光子集成电路 (PIC)

光子集成电路（PICs）是一种芯片级器件，在单一衬底上或同一封装内集成或共封装激光源、调制器、波导、探测器等光学组件。该器件为高速光通信、量子光子技术及生物传感应用提供了可扩展的小型化平台，适用于硅光子学（Si）、氮化硅（SiN）及磷化铟（InP）等多种平台。

在更广泛的应用场景中，光子集成电路正逐渐成为短距离数据中心、片间互连、电信网络、量子通信及传感领域的核心组分。相较于体光学器件，PICs在尺寸、稳定性、成本及可重复性方面具备显著优势，可支持晶圆级大批量制造。

PICs直接解决了当前电子系统的关键局限，能提升数据吞吐量，实现T bit/s的链路传输，且具备低延迟、高带宽的互连特性，性能优于铜基互连技术 ¹。例如，在激光雷达（LiDAR）领域，PICs可实现固态光学相控阵，支持片上光束操控，在适配架构中省去了运动组件，同时减小了器件体积，并降低了成本 ²。

从早期的集成光学实验到现代硅光子学技术，PICs 已历经数十年发展，取得了阵列波导光栅、密集波分复用等里程碑式成果 ³。近期，光子集成电路的应用已超越电信领域，拓展至人工智能加速器共封装光学及片间链路等场景 ⁴。

封装与测试是PICs研发与制造的关键环节。光纤阵列、光斑尺寸转换器（倒锥/模式转换器）及微光学器件的技术进步，降低了插入损耗并放宽了对准公差。反馈控制对准技术加速了第一信号的获取，稳定了从晶圆探针到最终封装的耦合性能。在量子光子学及超快应用中，精准、低抖动的计时至关重要。核心测量内容包括时间相关单光子计数（TCSPC）、寿命测量、多光子符合测量、g(2)关联分析、片上HOM干涉测试，以及高速调制器与接收器的延迟/抖动表征。这些需求凸显了下文将讨论的时间标记电子设备的核心作用。

图1展示了典型的PIC测试平台。该平台将片上或共封装探测器（如单光子雪崩二极管 SPADs、超导纳米线单光子探测器 SNSPDs 或高速光电二极管）的电输出路由至多通道时间数字转换器（TDC）。同时，平台还需要采集激光触发信号、时钟参考信号、扫描或步进信号等外部标记。使用内部共享时钟可保障多通道计时同步，数字 I/O 线协调调制器驱动波形、探测器门控、光开关触发及探针卡继电器，确保数据采集与设备控制保持对齐。在此基础上，时序电子设备支持多种关键测量类型：提供时间相关单光子计数与符合分析，用于寿命测量、g(2)关联分析、HOM干涉测试及其它片上测试；实现高速调制器与接收器的延迟和抖动表征；支持MZ干涉仪、阵列波导光栅、量子门等干涉型或相位参考型电路的多通道同步。为保证器件级测量保真度，需具备皮秒级时间戳记录能力，且需满足附加抖动低、线性度与热稳定性经校准、通道间偏移已知等要求，同时需支持连续无丢失数据流传输，以实现实时直方图绘制、符合事件分析与数据记录。具备上述特性后，能够可靠地关联多条光路的事件，并在不同扫描参数、温度或偏置点下进行对比。该同步工作流程可广泛适用于多领域，例如晶圆首光探测、高通量封装级测试等。

PIC测试对时序电子设备的精度、可扩展性与灵活性均有要求。实际应用中面临多项挑战，每项挑战均对应可靠高效测量所需的具体性能指标：

• 皮秒级分辨率与低抖动： 光子到达时间测量、干涉相位稳定性测试、延迟/抖动表征等诸多 PIC 测量场景均要求低于10 ps的分辨率，抖动过大或精度不足会严重影响测量结果。

• 可扩展的等效通道： 实验常涉及多个探测器或多条光路。具有固定架构的通道配置，例如固定的“start–stop”通道，其中某些输入是永久分配的，无法跟上不断发展的PIC设计。因此，需配备8至32个及以上全等效、可独立触发的通道，以支持灵活的同步测量。

• 高通量低延迟数据处理： 传统系统常存在光子传输延迟问题，导致光子到达信号与触发信号丢失或错位，高效低延迟数据流传输可确保探测器与通道间的准确无丢失关联。

• 最小化探测开销： 晶圆级或高密度测试中，手动重新连接会延长研发周期并引入误差。设备需兼容光纤阵列、光开关与自动路由系统，以支持高通量工作流程。

• 实时数据处理： 仅支持离线分析会减慢实验反馈速度，增加迭代测试复杂度。实时计算直方图、符合事件与相关性数据，可在采集过程中实现更快的参数优化与更深入的结果分析。

• 通道间精准同步： 涉及多路径干涉或量子电路的PIC实验要求所有输入输出端口的计时严格对齐，稳定的通道间偏移与可扩展的同步能力，是实现可靠、相位稳定测量的基础。

Swabian Instruments - 施瓦本仪器的Time Tagger具备PIC测试与量子光子学研究所需的精度、可扩展性及灵活性。其皮秒级精度、可扩展通道与实时数据处理能力的结合，在PIC 研发与表征中展现出无与伦比的性能与灵活性。

在SIRIUS 5等自动化测试平台中 ⁵，Time Tagger 模块可通过光纤基触发信号或光子探测模块无缝集成，用于实时评估光子到达时间与损耗通道。这种多功能性使其成为PIC领域科研与生产流程的强大工具。

可扩展性：

所有输入通道均为全等效设计且可独立触发，摒弃了通道配置中的固定架构限制。单台设备支持最多20个通道，且最多8台设备可同步工作，能满足多探测器、复杂光路的实验需求。

支持自动化高通量工作流程：

Time Tagger 可与光纤阵列、光开关及探针卡继电器无缝集成，减少手动重新配置操作，支持快速可靠的晶圆级或封装器件测试。

实时处理能力：

采集过程中可实时计算直方图、相关性分析、符合分析等多项测量结果。内置 APIs 支持通过数行代码实现实时多维分析，提供即时反馈，加速实验迭代。

时间精度：

抖动性能低至1.5 ps，具备皮秒级时间分辨率，可确保光子到达时间、相位稳定性、器件延迟及干涉测量的准确性。

高通量低延迟数据流：

基于现场可编程门阵列（FPGA）的链路可实现连续无丢失数据传输，且延迟极低，确保光子到达信号、触发信号与耦合信号保持对齐，无数据丢失。

精准同步：

Time Tagger可保证经校准的通道间偏移，且支持通过精准的时间协议实现多台仪器间的同步。这使其成为PIC实验中干涉测量、量子测量及相位稳定测量的理想选择。

将Swabian Instruments - 施瓦本仪器集成至PIC测试装置后，研究人员可通过实时反馈替代直接探测以加速研发进程，无需额外硬件即可扩展测试复杂度，通过将对准状态与光子到达时间直接关联提升耦合效率，并可以利用基于时间标记的决策逻辑，在制造流程中进行在线质量控制检测。