光器件、使用光器件的光模块和用于光器件的测试方法与流程

本发明涉及在光通信中使用的光器件，使用该光器件的光模块以及用于该光器件的测试方法。

背景技术：

为了减小光通信中使用的光收发器的尺寸，已经开发了在硅基板上集成诸如光调制器、光接收元件和光复用器/解复用器之类的各种光元件的光子集成电路(ic)。

在光子ic的批量生产过程中，测试并检查各个芯片。有效的是，在将晶圆切成晶片之前测试晶圆上的各个芯片。当在晶圆状态下执行测试(这可以称为“晶圆级测试”)时，将探针压在形成于晶圆上的芯片区域中的电极焊盘上以便输入和输出电信号，同时使用光纤将光输入到划片区域中的晶圆表面和从所述晶圆表面输出光。

如图1所示，在划片区域中设置有光栅耦合器(在图中表示为“gc”)，以将光输入晶圆表面和从晶圆表面输出光。这种光栅耦合器包括接收信号输入gc(在图中表示为“rx-sig输入”)、透射光和参考光输入gc(在图中表示为“tx输入、rx-lo输入”)以及信号传输gc(在图中表示为“tx输出”)。使光纤的端面靠近这些gc，以输入和提取光束。

从gc延伸到芯片区域的光子波导分别连接到发送电路的信号输出端口pout、接收器电路的信号输入端口pin、以及发送和接收共用的光输入端口pcom。利用该构造，光可以从晶圆表面输入到发送电路和接收器电路，并且可以在晶圆状态下实施芯片的测试或检查。在测试后，沿切割线切割晶圆，并将晶圆分成单个光子ic芯片。用于测试的gc从光子ic芯片上被切掉，而不留在芯片上。

<现有技术文献>

专利文献1：日本特开2005-286803a号公报；

专利文献2：美国专利申请公开no.2018/0292680。

技术实现要素：

技术问题

图1的配置不能评估芯片边缘处的光纤与光子波导之间的连接损耗。可以想到的是，在切割后，将光纤阵列抵压在芯片的边缘上，以将光束直接输入到芯片基板中所形成的光子波导。然而，该方法需要光轴之间的精确对准，以便使多根光纤的光轴与光子波导芯对准。通过硅光子技术在光子ic中制造的光子波导的尺寸小，并且完成光纤和光子波导之间的对准需要花费时间。

本发明的目的之一是提供一种能够在短时间内对光器件进行测试或检查的配置和方法。

技术方案

根据本发明的一个方面，一种光器件具有：

光发送器电路，其形成在基板中；

第一端口，其被配置为在服务期间从基板的边缘输出由光发送器电路生成的光信号并在测试期间从基板的边缘输入测试光；以及

光检测器，其被配置为检测从第一端口输入的测试光。

技术效果

能够在短时间实施光器件的测试或检查。

附图说明

图1是例示了传统晶圆级测试的示意图；

图2例示了能够想到的用于在芯片边缘进行测试的结构；

图3是根据第一实施方式的光器件的示意图；

图4是根据第二实施方式的光器件的示意图；

图5是根据第三实施方式的光器件的示意图；

图6是根据第四实施方式的光器件的示意图；以及

图7示出了使用一个实施方式的光器件的光模块的示例。

具体实施方式

在该实施方式中，实现了能够在短时间内在光器件的基板的边缘处测量光子波导与外部光纤之间的连接损耗的配置。在描述实施方式的具体结构之前，将解释引导至该实施方式的过程期间可想到的配置以及由此引起的问题。

图2例示了可以想到的用于测试光纤连接损耗的光器件的配置。作为光器件的示例的光子ic10包括具有光调制器(modxi、modxq、modyi、modyq)的光发送器电路tx和具有光检测器(pdxi、pdxq、pdyi、pdyq)的光接收器电路rx。

除了光检测器之外，光接收器电路rx还具有可变光衰减器voa1、监测式检测器mpd1和mpd2、偏振分束器pbs、偏振旋转器pr1和90度混合混光器(90hybrid)。

除了光调制器之外，光发送器电路tx还具有可变光衰减器voa2和voa3、监测式检测器mpd3和mpd4、偏振旋转器pr2和偏振光束组合器pbc。

光纤阵列140邻接光子ic10的基板101的第一边缘ed1，并且光纤分别连接到光接收器电路rx的信号输入端口pin、光发送器电路tx的信号输出端口pout以及公共输入端口pcom。公共输入端口pcom由光发送器电路tx和光接收器电路rx共同使用，并且从公共输入端口pcom入射的光由1：n光耦合器125进行分束。分束光分量中的一个被提供给光发送器电路tx以生成调制光信号。分束光分量中的另一个被提供给光接收器电路rx，并且用作用于检测接收信号的局部振荡(lo)光。

可以通过将测试光输入到信号输入端口pin并测量由从光子输入波导111分支出的路径上所设置的监测式检测器mpd1检测到的光电流，来评估在接收器侧的信号输入端口pin的光纤连接损耗。可以通过使直流(dc)探针30b与沿着光子ic10的第二边缘ed2设置的电极焊盘阵列31-2内的连接到监测式检测器mpd1的电极焊盘物理接触，来测量从监测式检测器mpd1输出的光电流。

可以通过将测试光输入到公共输入端口pcom并在光检测器中的任何一个处(例如，在pdxi处)测量光电流，来评估在公共输入端口pcom处的光纤连接损耗。可以通过使dc探针30c与沿着光子ic10的第三边缘ed3设置的电极焊盘阵列31-3内的连接到pdxi的电极焊盘组物理接触，来测量从光检测器pdxi输出的光电流。

为了评估发送器侧的信号输出端口pout的光纤连接损耗，将光输入到公共输入端口pcom，并将输入光的一部分提供给tx站点。然后，通过光纤提取从信号输出端口pout输出的光以测量输出电平。为了进行该测量，至少使用两芯光纤阵列，并且光纤的光轴必须在公共输入端口pcom和信号输出端口pout处同时对准。

在使用硅光子技术的光子ic10中，光子波导的尺寸很小。即使在使用典型的六轴光纤对准单元时，也需要花费时间来对准光纤的光轴。当使用两芯光纤阵列在不同端口位置同时进行光轴对准时，对准时间进一步增加。

此外，为了评估光发送器电路tx的损耗，调节施加到光调制器(modxi、modxq、modyi和modyq)中的每一个的电流和电压以调整光的相位，并调整了可变光衰减器voa2和voa3的输出功率电平。为了进行这些调节，使dc探针30a与沿着光子ic10的第一边缘ed1设置的电极焊盘阵列31-1接触，以监测调制光信号。由于用于光调制的电流或电压电平的调节，导致用于测试准备所需的时间进一步增加。

期望一种新颖的构造，该构造能够在短时间内测量基板边缘处的光纤连接损耗，同时抑制用于测试准备所需时间的增加。

〈第一实施方式〉

图3是根据第一实施方式的光子ic10a的示意图。光子ic10用作光通信的前端电路，以执行光电转换和电光转换。在该实施方式中，使用单根光纤在基板101的边缘处测量光纤连接损耗。

光子ic10a包括具有调制器块12的光发送器电路tx和具有光检测器块11的光接收器电路rx。在实际服务期间，从诸如激光二极管(ld)之类的光源发射的光入射到公共输入端口pcom，并且输入光在1：n光耦合器125处被分束。分束光分量中的一个被引导至光发送器电路tx，并且另一个被引导到光接收器电路rx。

在光发送器电路tx中，高频(rf)电信号和从光源输出的光束被输入到光调制器12a至12d中的每一个。在该示例中，光子ic10a以双偏振正交相移键控(dp-qpsk)方案操作，以使用相互正交的两个偏振和具有90度相位差的两个相位分量来产生四个逻辑值；然而，本发明不限于该示例。

在各个光调制器12a至12b中由rf信号调制后的光束的光相位通过直流偏置来调节，并且在每个偏振分支处将同相(i)分量和正交(q)分量复用。在每个偏振分支处复用的光由可变光衰减器voa2和voa3中的一个进行功率调整，然后通过偏振旋转器pr2和偏振光束组合器pbc进行偏振复用。经偏振复用的光信号从信号输出端口pout输出。

抽头波导141被设置到从voa2的输出延伸的光子波导133，并且监测式检测器mpd3连接到抽头波导141。在实际服务期间，监测式检测器mpd3在偏振分支中的一个处监测经iq复用的光信号的一部分。类似地，抽头波导142被设置到从voa3的输出延伸出的光子波导134，并且监测式检测器mpd4连接到抽头波导142。在实际服务期间，监测式检测器mpd4在另一偏振分支处监测经iq复用的光信号的一部分。

监测式检测器mpd3和mpd4的输出电连接到电极焊盘阵列31-1的一部分。在服务期间，通过电线提取监测结果；但是，在连接损耗测试中，不必使用监测式检测器mpd3和mpd4。

实施方式的特征之一在于，为了测试光子ic10a的光纤连接损耗，使用单芯锥端球透镜光纤40将测试光输入到信号输出端口pout。另外，抽头波导132被设置到与信号输出端口pout连接的光子波导131，并且由pd15检测输入测试光的一部分。pd15电连接到测试焊盘31-9。通过使dc探针30d与测试焊盘31-9接触，来测量测试光的光电流。测试光从发送器侧的信号输出端口pout输入，并在信号输出端口pout附近或邻近信号输出端口pout进行监测，以评估发送前端的光纤连接损耗。

采用这种结构，可以使用单根光纤和单个直流探针30d来测量发送器侧的边缘处的连接损耗，并且不需要费时的两芯光纤阵列的纤芯对准。此外，对于连接损耗的测量，也不需要各个光调制器12a至12d的相位调节以及voa2和voa3的功率调节。结果，能够减少用于光纤连接损耗的测试时间。

为了在光子ic10a的接收器侧的信号输入端口pin处进行连接损耗测试，使用电极焊盘阵列31-2的一部分。在这种情况下，使用锥端球透镜光纤40将测试光输入到信号输入端口pin，并且在连接到mpd1的电极焊盘处测量光电流。在实际服务期间，电极焊盘阵列31-2用于对接收光进行功率监测。

为了在公共输入端口pcom处进行连接损耗测试，使用电极焊盘阵列31-3的一部分。在这种情况下，使用锥端球透镜光纤40将测试光输入到公共输入端口pcom，同时将探针施加至连接到光电二极管块11的pd中的一个的电极焊盘上以测量输出电流。在实际服务中，电极焊盘阵列31-3用于从接收到的光信号中提取差分信号。

在连接损耗测试期间不使用电极焊盘阵列31-4，而是在实际服务期间将电极焊盘阵列31-4用于输入差分rf信号。

利用图3的配置，光纤阵列的光轴对准时间、光调制器的相位调节时间和voa的功率调节时间变得不必要了，因此能够减少测试时间。

〈第二实施方式〉

图4是根据第二实施方式的光子ic10b的示意图。在第二实施方式中，使用单根光纤在基板101的边缘处测试光纤连接损耗。在上述第一实施方式中，通过将发送器侧的信号输出端口pout用作测试光输入端口，以省时方式来测量光纤连接损耗。然而，设置在信号输出端口pout附近的用于监测输入测试光的抽头波导132可能引起插入损耗。

在第二实施方式中，为了抑制插入损耗，将设置于在调制器块12和偏振光束组合器pbc之间延伸的光子波导133和134中的光耦合器设计为用于提取测试光的定向耦合器151和152。定向耦合器151和152例如是2输入2输出(2×2)定向耦合器。pd16和pd17分别连接到定向耦合器151和152，以测量输入的测试光。

监测式检测器mpd3连接到沿光轴方向设置在定向耦合器151的一侧上的端口之一，pd16连接到设置在定向耦合器151的另一侧上的端口之一。在实际服务中，从偏振分支之一输出的调制光信号的一部分由监测式检测器mpd3监测。在这种情况下，连接到监测式检测器mpd3的端口成为定向耦合器151的输出端口。

在测试中，测试光从信号输出端口pout输入，并由偏振光束组合器“pbc”分束成两部分。由pd16检测测试光的分束分量之一。连接到pd16的端口成为定向耦合器151的用于测试光的输出端口。pd16电连接到测试焊盘31-5。

监测式检测器mpd4连接到沿光轴方向设置在定向耦合器152的一侧上的端口之一，pd17连接到设置在定向耦合器152的另一侧上的端口之一。在实际服务中，从另一偏振分支输出的调制光信号的一部分由监测式检测器mpd4监测。在这种情况下，连接到监测式检测器mpd4的端口成为定向耦合器152的输出端口。

在测试中，测试光从信号输出端口pout输入，并由偏振光束组合器“pbc”分束成两部分。测试光的分束分量之一经过偏振旋转器pr2进行偏振旋转，并由pd17检测。连接到pd17的端口成为定向耦合器152的用于测试光的输出端口。pd17电连接到测试焊盘31-6。

使用dc探针30e在测试焊盘31-5和测试焊盘31-6处分别测量pd16的输出和pd17的输出。

在实际服务中，光束从公共输入端口pcom输入并由1：n光耦合器125分束。分束分量之一通过光子波导123输入到调制器块12并经过光调制。从偏振分支之一输出的调制光的一部分通过定向耦合器151被引导至监测式检测器mpd3以用于检测输出功率。从偏振分支中的另一个输出的调制光的一部分通过定向耦合器152被引导到监测式检测器mpd4以用于监测输出功率。

在接收器侧处测试信号输入端口pin的光纤连接损耗期间，测试光通过球状透镜光纤40输入到信号输入端口pin。使用监测式检测器mpd1和电极焊盘阵列31-2的焊盘来测量测试光。在实际服务中，电极焊盘阵列31-2被用于对接收光进行功率监测。

在测试公共输入端口pcom的光纤连接损耗期间，测试光通过球状透镜光纤40输入到公共输入端口pcom。使用光检测器块11中的任何一个光检测器和电极焊盘阵列31-3的一部分来测量测试光。在实际服务中，电极焊盘阵列31-3用于从光检测器块11提取差分光电流。

在连接损耗测试期间不使用电极焊盘阵列31-4，但是电极焊盘阵列31-4在实际服务中用于输入差分rf信号。

利用图4的配置，光纤阵列的光轴对准时间、光调制器的相位调节时间以及voa2和voa3的功率调节时间变得不必要，并且能够减少测试时间。因为能够利用连接到在实际服务中所使用的监测式检测器mpd3和mpd4的定向耦合器151和152作为测试抽头，所以由于增加额外抽头波导而导致的插入损耗的增加基本上减少到几乎为零。

此外，对于te光和tm光的偏振，能够评估在发送器侧的信号输出端口pout的光纤连接损耗，并且提高了测试性能。

〈第三实施方式〉

图5是根据第三实施方式的光子ic10c的示意图。另外，在第三实施方式中，使用单根光纤在基板101的边缘处测试光纤连接损耗。在第二实施方式中，发送器侧的信号输出端口pout用作测试光的输入端口，并且使用定向耦合器151和152提取和测量测试光，从而实现对te光和tm光的光纤连接损耗的省时测量。

在第二实施方式中，在服务中使用的一组电极焊盘与测试焊盘31-5和31-6共存于光子ic10b的第一边缘ed1，这在探针测试期间或在设置电极焊盘时可能造成障碍。

在第三实施方式中，用于评估信号输出端口pout的连接损耗的测试焊盘与在服务中使用的电极焊盘阵列分开设置。例如，测试焊盘设置于与第一边缘ed1相对的第三边缘ed3处或第三边缘ed3附近，以避免由于焊盘的混合而对操作造成干扰。

在光子ic10c的发送器(tx)侧，定向耦合器151和152分别被设置在调制器块12和偏振光束组合器pbc之间的光子波导133和134中。监测式检测器mpd3连接到沿光轴方向在定向耦合器151的一侧处的端口之一，并且pd16连接到在定向耦合器151的另一侧处的端口之一。监测式检测器mpd4连接到沿光轴方向在定向耦合器152的一侧处的端口之一，并且pd17连接到在定向耦合器152的另一侧处的端口之一。

在测试中，测试光从信号输出端口pout输入，并由偏振光束组合器“pbc”分束成两部分。测试光的分束分量之一由定向耦合器151引导到pd16。测试光的另一分束分量的偏振方向在偏振旋转器pr2处被旋转90度，然后由定向耦合器152引导到pd17。

pd16连接到设置在光子ic10c的第三边缘ed3附近的测试焊盘31-7。pd17连接到设置在第三边缘ed3附近的测试焊盘31-8。将dc探针30f与测试焊盘31-7和31-8接触，以测量从信号输出端口pout输入的测试光。

在实际服务中，光束从公共输入端口pcom输入并由1：n光耦合器125分束。分束分量之一被输入到调制器块12的各个光调制器12a至12d，并由从电极焊盘阵列31-4输入的rf信号调制。

在偏振分支之一处调制的光分量被组合并由voa2进行功率调整，并进一步传播通过光子波导133。组合后的调制光中的一部分在定向耦合器151处分支，并由监测式检测器mpd3进行监测。

在另一偏振分支处调制的光分量被组合并由voa3进行功率调整，并且进一步传播通过光子波导134。组合后的调制光中的一部分在定向耦合器152处分支，并由监测式检测器mpd4进行监测。

光子ic10c的除了测试焊盘31-7和31-8的位置之外的配置和操作与第二实施方式的光子ic10b的配置和操作相同。相同的元件由相同的附图标记表示，并且将省略冗余说明。

在第三实施方式中，对于te光和tm光二者，能够在短时间内评估在基板101的边缘处产生的光纤连接损耗。因为测试焊盘31-7和31-8与其它电极焊盘阵列分开设置，所以防止了锥端球透镜光纤40和dc探针30f之间的干扰，并且有助于电极焊盘阵列的实现。

〈第四实施方式〉

图6是根据第四实施方式的光子ic10d的示意图。而且在第四实施方式中，使用单根光纤在基板101的边缘处测试光纤连接损耗。在第二实施方式和第三实施方式中，通过在芯片上设置用于布置测试焊盘的特定区域，能够针对te光和tm光二者以省时方式测试光纤连接损耗。

在第四实施方式中，使用定向耦合器并通过使用在服务中实际使用的监测式检测器mpd和电极焊盘，在基板101的边缘处测试光纤连接损耗。

在光子ic10d的发送器(tx)侧处，定向耦合器151和152分别设置在调制器块12和偏振光束组合器“pbc”之间的光子波导133和134中。在该示例中，定向耦合器151和152是2×2光耦合器。

在定向耦合器151中，与光子波导133平行布置的光子波导153的一端连接到监测式检测器mpd3的一个端子，而光子波导153的另一端连接到监测式检测器mpd3的另一端。由光子波导153和监测式检测器mpd3形成闭合的光路。

在定向耦合器152中，与光子波导134平行布置的光子波导154的一端连接到监测式检测器mpd4的一端，而光子波导154的另一端连接到监测式检测器mpd4的另一端。由光子波导154和监测式检测器mpd4形成闭合的光路。

在测试期间，从信号输出端口pout输入的测试光由偏振光束组合器“pbc”分束。测试光的分束分量之一通过定向耦合器151入射到监测式检测器mpd3上。测试光的另一分束分量的偏振方向由偏振旋转器pr2旋转90度，然后由定向耦合器152引导到监测式检测器mpd4。

监测式检测器mpd3连接到设置在光子ic10d的第一边缘ed1上的电极焊盘阵列31-1中的电极焊盘31-1a。监测式检测器mpd4连接到电极焊盘阵列31-1中的电极焊盘31-1b。

当使用锥端球透镜光纤40将测试光输入到信号输出端口pout时，使dc探针30g与电极焊盘31-1a和31-1b接触以测量测试光。

在实际服务中，从公共输入端口pcom输入的光被1：n光耦合器125分束，并且分束光分量之一被引导到发送器(tx)侧。提供到发送器(tx)侧的光进一步分支并输入到各个光调制器12a至12d，并由从电极焊盘阵列31-4输入的rf信号调制。在偏振分支之一处调制的光分量被组合并由voa2进行功率调整。功率调整后的光信号进一步传播通过光子波导133。光信号的一部分由定向耦合器151分支，并由监测式检测器mpd3进行监测。

在另一偏振分支处调制的光分量被组合并由voa3进行功率调整。功率调整后的光信号进一步传播通过光子波导134。光信号的一部分由定向耦合器152分支，并由监测式检测器mpd4进行监测。

在第四实施方式中，对于te光和tm光二者，能够在短时间内测试在基板101的边缘处的光纤连接损耗。通过使用在实际服务中使用的监测式检测器mpd3和mpd4来测试光纤连接损耗，能够减小芯片上用于测试所需的面积尺寸。这使光子ic10d本身的尺寸减小。因为不需要关注测试焊盘的布局，所以便于光子ic10d的设计。

<光模块的应用>

图7是光子ic10a至10d(可以被统称为“光器件10”)的应用的示意图。实施方式的光器件10可以与电路芯片20一起容纳在单个封装件中以形成光收发器封装件210。光收发器封装件210是光模块的示例。

电路芯片20包括例如用于以高频驱动光调制器12a至12d的驱动器电路，以及用于将从光检测器块11的每个pd输出的光电流转换为电压信号的跨阻放大器。

光收发器封装件210可以与ld201和dsp220一起容纳在封装件230中，以组装光收发器200。光收发器200也是光模块的示例。

在光器件10中，已经在接收器侧的信号输入端口pin、发送器侧的信号输出端口pout和公共输入端口pcom中的每一个处测试了光纤连接损耗，并且保证了性能。因为缩短了测试光纤连接损耗所需的时间，所以提高了光收发器封装件210或光收发器200的生产效率。

上述实施方式仅是示例，并且可以进行各种修改和替换。光器件10的调制器块12的配置不仅适用于dp-qpsk调制方案，而且还适用于针对16正交幅度调制(16qam)、正交相移键控(qpsk)或其它调制方案，由光子波导形成多信号路径或信道的配置。在这种情况下，在接收器侧的信号输入端口pin、发送器侧的信号输出端口pout或公共输入端口pcom处，用于测试光纤连接所需的时间减少了。

在第一实施方式(图3)中，抽头波导132、pd15和测试焊盘31-9的位置不限于信号输出端口pout和公共输入端口pcom之间的位置。抽头波导132、pd15和测试焊盘31-9可以设置在芯片上的其它位置，只要能够监测从信号输出端口pout输入的测试光即可。在第三实施方式(图5)中，测试焊盘31-7和31-8可以不总是设置在第三边缘ed3附近。测试焊盘31-7和31-8可以设置在第二边缘ed2或第四边缘ed4附近，只要对其它光元件没有不利影响即可。

在任一种情况下，光器件10有效地用于将光发送器功能和光接收器功能集成在一个芯片上的紧凑封装件。由于减少了在芯片边缘处测试光纤连接损耗所需的时间，所以提高了器件性能和生产效率。

本文引用的所有示例和条件语言旨在用于教示目的，以帮助读者理解由发明人为进一步发展本领域所做出的发明和构思，并且应解释为不限于这些具体引用的示例和条件，在说明书中这些示例的组织也不涉及展示本发明的优点或缺点。尽管已经详细描述了本发明的实施方式，但是应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行各种变型、替换和变更。