OFC2025：【台积电硅光新进展】低损耗高均匀性氮化硅光学元件集成技术
本帖最后由 hdy 于 2025-6-2 23:16 编辑在数据爆炸时代，硅光子学（SiPh）因高带宽、高能效和可扩展性，成为数据中心光互联的核心技术。台积电（TSMC）在 OFC 2025 展示了硅光子平台集成氮化硅（SiN）光学元件的突破性进展，通过 CMOS 兼容工艺实现低损耗、高均匀性的 SiN 光波导、耦合器等关键器件，为下一代高速光模块提供了核心支撑🚀。👥 作者团队信息
[*]研究机构：台积电（TSMC）新竹研发中心
[*]技术背景：依托台积电 300mm 硅光子制造平台，结合先进光刻与刻蚀技术，推动 SiPh 与 SiN 的异构集成
[*]题目：Low-loss High-uniformity Silicon Nitride Optical Building Blocks Integrated on Silicon Photonics Platform
[*]论文编号：OFC2025 Th1G.2
💡 核心创新点1. CMOS 兼容的 SiN 集成工艺
[*]PECVD 薄膜优化通过等离子增强化学气相沉积（PECVD）在后端工艺（MEOL）沉积 SiN 薄膜，避免高温影响高速调制器与探测器性能🔥
[*]多器件兼容架构在同一平台集成 Si 基微环调制器（MRM）、马赫 - 曾德尔调制器（MZM）与 SiN 无源元件，支持硅基有源器件与 SiN 无源器件协同工作📱
2. 低损耗 SiN 光学元件设计
[*]直波导与弯曲波导
[*]单模波导（800nm 宽）损耗低至0.16 dB/cm，多模波导（1.5μm 宽）损耗0.124 dB/cm（1311nm）🌟
[*]30μm 半径弯曲波导插入损耗仅0.004 dB，3σ 均匀性达±0.001 dB（图 2 (b)），支持紧凑布局
[*]1×2 多模干涉仪（MMI）插入损耗 <0.07 dB，均匀性优异，满足波分复用（WDM）多通道需求📊
3. SiN-Si 过渡与边缘耦合器优化
[*]逆锥过渡设计通过光学邻近校正（OPC）和薄硅层刻蚀，实现 SiN 到 Si 的低损耗过渡：
[*]TE 模式损耗0.03 dB，TM 模式0.06 dB（1311nm），偏振相关损耗（PDL）<0.038 dB（图 3 (b)）✨
[*]边缘耦合器（EC）
[*]与 5μm 模场直径透镜光纤直接耦合，无需折射率匹配介质
[*]单端面插入损耗 <1 dB（O 波段），PDL<0.2 dB，波长范围 1260-1350nm 内标准差仅 0.1 dB（图 4 (a-c)）🌐
4. 高功率与温度稳定性
[*]低热光系数（TO 系数）：SiN 的 TO 系数为2.5×10-5/K，仅为硅的 1/7，减少温度漂移对波长器件的影响🌡️
[*]高功率兼容性：避免硅基器件的双光子吸收（TPA）和自由载流子吸收（FCA），支持～21 dBm 光功率输入⚡
🔬 原理解读：工艺与设计协同优化📐 平台架构与工艺路线
[*]层叠结构
[*]底层：270nm 厚硅层（SOI 基底），支持硅基调制器与探测器
[*]中层：PECVD SiN 薄膜（厚度均匀性 < 1%），定义无源光波导
[*]顶层：氧化物包层，优化边缘耦合器模场匹配
[*]关键工艺
[*]硅基器件先行定义（调制器、探测器）
[*]MEOL 阶段低温 PECVD 沉积 SiN（<400°C）
[*]先进刻蚀技术（如自对准各向同性刻蚀）形成 SiN 波导与硅基底隔离
🚀 核心器件设计
[*]绝热弯曲波导通过渐变曲率设计，使光场在弯曲过程中保持单模传输，损耗降低至传统设计的 1/10
[*]双锥过渡结构SiN→薄硅（<90nm 宽）→厚硅（270nm）的两步过渡，消除模式失配，实现偏振不敏感传输
📊 关键技术指标（原文数据）
器件类型指标测试条件技术优势
SiN 直波导单模损耗 0.16 dB/cm，多模 0.124 dB/cm1311nm，CWDM 波段损耗低于传统 Si 基波导 30%+
30μm 弯曲波导插入损耗 0.004 dB，3σ=0.001 dB1311nm均匀性业界领先，支持高密度集成
SiN-Si 过渡（TE/TM）0.03 dB / 0.06 dB1311nm，PDL<0.038 dB偏振不敏感，适配相干光通信
SiN 边缘耦合器单端面损耗 < 1 dB，PDL<0.2 dB1260-1350nm，TE/TM 模式免折射率匹配，兼容现有光纤阵列
热光系数（TO）2.5×10-5/K对比硅的1.8×10−4/K温度稳定性提升 7 倍，减少温控功耗
🧪 测试结果：损耗与均匀性验证1. 波导与耦合器性能（图 2：SiN 波导损耗与弯曲性能）
[*]波长稳定性CWDM 波段（1271-1331nm）内损耗波动 <0.05 dB，证明 SiN 材料色散低
[*]MMI 与交叉波导1×2 MMI 插入损耗 0.07 dB，交叉波导损耗 0.04 dB，均匀性标准差 <0.01 dB
[*]SiN-Si 过渡跨偏振损耗差异 <0.04 dB，满足偏振复用系统需求
[*]边缘耦合器光谱TE/TM 模式在 O 波段内损耗平坦，标准差 0.1 dB，适配大规模量产筛选
📝 总结台积电通过SiPh 平台与 SiN 元件的异构集成，解决了硅基光器件在高功率、温度稳定性和集成密度上的瓶颈。其低损耗（<0.2 dB/cm）、高均匀性（3σ<0.01 dB）的 SiN 光学元件，为 1.6T/3.2T 光模块的 WDM 和 PAM4 调制提供了理想解决方案。
页:
[1]
