Abstract
Das Testen optischer Ein- und Ausgänge ist der Durchsatz-Flaschenhals bei der Herstellung photonisch integrierter Schaltkreise (Photonisch Integrated Circuits, PICs) auf Wafer-Ebene: Jedes zu testende Bauteil erfordert zunächst eine aktive Sub-Mikrometer-Ausrichtung einer optischen Sonde, bevor eine Messung beginnen kann. Diese Application Note beschreibt ein Produktions-Wafer-Testsystem, bei dem zwei dreiachsige TRITOR 100 SG Piezo-Nanopositioniertische, jeweils angetrieben von einem dreikanaligen NV 40/3 CLE Controller, die schnelle Fiber-to-Chip-Maximumsuche (Peak Search) auf der Ein- und Ausgangsseite des Prüflings durchführen.
Eine extern erzeugte Spiralbahn wird über den analogen Modulationseingang des Controllers vorgegeben, während das Dehnungsmessstreifen-Signal (Strain Gauge) zur Positionsüberwachung synchron mit dem Photodioden-Leistungssignal abgetastet wird. Das Ergebnis ist eine positionsreferenzierte Kopplungskarte, die in einem einzigen Open-Loop-Scan von ca. 0,8 s erfasst wird. Dies trägt zu einer Gesamtausrichtungszeit pro Messpunkt von ca. 5 s bei, was mit Testzyklen für passive Bauelemente von ca. 10 s und optischen Testläufen für komplette Wafer kompatibel ist, die eher in Stunden als in Tagen gemessen werden.
1. Hintergrund: Von Elektronen zu Photonen – und warum der Testdurchsatz über die Skalierung entscheidet
Verbindungen in Rechenzentren migrieren von elektrischer zu optischer Signalübertragung. Silizium-Photonik (Silicon Photonics) und Co-Packaged Optics (CPO) verlagern die optische Schnittstelle von der Frontplatte des Switches direkt auf das Gehäuse des ASICs. Dies verspricht eine höhere Bandbreitendichte und einen geringeren Energieverbrauch pro Bit für KI- und Hyperscale-Workloads. Marktanalysten prognostizieren für Silizium-Photonik und Co-Packaged Optics im nächsten Jahrzehnt durchgehend jährliche Wachstumsraten von 25–30 %, primär angetrieben durch die KI-Infrastruktur in Rechenzentren.
Dieser Übergang hat eine fertigungstechnische Konsequenz, die leicht unterschätzt wird: Photonische Chips müssen optisch auf Wafer-Ebene getestet werden, bevor sie vereinzelt und verpackt werden. Im Gegensatz zu elektronischen Dies kann ein photonischer Die nicht allein durch elektrisches Probing qualifiziert werden – Licht muss bei jedem Prüfling in die On-Chip-Wellenleiter ein- und ausgekoppelt werden. Da Co-Packaged-Baugruppen nur sehr begrenzt nachgebessert werden können, ist die Absicherung funktionierender Chips (Known-Good-Die) auf Wafer-Ebene unumgänglich; ein einziger ungetesteter, fehlerhafter Die kann ein gesamtes Multi-Die-Package unbrauchbar machen.
Der Konsens in der Industrie ist ebenso klar, wo die Kosten liegen: Die optische Ausrichtung ist der dominante Zeit- und Kostenfaktor beim photonischen Testen und Packaging, wobei Packaging und Alignment häufig mit bis zu 80 % der Gesamtkosten eines photonischen Moduls beziffert werden. Jeder photonische Wafer-Prober, jedes Testhaus und jeder PIC-Hersteller steht daher vor demselben Kernproblem: Wie findet man das optische Kopplungsmaximum zwischen einer Fasersonde und einem On-Chip-Koppler in Sekundenschnelle, tausendfach pro Wafer und rund um die Uhr.
2. Die technische Herausforderung
2.1 Sub-Mikrometer-Toleranzen, keine mechanische Referenz
Eine Einmodenfaser (Single-Mode Fiber) hat einen Felddurchmesser von etwa 10 µm; On-Chip-Kantenkoppler und Gitterkoppler weisen 1-dB-Ausrichttoleranzen im Bereich von ±0.5 bis ±1µm auf, bei hocheffizienten Spot-Size-Convertern sogar deutlich enger. Keine Bildverarbeitung und keine mechanische Referenz kann eine Sonde wiederholbar innerhalb dieser Toleranzen positionieren. Die einzige gültige Referenz ist die optische Leistung selbst – die Ausrichtung muss aktiv erfolgen, indem die Sonde gescannt und die gemessene Kopplung maximiert wird.
2.2 Die Durchsatz-Arithmetik
Die Arithmetik ist unerbittlich. Ein optisch-optischer (OO) Test auf Wafer-Ebene eines voll bestückten Wafers kann einen Prober sechs bis sieben Stunden lang belegen, selbst wenn jedes passive Bauelement in etwa zehn Sekunden getestet wird. Innerhalb dieses Budgets von zehn Sekunden darf die optische Ausrichtung – die typischerweise unabhängig voneinander auf der Ein- und Ausgangsseite des Bauelements durchgeführt wird – nicht mehr als ein paar Sekunden in Anspruch nehmen, einschließlich Groberfassung und feiner Maximumsuche an beiden Sonden. Jede zusätzliche Sekunde Ausrichtungszeit pro Messpunkt verlängert die Prober-Zeit pro Wafer bei mehr als 3.000 Teststellen um etwa eine Stunde.
2.3 Das Regelungsdilemma: Geschwindigkeit versus Positionstreue
Piezo-Aktuatoren sind die einzige Aktuatorklasse, die für diese Aufgabe schnell und präzise genug ist, konfrontieren den Systemdesigner jedoch mit einem Dilemma:
- Der Open-Loop-Betrieb (gesteuert) nutzt die volle mechanische Bandbreite des Tisches aus und ermöglicht Scan-Trajektorien im Bereich von mehreren zehn Hertz. Die Hysterese der Piezoaktoren (typischerweise 10–15 % des Stellwegs) und das Kriechen (Creep) führen jedoch dazu, dass die vorgegebene Spannung nicht linear der tatsächlichen Position entspricht. Eine Leistungskarte, die auf Basis des Sollwert-Signals aufgezeichnet wird, ist geometrisch verzerrt, und das ermittelte „Maximum“ kann vom tatsächlichen Kopplungsoptimum abweichen.
- Der Closed-Loop-Betrieb (geregelt) linearisiert die Bewegung über Sensor-Feedback, aber der Regelkreis – bestehend aus Sensor-Rauschfiltern, Reglerbandbreite, Stabilitätsgrenzen und Einschwingverhalten – begrenzt die nutzbare Trajektorienfrequenz und verursacht eine Phasenverzögerung. Bei einem schnellen Spiral- oder Rasterscan kann eine konservative Closed-Loop-Konfiguration einen erheblichen Teil der erreichbaren Scangeschwindigkeit kosten.
Die meisten kommerziellen „Alignment Engine“-Produkte lösen dieses Dilemma innerhalb eines geschlossenen, proprietären Controllers. Das ist ein valider Ansatz, zwingt den Anlagenbauer jedoch dazu, das Controller-Ökosystem, die Algorithmen und den Software-Stack des Anbieters zu übernehmen, und macht das Ausrichtungsmodul zu einer Blackbox innerhalb des Werkzeugs.
3. Die Anwendung: Duale Sonden-Maximumsuche in einem automatisierten Wafer-Prober
Ein Hersteller von photonischen Wafer-Testanlagen integrierte Piezo-Systeme von piezosystem jena (PSJ) in einen automatisierten Prober für optisch-optische und optisch-elektrische Chiptests. Die Architektur trennt Grob- und Feinpositionierung sauber:
- Der Wafer-Tisch fährt gemäß der Wafer-Map von Messpunkt zu Messpunkt; Bildverarbeitung sorgt für die grobe mechanische Positionierung der optischen Sonden.
- Zwei TRITOR 100 SG Tische – einer für die Eingangsfaser, einer für die Ausgangsfaser – übernehmen die Feinausrichtung, jeweils angetrieben von einem dreikanaligen NV 40/3 CLE Controller.
- Ein abstimmbarer Laser speist die Eingangssonde; das transmittierte Licht wird von einer Photodiode erfasst, deren Strom durch einen logarithmischen Transimpedanzwandler umgewandelt wird, der einen optischen Dynamikbereich von acht Dekaden (0,1 nA bis 10 mA) in einem einzigen analogen Signal abdeckt.
- Eine Multifunktions-Datenerfassungskarte (DAQ) orchestriert den Scan: Ihre analogen Ausgänge erzeugen spiralförmige Spannungssignale, die an die Modulations-Eingänge (MOD) des NV 40/3 CLE angelegt werden; ihre analogen Eingänge tasten gleichzeitig die gewandelte optische Leistung und die Monitor-Ausgänge (MON) der Controller ab.
3.1 Die Kernidee: Open-Loop-Geschwindigkeit mit sensorreferenzierten Daten
Das entscheidende architektonische Element ist die synchrone Erfassung des Monitor-Signals. Die im TRITOR 100 SG integrierten Dehnungsmessstreifen-Sensoren (SG) messen die tatsächliche Bewegung der Tischplattform; der NV 40/3 CLE stellt diese Messung als analoges Echtzeitsignal am Ausgang zur Verfügung. Das System scannt daher im Open-Loop-Betrieb mit der vollen dynamischen Leistungsfähigkeit des Tisches, unbeeinflusst von der Bandbreite des Regelkreises, während die Kopplungskarte aus den gemessenen Positionen und nicht aus den vorgegebenen Spannungen konstruiert wird.
Hysterese und Kriechen treten bei der Bewegung zwar nach wie vor auf, verfälschen aber die Daten nicht mehr: Jeder Leistungsmesswert wird exakt mit der Position verknüpft, an der er tatsächlich erfasst wurde. Das Maximum der resultierenden dreidimensionalen Leistungskarte ist das wahre Kopplungsoptimum, welches der Tisch im Anschluss direkt anfahren kann. Dieser Ansatz kombiniert den Geschwindigkeitsvorteil des Open-Loop-Scannens mit der Positionstreue eines sensorbasierten Systems, ohne dass der Regelkreis der schnellen Trajektorie folgen muss.
3.2 Gemessene Leistung
| Parameter | Wert |
|---|---|
| Zeit für gesteuerten Spiralscan (Open-Loop) | ca. 0,8 s |
| Frequenz der Scantrajektorie | 26 Hz |
| Ausrichtungssequenz pro Messpunkt | Grob- + Feinscan, Eingangs- und Ausgangssonde |
| Gesamtausrichtungszeit pro Teststelle | ca. 5 s |
| Resultierender Testzyklus (passives Bauelement) | ca. 10 s |
| Optisch-optischer Test (vollständiger Wafer) | 6-7 Stunden |
Tabelle 1: In der Produktionsanlage erreichte Ausrichtungszeiten (Kundendaten)
4. Technische Herausforderungen – und wie sie gelöst wurden
- Hysterese und Kriechen im Open-Loop-Betrieb: Gelöst auf Datenebene durch synchrone MON-Abtastung (Kapitel 3.1) statt auf Antriebsebene. Das DMS-Messsystem des TRITOR 100 SG wurde genau dafür spezifiziert: Es macht die Hysterese sichtbar, anstatt zu versuchen, sie während des schnellen Scans zu unterdrücken.
- Phasenverzögerung zwischen Sollwert und Reaktion: Bei 26 Hz hinkt die Reaktion des Tisches dem Modulationssignal in Phase und Amplitude hinterher. Da Leistung und MON-Position auf simultanen DAQ-Kanälen abgetastet werden, ist diese Verzögerung für die Karte irrelevant – beide Signale teilen sich dieselbe Zeitbasis. Die Verifizierung des Kunden mittels Zweikanal-Oszilloskop bestätigte ein stabiles, wiederholbares Übertragungsverhalten bei der Betriebsfrequenz.
- Trajektorienfrequenz versus mechanische Resonanz: Der TRITOR 100 SG bietet Eigenfrequenzen von ca. 500 Hz pro Achse. Der Betrieb der Spirale bei 26 Hz hält die Anregung mehr als eine Größenordnung unterhalb der Resonanz. Dies vermeidet Schwingungen (Ringing) sowie Trajektorienverzerrungen und lässt Spielraum für noch schnellere Scanprofile.
- Optischer Dynamikbereich: Beim ersten Erfassen des Lichts („First Light“) kann die gekoppelte Leistung viele Dekaden unter dem Optimum liegen. Der logarithmische Wandler (0.1 nA – 10 mA) hält den gesamten Suchbereich innerhalb einer ADC-Eingangsspanne – kein Umschalten der Verstärkung während des Scans erforderlich.
- Beidseitige Ausrichtung (Dual-sided Alignment): Eingangs- und Ausgangssonde interagieren miteinander: Die Optimierung einer Seite verschiebt das scheinbare Optimum der anderen. Die sequentielle Grob-/Feinstrategie auf beiden Seiten (links grob → links fein → rechts grob → rechts fein) konvergiert zuverlässig innerhalb des 5-Sekunden-Budgets.
5. Die PSJ-Lösung
5.1 TRITOR 100 SG – Dreiachsiger Piezo-Nanopositioniertisch
| Property | TRITOR 100 SG |
|---|---|
| Achsen | 3 (X, Y, Z), parallelkinematisches Festkörperdesign |
| Stellweg | 100 µm pro Achse im Open Loop / 80 µm im Closed Loop |
| Auflösung | 0,2 nm Open Loop / 2 nm Closed Loop (typ., mit NV 40/3 CLE) |
| Resonanzfrequenz | ca. 500 / 550 / 480 Hz (X/Y/Z) |
| Integrierter Sensor | Dehnungsmessstreifen (SG) pro Achse |
| Abmessungen | 40 × 40 × 34 mm³ |
| Führung | Festkörper-Flexure-Gelenke – reibungsfrei, spielfrei, verschleißfrei |
Das dreiachsige Scanvolumen von 100 µm deckt den Erfassungsbereich nach der bildgestützten Grobpositionierung komfortabel ab, während sich der kompakte 40-mm-Würfel ideal in den engen Raum des Sondenkopfes über dem Wafer-Chuck neben elektrischen Nadeln, Kameras und einer zweiten optischen Sonde integrieren lässt.
5.2 NV 40/3 CLE – Dreikanal-Piezo-Controller
- Drei Verstärkerkanäle in einem Tischgerät – ein Controller pro dreiachsiger Sonde.
- Analoger MOD-Eingang pro Kanal: Externe Wellenformerzeugung (DAQ, FPGA, Funktionsgenerator) steuert den Tisch direkt an. Der Ausrichtungsalgorithmus bleibt im Eigentum und in der Designhoheit des Anlagenbauers.
- Analoger MON-Ausgang pro Kanal: Echtzeit-DMS-Positionssignal für die synchrone Erfassung – die Basis für das positionsreferenzierte Open-Loop-Mapping.
- Closed-Loop-Betrieb auf allen Kanälen verfügbar, falls eine linearisierte Punkt-zu-Punkt-Positionierung der Scangeschwindigkeit vorgezogen wird – pro Prozessschritt wählbar.
- USB/RS-232-Schnittstelle für Sollwertvorgabe und Konfiguration über die Anlagensoftware.
5.3 Warum eine offene Architektur hier entscheidend ist
Integrierte „Alignment Engines“ größerer Motion-Anbieter bieten eine beeindruckende schlüsselfertige Algorithmenleistung, bei der Feinjustagen in deutlich unter einer Sekunde abgeschlossen sind. Für Anlagenbauer, die ein geschlossenes Subsystem suchen, sind sie eine legitime Wahl. Der PSJ-Ansatz richtet sich an ein anderes und unserer Erfahrung nach wachsendes Kundenprofil: Hersteller von photonischen Testgeräten, die die Ausrichtungsstrategie als Teil ihres eigenen geistigen Eigentums und als Wettbewerbsvorteil betrachten.
Für sie liefert PSJ die Präzisionsmechanik und die analogen Echtzeitschnittstellen; der Kunde behält die Kontrolle über den Algorithmus, das Timing, den Software-Stack und die Systemintegration. Diese Arbeitsteilung vermeidet einen Controller-Lock-in, hält die Stückkosten (BOM) schlank und ermöglicht es, dass sich die Ausrichtungsroutine mit den Testrezepten des Kunden weiterentwickelt – unabhängig von der Firmware-Roadmap eines Zulieferers.
6. Über das Chiptesten hinaus: Wo diese Architektur skaliert
Derselbe Baustein für die schnelle Maximumsuche – kompakter dreiachsiger Piezotisch, analoge Ansteuerung, synchrones Positions-Readback – lässt sich überall dort einsetzen, wo Licht aktiv zwischen einer Faser und einer kleinen Apertur gekoppelt werden muss:
- Wafer-Level- und Die-Level-Testing von PICs für Transceiver, CPO und optische I/Os (die hier beschriebene Anwendung).
- Einkopplung von Licht auf Photodioden und Detektor-Arrays zur Charakterisierung optisch-elektrischer Bauelemente.
- Aktive Ausrichtung im photonischen Packaging: Faserkopplung, Linsenmontage, Laser-zu-PIC-Kopplung vor dem Bonden oder Schweißen.
- Burn-in- und Lebensdauerteststationen, bei denen die Kopplung periodisch nachjustiert werden muss, um thermische Drift auszugleichen.
- Quantenphotonik, LiDAR- und Sensorikmodule mit ähnlichen Fiber-to-Chip-Schnittstellen.
Da sich Co-packaged Optics in der zweiten Hälfte dieses Jahrzehnts in Richtung Volumenproduktion bewegt, steigt die Anzahl der optischen I/Os pro Wafer – und damit die Anzahl der Ausrichtungen pro Wafer – steil an. Die Testkapazität skaliert direkt mit der Ausrichtungsgeschwindigkeit. Anlagenbauer, die den Ausrichtungsblock frühzeitig mit einer Architektur lösen, die sie selbst kontrollieren, sichern sich einen strukturellen Kostenvorteil.
7. Zusammenfassung
Zwei TRITOR 100 SG Tische mit NV 40/3 CLE Controllern führen die komplette beidseitige Fiber-to-Chip-Maximumsuche eines automatisierten photonischen Wafer-Probers in ca. fünf Sekunden pro Teststelle aus. Dabei werden extern generierte 26-Hz-Spiralscans genutzt, die in 0,8 s abgeschlossen sind. Die Kombination aus Open-Loop-Scangeschwindigkeit und synchronem DMS-Positions-Readback liefert geometrisch korrekte Kopplungskarten ohne den Bandbreitennachteil einer Closed-Loop-Trajektorienregelung. Die offene analoge Architektur belässt den Algorithmus und die Systemintelligenz beim Anlagenbauer – eine bewusste Alternative zu geschlossenen, proprietären Alignment-Engines.
