数据中心正在经历一场戏剧性的变革，通过共封装光模块将高速数据传输的能耗降低70%以上。通过将光收发器从前端机架移至与网络交换机和高密度模块相同的封装中，过去需要一周才能完成的人工智能程序现在可以在一天内完成。

要实现生产制造领域的这种转变，连接器系统测试平台必须提供自动化、可扩展的流程，使光子器件的测试覆盖率与电子集成电路相当。尽管需要投入大量资金来实现这一目标，但在数据中心、5G和物联网应用中打破这种互连瓶颈所带来的回报，似乎值得付出努力。

最重要的是，像NVIDIA和Intel这样的AI和HPC设备的主要连接器供应商正在寻求各种探测方法、光纤对准策略和连接器方案，寻求在晶圆、封装和系统级别测试的最佳方法。

Intel先进系统组装与测试事业部副总裁兼总经理Mark Gardner（马克·加德纳）表示：“基于硅光子技术的光I/O芯片通常采用密集波分复用（DWDM）设计，相比可插拔收发器中的光学引擎同类连接器产品，其单光纤连接器端口的数据带宽扩展能力更强。此外，得益于硅光子器件微型化技术的进步，这些芯片正变得越来越小，能够与计算节点在先进封装中实现协同集成，其电信号传输距离甚至可低至100µm。”

这正是光子学领域热度持续攀升的主因。Advantest光学业务负责人Clemens Leichtle（克莱门斯·莱希特勒）表示：“过去两三年间，硅光子学与芯片级封装（CPO）测试领域的关注度呈现爆发式增长，这与连接器行业向数据中心及Chat GPT、生成式AI等应用技术转型的趋势不谋而合。正是这类重量级应用，真正让CPO技术跃居当今科技发展的前沿阵地。”

这种关注点覆盖了整个连接器行业领域，从连接器设计、连接器系统可靠性测试再到现场监测。Teradyne光电测试部高级产品经理 Matt Griffin（马特·格里芬）表示：“我们注意到芯片设计师、光谱分析仪制造商、晶圆厂以及硅光子初创企业对硅光子学器件和共封装光学元件的连接器方案测试测量表现出极大兴趣。要进行这些连接器方案检测，需要在几乎每个连接器方案测试环节都添加光学测试，并使用多种光学仪器进行连接器方案检测。”

采用共封装光学元件后，数据中心的总体成本将大幅降低。 Amkor Technology产品营销副总裁David Clark表示：“与传统可插拔光模块相比，共封装光学元件技术具有三大核心优势：显著的能效提升、前所未有的带宽密度以及极具吸引力的经济效益。这些优势共同为以人工智能为核心的连接器产品运营商带来可观的投资回报。”

各公司正在连接器方案供应链中展开协作，因为没有一家公司拥有进行CPO测试所需的所有连接器专业知识。Teradyne今年早些时候宣布收购Quantifi Photonics，而Advantest则与FormFactor就CPO测试展开合作。

值得注意的是，光子学测试领域正经历重大变革，从依赖多个连接器厂商提供的台式仪器组合，逐步转向为光子集成电路（PIC）、波导及其它光学元件，开发出自动化、可扩展的连接器系统测试设备。“目前我们看到，激光源、光功率计和偏振控制器已被用于执行光DC测试，”Griffin表示。

在数据中心领域，铜缆已成为连接机架前端插接式光收发器与GPU/HBM架构AI芯片的关键薄弱环节（见图1顶部示意图）。采用可插拔光收发器的主要原因在于III-V族激光器可靠性不足，一旦连接器系统发生故障即马上要更换。

图1：光子学利用光速实现更快的数据传输。（图片来源ASE）

Clark指出：“光电二极管接收器和无源光学元件通常比激光发射器更可靠，因此被集成在PIC芯片内部。激光器运行温度更高，波长会随器件老化产生漂移，外延缺陷也会随着时间推移和热量传导逐渐扩散。基于这些原因，超大规模系统设计者正选择采用远程激光源架构方案。”

光引擎包含光电探测器、波导以及集成调制器的光子集成电路（PIC）。主流的调制器类型是基于微环结构的。这种连接器技术不仅能将电信号转换为光信号，还能精准控制光信号的传输路径。当光引擎集成在中介层上时，波导等光学元件通常会被直接刻入基板中。

Leichtle指出：“虽然共封装光学器件的大规模量产时间表尚不明确，但连接器方案测试领域显然面临三大核心挑战。首先，光探测技术需要将数据从连接器设备传输与连接器方案测量仪器的光纤实现高度精准对准，反之亦然。为此，我们正通过连接器被动式或主动式对准技术，采用多种方法实现光探针与连接器设备光输入/输出接口的精准对接。”

这项工作需要实现自动化且保持高度一致性。“在生产环境进行连接器方案测试时，必须将光纤连接器插入接口，而这个操作应该通过自动化方式完成，”Leichtle表示，“有些客户采用垂直推入法（从顶部向下滑入）或水平推入法（从侧面插入），但目前这些操作大多仍需人工完成。”

解决这个问题的方法不止一种。Intel的Gardner表示：“业内正在探索的另一种方案是在封装边缘设置可拆卸接口，通过光连接器与光子集成电路对接。这种连接器方案可以通过直接连接到光子集成电路的中间玻璃桥实现，从而使用可拆卸式光连接器。这样一来，光接口在连接器组装前就能直接测试，确保连接器系统封装仅在状态良好的情况下进行最终安装。”

无论采用何种方法，该连接器系统都需要光学仪器来实现以下功能：使用激光器产生光信号，调节和测量光信号，通过开关和耦合器引导光信号，使用偏振控制器和衰减器调整光信号，将光信号转换为电信号或反之的参考调制器，以及用于监测光强度的光功率计等。

测试

无论连接器方案测试步骤如何，连接器设备互连接口都是关键。“另一个主要创新是确定与被测设备进行光学对接的最佳方式。在晶圆探针上以亚微米精度进行光学对准，或为光学引擎和CPO测试提供自动化连接器，”Griffin说。

在连接器方案测试过程中，热管理问题与CPO系统运行面临同等重要的挑战。安森美半导体高级总监Mark Gerber（马克·格伯）解释道：“光子集成电路有个有趣的特点，它对温度变化极其敏感。当温度升高时，会导致光学损耗，进而造成连接器测试数据丢失。虽然光子集成电路本身不会产生热量，但激光源会消耗10到12瓦功率。考虑到可能配置8或16个激光器，总功耗会显著增加。此外，光引擎中的控制器芯片、GPU和ASIC都会产生热量。多重热源同时作用下，保持连接器系统低温是一大难题。”

连接器方案测试流程始于光子集成电路的晶圆级安装，芯片内含数百个光学元件。“我们主要进行电学与光学直流特性测量。例如，连接器方案研究人员关注波长相关损耗、偏振依赖性损耗等特性参数。对光电二极管而言，暗电流测量至关重要（即关闭激光输入后检测漏电流变化）。随后通常会将光子集成电路与电子芯片集成，进行更多电光特性测试。最终完成单片化设计，形成所谓的光学引擎。在光学引擎与昂贵的SoC芯片共封装前，必须进行连接器方案全面测试来确保其性能可靠。这个阶段通常需要验证高速测试条件，通过调制器极限测试来验证连接器系统稳定性。”Leichtle解释道。

通过连接器系统在后期阶段连接光纤，可显著提升传输效率。Clark指出：“采用与光子集成电路芯片精准对准的光学耦合器，使得机械式光纤连接能在系统组装后期完成。虽然某些情况下仍需借助集成光反馈回路进行主动校准，但无需再设置光纤尾纤结构，这为高带宽模块化（HVM）技术提供了更优解决方案。尽管仍需专用设备支持，但相较于传统直接光纤连接方式，整体装配流程已实现大幅优化。”

模拟技术是提升连接器系统对准流程效率的重要工具。“我们开始使用仿真软件来模拟光学探针与被测设备之间的耦合关系，”Griffin表示，“过去我们通常先获取客户的连接器系统设计参数，根据这些连接器系统参数设计光学探针，然后通过连接器方案实际测试来验证性能表现。现在我们尝试同时对光学探针和客户设备特性进行建模，这样就能在实施前预测探针性能并优化连接器设计方案。”

最终，光学探针技术可直接在现有设备上通过电光探针卡实现。“这意味着探针卡在机械结构上也集成了光学探针，甚至可能具备主动对准功能。我认为这种连接器方案未来会大受欢迎，因为无需购置专用光学探针，就能利用现有的电气探针设备。”Leichtle 表示，“由于光学探针的针脚与电气焊盘已预先对齐，其对准过程可以借助这种电气对齐优势来优化。”

连接器系统测试必须同时满足2.5D和3D方案。“在某些情况下，我们看到光子集成电路与电子集成电路被集成在同一晶圆上。这种情况下，晶圆上层会设置电气通路和光耦合器，使得探针能够通过光学和电学方式从晶圆一侧进行探测，”Griffin解释道，“此外还有其它公开的制造工艺宣称能在同一晶圆上构建光子集成电路，另一晶圆上构建电子集成电路，并将两者连接起来。目前这类连接器技术工艺在晶圆一侧设有电气焊盘，另一侧则配备光耦合器，因此需要采用双面探测技术。”

另一个关键变化在于确定连接器系统高速测试的最佳实施位置。“目前关于连接器系统高速测试的实施地点，通常是在封装测试阶段进行仍存在争议，”Griffin表示，“我们看到这种连接器方案测试正向晶圆级迁移，即所谓的‘左移’技术路线，但探针技术及光电信号转换技术确实面临挑战。例如，晶圆上的芯片级光收发器在完成切割后，需要与高性能计算设备进行共封装。这两者的价格差异显著，GPU或AI专用集成电路的成本远高于光引擎，因此在共封装前确保只有已知可靠的光收发器至关重要。”

温度控制

业内普遍认为，优质的芯片/晶粒必须依赖于同封装或异封装环境中的优质周边元件。Griffin说：“未来几年内，光模块将与超高性能计算设备共存于同一连接器封装结构中。这些GPU和AI专用集成电路的功耗将达到数千瓦，因此准确掌握其在高温环境下的运行特性至关重要。最终将有具备大规模生产能力的企业制定行业标准，特别是在连接器设计领域，这将推动实现连接器产品更高量产优化的处理方案和连接器对准技术。在此期间，连接器系统自动测试设备供应商需要提供灵活可定制的光接口解决方案，同时满足高通量测试环境中关键测量所需的光学仪器需求。”

光电器件必须应对材料热膨胀的变化，这可能会改变调制器的共振频率等。“像材料的反射指数这样的重要特性显示出相当强的温度依赖性，这一点在微环调制器中尤为明显，”Leichtle说。

DFT测试设计

连接器方案测试方法的设计将有助于确定如何、何时以及在哪里进行测试，从而确保这些设备按预期工作。DFT可以降低成本并改进耦合，但正如其名称所暗示的那样，它需要在连接器设计过程的早期开发，以便在合理的地方和时间实施。

Griffin说：“DFT有两个主要功能，这些光回路可以用来对连接器设备的光输入进行某些校准。终端应用中的连接器设备可能是边缘耦合的，但我们也在看到垂直耦合结构被集成，因为垂直探测更容易在晶圆上进行。”

这些连接器设备能够以极高的数据速率实现电-光或光-电信号转换。“通常，收发器会采用多种比特误码率测试技术、眼图测量以及可能的射频测量进行检测，”Griffin表示，“但这类设备历来成本高昂，因此越来越多的连接器系统解决方案开始直接在连接器设备端实现高速数据的生成与接收。不过连接器系统测试仍需通过光接口与设备连接，并借助光回环技术让连接器设备能够以实际运行速度完成自检。”

光引擎测试确保只有已知优质的光收发器才能共封装。“说到底，我们讨论的是电光收发器的测试，因此在电气端必须为调制器提供数据支持，特别是在连接器系统后续测试插入阶段，需要以高速度对这些调制器进行实时测试，”Leichtle解释道，“如今某些应用要求达到200吉比特/秒的数据传输速率，这速度堪称惊人，而要实现这种速率所需的电气设备价格昂贵，特别是当需要探测电信号时。信号完整性是个大问题。我们建议客户采用内置自检测试引擎（BiST），它能直接为调制器提供电气输入信号，这样就无需使用外部仪器。这本质上是电气端的自检测试引擎，通过驱动端向调制器提供数据，再经由光端回环测试，对比传输与接收端的表现。这种连接器系统自检测试方式对测试效果非常有利。”

标准终将到来

与所有新方法一样，确保可靠性需要时间来理解可能出现的问题，并最终制定标准来保证可预测的结果。但标准也需要在对可预测性的需求和对新生技术进行试验的需求之间取得平衡。

当前，多家连接器企业在配置光模块时采用不同方案，有的使用边缘耦合器或表面耦合器，有的则采用专有连接器。连接器系统设计人员、光连接器制造商和初创企业正在共同研发新型连接器结构。因此，在优化被测器件（DUT）的光接口方面，现阶段仍将存在定制化连接器系统自动化解决方案。

这种情况终将改变，因为若没有标准化插件，自动化处理多项任务将变得异常困难。由于这些连接器设备需要在其整个生命周期内保持稳定运行，硅片生命周期管理（SLM），这项在电子集成电路领域日益普及的连接器技术，也将被应用于光子器件。通过在连接器设备内部嵌入监测模块，连接器行业能够实时掌握其现场性能表现，并据此进行连接器方案优化改进。

Synopsys科技产品技术管理总监Teng-Kiat Lee说：“同样的原理必须应用到光子集成电路和光子中介层上，甚至可能比电子电路还要严格，但需要采用一套新的连接器方案监测结构和连接器系统指标体系。例如，在不影响器件运行的情况下进行光功率测量的能力至关重要。”

Lee指出，热传感器可以与其它性能传感器耦合，从而反馈现实生活中的运行条件如何影响连接器设备操作和性能。

结论

将电子集成电路与光子集成电路测试相结合是一个重大挑战，目前有多种方法可以执行对准和连接器设计，以及不同的连接器方案测试方法。但是，最大限度减少能源使用、超大规模数据中心的持续建设为这些连接器技术发展提供了强大驱动力。

标准将助力光子学和CPO测试实现更高程度的自动化，但多数业内人士预计标准制定至少需要两到三年时间。目前最大的晶圆厂和行业参与者预计将采用确保良率与功能性的规范，但在短期内，基于客户设计方案的可定制化光接口仍会占据主流。一旦连接器等组件实现标准化，我们将能更有效地提供高精度的优化处理连接器方案和连接器对准解决方案。