【T&M 測試】矽光子測試：解密 AI 晶片「光互連」的 E/O 特性分析挑戰
- Sonya
- 10月24日
- 讀畢需時 7 分鐘
秒懂重點：沒有這項測試，就沒有下世代科技
想像一下，一個超大型 AI 資料中心就像一座由無數棟摩天大樓（ASIC 晶片）組成的超級城市，過去，連接這些大樓的是擁擠、耗能的地面道路（銅導線），當車流（數據）越來越大，道路很快就堵死，而且光是維持交通號誌運作就要消耗驚人電力。
矽光子技術，就是為這座城市建立一個無摩擦、零堵塞的「光速地鐵系統」；然而，市民（電訊號）進出地鐵站時，需要經過一個「電-光」轉換的安檢門，如果這個安檢門效率低下或頻頻出錯，那麼無論地鐵本身跑多快，整個城市的交通（算力）還是會癱瘓；「矽光子 E/O 測試」的任務，就是精準地檢驗這個「安檢門」的品質，確保數以兆計的數據位元能完美無瑕地在電與光之間轉換，沒有這項測試，光速地鐵就無法啟用，AI 城市的未來發展也將戛然而止。
測試技術白話文：原理與曠世挑戰
過去的測試瓶頸：為何傳統方法已不敷使用？
在純電訊號的世界裡，測試工程師面對的是一個相對單純的領域，挑戰主要圍繞著如何克服銅導線的物理限制，例如損耗和串擾，使用的工具，如示波器和誤碼率測試儀 (BERT)，雖然越來越精密，但都遵循著相同的電學原理。
矽光子的導入，徹底顛覆了這個單一維度的世界，帶來了「跨界」的挑戰：
從電學到光學的鴻溝：電訊號的品質由電壓和時間抖動定義，而光訊號的品質則由光功率、波長、消光比 (ER)、光調變幅度 (OMA) 等一系列光學參數決定。這兩套物理語言完全不同，傳統的電性量測儀器對光訊號束手無策，反之亦然。
轉換器的黑盒子：電光轉換的核心是一個「調變器」，光電轉換的核心是一個「光探測器」。這兩個元件本身的性能，例如調變器的頻寬、線性度，以及探測器的響應速度，直接決定了整個鏈路的成敗。但它們的工作狀態無法用單純的電壓探棒去測量，必須用一套全新的方法來評估其「翻譯品質」。
整合度帶來的測試難題：在 CPO 架構下，光學引擎與交換器 ASIC 共同封裝在同一基板上。這意味著傳統的電訊號測試點可能完全消失。測試必須在光纖接口上進行，這對測試儀器提出了直接在光域中進行完整訊號完整性分析的苛刻要求。
核心測試原理是什麼？
矽光子測試的核心，是將整個鏈路拆解為兩個關鍵的轉換介面進行特性分析：
電-光 (E/O) 測試：驗證「說話」的能力
原理：此測試的目的是驗證矽光子發射器（雷射 + 調變器）能否將一個高品質的電訊號，準確地「翻譯」成一個高品質的光訊號。
方法：首先，使用一個高效能誤碼率測試儀 (BERT) 產生一個近乎完美的、符合規範的PAM4 電訊號，作為「標準稿件」輸入到待測的矽光子晶片；然後，使用一台光波形分析儀（最常用的是數位通訊分析儀 DCA 或帶有光電轉換器的高頻寬示波器） 來接收和分析晶片輸出的光訊號。
測什麼：分析儀會繪製出「光學眼圖」，並量測關鍵的光域指標，如消光比 (ER)（衡量光訊號 "1" 和 "0" 的對比度）、光調變幅度 (OMA)（衡量訊號擺幅）以及 TDECQ（一種綜合性的光訊號品質指標），這就像對比翻譯後的演講（光訊號）與原始稿件（電訊號），看其是否清晰、準確、無失真。
光-電 (O/E) 測試：驗證「聆聽」的能力
原理：此測試反其道而行，驗證光接收器（光探測器 + 放大器）能否將一個標準的光訊號，準確地還原為一個乾淨的電訊號。
方法：使用一個經過校準的參考光發射源（通常是測試儀器的一部分），產生一個品質已知的「標準光訊號」輸入到待測的光接收器。然後，用一台超高頻寬的即時示波器來量測接收器輸出的電訊號品質。
測什麼：示波器會分析輸出電訊號的眼圖、抖動和雜訊，以評估光探測器的響應速度和轉換保真度。
新一代測試技術的突破點
矽光子測試的突破，不在於單一儀器的極致性能，而在於跨領域儀器的無縫整合與校準。
整合的電光測試平台：頂級 T&M 廠商推出了整合式平台，例如將數位通訊分析儀 (DCA) 作為主機，可插入不同的電或光模組，這使得工程師可以在同一個介面下，連貫地進行 E/O 和 O/E 測試，並確保時間基準和幅度的關聯性。
可追溯的校準：為了讓 O/E 測試有意義，輸入的「標準光訊號」必須是經過精確校準的，這意味著測試儀器本身的光發射器，其性能指標必須能追溯到國際計量標準，這是確保量測一致性和可信度的基石。
晶圓級光學探測：最大的突破之一是在晶圓製造階段就進行光學測試，這需要極其精密的光學探針台，探針能夠以奈米級的精度，將光纖耦合到晶圓上微米大小的光學元件（光柵耦合器）上，在封裝前就篩選出不良品，大幅降低成本。
產業影響與應用
完整驗證藍圖：從研發到量產的挑戰
挑戰一：晶圓級 (Wafer-Level) 設計驗證
在矽光子晶片仍在晶圓階段時，就必須驗證其上數千個獨立光學元件（調變器、探測器等）的基本性能。
核心測試工具與技術要求：
自動化光學探針台、多通道雷射源、光功率計、光譜分析儀 (OSA)、高速 BERT 與示波器，此階段的挑戰在於測試的通量和自動化，探針台必須能在幾秒內完成一次精準的光纖對位、測試和數據記錄，並移動到下一個元件。這對機械定位精度和測試軟體提出了極高要求。
挑戰二：共同封裝模組特性分析
將矽光子晶片與 ASIC 封裝在一起後，需要對整個 CPO 模組進行完整的 E/O 和 O/E 特性分析。
核心測試工具與技術要求：
誤碼率測試儀 (BERT) 和 數位通訊分析儀 (DCA) 是此階段的核心，BERT 需提供超低抖動的電訊號源，而 DCA 則需具備極低雜訊的光接收器來進行精準的光眼圖分析，量測如 OMA、ER 和 TDECQ 等符合光學互聯網論壇 (OIF) 標準的指標是此階段的重點。
挑戰三：系統級互通性與壓力測試
將 CPO 模組安裝到最終的交換器或伺服器產品後，需驗證其在真實系統環境下，與其他設備的互通性以及在極端溫度下的穩定性。
核心測試工具與技術要求：
需要多通道的 BERT 來模擬全端口的數據流量，並進行長時間的誤碼率測試。環境測試箱 (Chamber) 用於模擬高溫工作環境。此階段的目標是確保產品在出貨給客戶（如雲端服務商）後能 7x24 小時穩定運行。
應用為王：哪些產業的命脈掌握在它手中？
矽光子測試技術的成熟度，將直接決定 AI 時代的基礎設施建設速度：
AI/HPC 資料中心：這是當前最主要、最迫切的應用，NVIDIA、Google、Meta 等公司都在積極導入矽光子技術，用於連接大規模的 GPU/TPU 叢集以及機櫃間的交換器網路，台灣的台積電在矽光子製程的領先地位，以及日月光等封測廠在 CPO 領域的佈局，使整個產業鏈都與此技術緊密相連。
下一代電信網路：隨著骨幹網路速率邁向 800G 甚至 1.6T，可插拔光模組內部也正在大量採用矽光子技術以降低成本和功耗。
新興應用：矽光子的小尺寸和低功耗特性，也使其成為車用 LiDAR、生物感測和量子計算等領域的潛在顛覆性技術。
前瞻未來：技術普及的挑戰與下一波趨勢
矽光子技術普及的最大挑戰在於良率和成本，而這兩者都與測試息息相關。更高效、更早期的晶圓級測試是降低成本的關鍵。 下一波趨斯將是異質整合，也就是將 III-V 族材料（用於產生雷射）與矽光子晶片更緊密地整合在一起，甚至實現片上雷射源。這將帶來新的熱管理和測試挑戰。此外，隨著傳輸速率繼續提升，相干光通訊 (Coherent) 技術也將從長途網路下沉到資料中心內部，這又需要一套全新的、基於相位和偏振分析的測試方法學。
投資視角：為何「賣鏟子」的生意值得關注？
在 AI 驅動的算力競賽中，晶片巨頭們正在不同的技術路徑上進行豪賭。然而，無論哪種 ASIC 設計最終勝出，它們都將面臨同一個物理瓶頸：數據 I/O，矽光子是目前看來跨越這個瓶頸的最有希望的橋樑。
提供矽光子測試解決方案的 T&M 公司，其投資價值體現在：
跨領域的技術護城河：同時精通超高速電學和精密光學量測的公司全球屈指可數。這種跨學科的專業知識構成了極高的技術壁壘，新進者難以逾越。
賦能產業標準：T&M 公司深度參與 OIF 等標準組織的規格制定，提供「黃金標準」的測試平台，確保整個產業生態系中的不同廠商（晶片、模組、系統）能夠互聯互通。它們是產業秩序的維護者。
從電到光的典範轉移：這不僅僅是儀器的升級，而是一次根本性的典範轉移。整個測試市場的版圖正在重塑，能夠提供完整、整合的電光測試解決方案的廠商，將在這場轉變中佔據最有利的位置。
當數據的載體從電子變為光子，那些能夠精準度量「光」與「電」之間每一次完美翻譯的公司，就掌握了開啟下一個計算時代的鑰匙。
