna

其中：

η_rad 是辐射效率

P_rad 是辐射光功率

P_in_antenna 是天线的输入光功率
- X2 i" E3 x$ G/ ^+ {
. L9 O: }- @# p  Z2 r7 B+ w, o  u! _在计算辐射效率时，需要考虑耦合效率、波导损耗和双向辐射等因素。
( ?& v1 {, o- s6 ^
" D7 E7 G: z0 U8 s! J光相移器
+ I: x+ ], I: T0 D; k相移器是光子集成相控阵中的重要组件，可以精确控制每个通道中光的相位。相移器的主要测试特性包括：

相移范围

功耗

响应时间
[/ol]
为测试相移器，我们通常使用马赫-曾德干涉仪（MZI）结构。这种间接方法允许我们通过观察干涉图案来测量相位变化。

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0 W! s+ Z& a2 P4 |图3展示了用于测试相移器的硅基马赫-曾德干涉仪的示意图。

+ {' k  U1 E! A4 EMZI结构将输入光分成两个路径，其中一个路径包含被测试的相移器。通过改变施加到相移器上的电压或电流，我们可以观察输出强度的变化，这与相位变化相关。
2 ?5 }9 F; P2 R
要测试相移范围，请按照以下步骤操作：
1. 在一个臂中设置带有相移器的MZI结构。
) e8 |2 p$ O4 x% X2. 改变施加到相移器上的电压或电流。
6 r0 N( e' y/ `. ~# S! J3 l# U8 ~3. 测量每个电压/电流值的输出光功率。
, a/ q; X3 l7 c3 j) p4 p4. 绘制输出功率与电压/电流的关系图，以确定Vπ（π相移所需的电压）或Pπ（π相移所需的功率）。

- L6 Q/ q/ M* |% ^# j( n6 ]* F9 J

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图4显示了马赫-曾德干涉仪结构的输出光功率随(a)电压和(b)加载在相移器两端的功率的变化。

要测试相移器的响应时间：

将方波信号施加到相移器上。

使用光电探测器和示波器观察输出信号。

测量信号的上升时间，这对应于相移器的响应时间。
[/ol]

9 {* ?8 e" j3 `+ ?/ a; j

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图5显示了光电探测器输出信号随调制方波信号的变化，用于确定相移器的响应时间。
5 f2 o1 u2 d8 D4 o" O6 S: `
测试完整的光子集成相控阵芯片
在测试单个组件之后，评估整个光子集成相控阵芯片的性能非常重要。
/ Z, a: \4 q, y主要评估特性包括：

光束指向

光束宽度

旁瓣电平

光束扫描范围
# _4 [  {. h  S2 K) t
测试系统设计
$ L# J# k/ e& b  Z为测试光子集成相控阵芯片，需要一个综合测试系统。这个系统通常由光学和电气组件组成。
* b3 U7 z. `5 q& B
: _+ R7 @6 S. O! X

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) ]- {8 ~' w4 L" q图6展示了硅基光相控阵光束扫描特性测试系统的示意图。
0 u  V0 p- F4 b& m5 w& T
4 [6 G! v7 w+ k! w0 o测试系统包括以下关键组件：

激光源

光耦合机制（光纤耦合）

光子集成相控阵芯片

远场成像系统

红外CCD

用于控制和数据采集的计算机

相移器控制的电流/电压源
  s0 L$ s# }( U& Q$ A5 Z6 j( |
光学组件
测试系统的光学部分负责将光耦合到芯片中并捕获远场辐射模式。
/ |: _* b0 X$ N, y; @5 G+ S, i主要由三个部分组成：

精密调节组件

实时观察组件

三透镜远场成像组件

/ ]" Z2 d5 ^. [% j1 |7 a

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& _) Q; H/ O: V5 u. j图7显示了硅基光相控阵芯片测试系统光学部分的示意图。
! P$ f1 h: P' }: |, G5 ]
精密调节组件包括六轴高精度对准平移台和光纤夹具。这些组件确保光纤相对于芯片的精确定位，以实现高效的光耦合。
" L) y# ^1 C3 z' D2 e& A9 b3 o
- `/ h! N3 h$ ?7 U: g实时观察组件包括显微成像镜头、平移台、CCD和监视器。这些允许在对准和测试过程中直接观察芯片和光纤。

5 I$ X$ S# c9 `三透镜远场成像组件对于检测光相控阵芯片中天线和阵列的远场辐射模式非常重要。

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3 M, y: n* M9 d; b图8展示了三透镜远场成像组件的示意图。

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! L4 p* w% T. G图9显示了三透镜远场成像组件的光路图。
. p9 w( U. V1 R# k( G
三透镜系统包括：
, |# Q: V3 ]9 ?* F- d) L  w& g! u

透镜1：收集光相控阵的辐射场（高数值孔径）

透镜2和透镜3：形成望远镜系统以放大远场辐射模式

通过调整透镜配置，该设置允许进行远场和近场成像。
3 U1 C/ E( n, f- B) p* U8 c
, C' B, {( y  o/ B0 _) R8 M4 s电气组件
4 ^. ]: T6 N+ v0 B7 G7 _测试系统的电气部分旨在：

测试芯片中金属电极的电阻

测量各组件的功耗

控制相移器
9 S! C3 U6 h0 U; H% }4 @- o[/ol]
  q& ]  Y/ {4 U; `7 F/ X+ m主要电气组件包括：

钨探针平台

数字源表

多通道电压/电流控制器

万用表

示波器

信号发生器

放大器
[/ol]
* Z/ H9 M& n- V* }" x! U$ F: n

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- g+ I( h3 h5 B' C1 B图10显示了用于连接芯片上单个相移器的钨探针平台。
/ U0 @8 p1 H! }! i
对于具有大量相移器的芯片，通常需要将其键合到印刷电路板上。
, t( L, G6 H2 c3 h/ ~% ~4 R" K

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) j8 }9 e4 \* M" ^9 n5 O图11显示了带有金线键合的印刷电路板上的芯片照片，用于连接多个相移器。
& N' I4 s+ C- P3 t; ?3 R
9 Z. T  U" Y( a/ L3 @测试程序
/ H: Q, m+ h* ?% n" Z; d要测试光子集成相控阵芯片的光束扫描特性，请按照以下步骤操作：

按图12所示设置测试系统。

使用光纤耦合将激光源的光耦合到芯片中。

使用多通道电压/电流源将电压或电流施加到相移器上。

使用红外CCD捕获远场辐射模式。

使用优化算法调整相移器电压/电流，以实现精确的光束指向。

迭代优化过程以达到所需的光束特性（指向方向、旁瓣电平等）。

记录电压/电流分布和远场辐射模式以进行分析。
4 {3 X. H' Q, Z( y) y2 @[/ol]
3 C! n) \: c: j" x) W

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! ^: e$ I6 G5 w" G图12硅基光相控阵光束扫描特性测试系统示意图
9 K1 M" \/ l% n2 R
相位优化以实现精确光束指向
2 t. R, f% y9 F7 @# o由于制造工艺误差，每个辐射光路径的初始相位可能偏离理论设计值。为实现准确的光束指向，需要使用相位优化方法。以下是逐步方法：
# p0 y" k+ f+ n# @& }( Q1. 使用计算机编程控制多通道电压/电流源。
  [% V# _% i! V7 a! R5 u, B2 P2. 对阵列中的每个相移器施加一组随机电压值。
' N5 b2 j: _3 [* F( [! [9 g3. 使用红外CCD收集远场辐射模式。
' i2 z% {5 s2 Q4. 使用优化算法（如粒子群优化、模拟退火或爬山算法）确定预期和当前光束指向方向之间的差异。
' o6 `& E8 T- r% y" k- L5. 根据优化算法生成新的电压/电流值集。
6. 将新值应用于相移器并收集更新的远场模式。
7. 重复步骤4-6，直到光束准确地指向预定方向，并具有最低的旁瓣电平。
& E; w0 L! ]( T7 {- \3 I6 u& I; W8 W8. 记录最终的电压/电流分布和远场辐射模式以供进一步分析。
# z- }+ e+ i" N7 ?
5 x2 {9 e: h: k* x- q6 N这种优化过程适用于各种规模的光相控阵芯片，可显著提高光束扫描精度。
* x3 ?* X# M8 [- {

# R1 }8 v% B4 _/ m# C" P; Q实际考虑因素和建议
, n" K+ M4 j* y& e在测试光子集成相控阵芯片时，请记住以下几点：

确保芯片的适当温度控制，因为热波动会影响相移器性能。

使用高质量光学组件以最小化损耗并保持信号完整性。

定期校准测试系统以确保测量准确。

使用基于探针的供电方法时，注意不要损坏芯片表面或电极。

对于大规模阵列，考虑使用键合和定制PCB，以便更容易控制多个相移器。

实施适当的屏蔽和接地技术，以最小化测量中的电气噪声。

使用自动化软件简化测试过程，特别是对于相位优化程序。
( L# h- k0 w: x" _, I! \* y; c4 \[/ol]
结论
; _( v: B) ?1 Q+ U1 Q3 Z# y测试光子集成相控阵是复杂但重要的过程，以确保这些先进光学系统的性能。通过遵循本文中概述的方法和程序，可以有效评估光子集成相控阵芯片的关键组件和整体性能。彻底的测试和优化是开发用于电信、传感和成像技术等各种应用的高性能光相控阵的重要步骤。
参考文献
[1] T. Dong, J. He, and Y. Xu, "Photonic Integrated Phased Array Technology," China Astronautic Publishing House Co., Ltd., 2024.
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