OFC2025 | 台积电的低损耗高均匀性氮化硅光子器件在硅基光电子平台上的集成
引言近年来，硅基光电子技术取得了显着发展，特别是在数据中心领域，高带宽、能源效率和可扩展性变得尤为重要。随着数据需求持续增长，光电子集成芯片(PIC)必须支持多个波长通道，并能处理高达约21 dBm的光功率，以实现波分复用(WDM)和脉冲幅度调制(PAM4)技术。传统的硅基无源组件在高光强下面临较高的光损耗挑战，这主要由双光子吸收和自由载流子吸收效应导致。此外，硅多路复用器/解复用器器件的中心波长对温度变化非常敏感，因为硅的热光系数较高，约为1.8×10^-4/K。
氮化硅作为一种有前景的互补材料已经崭露头角，可以解决这些局限性。SiN具有明显较低的热光系数（约2.5×10^-5/K），能更好地应对高光功率需求，同时提供更好的温度稳定性。尽管SiN具有这些潜在优势，但使用300毫米晶圆厂工艺技术制造性能一致的高性能SiN光子器件仍然具有挑战性。
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平台架构与集成方法
台湾积体电路制造公司(TSMC)开发了集成光电子平台，将SiN组件与现有的硅基光电子技术相结合。该平台使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法，将SiN薄膜集成到已建立的包含高速微环调制器(MRM)和马赫-曾德尔调制器(MZM)的硅基光电子基础上。
图1. 光电子集成芯片平台的横截面示意图，展示了基于硅和氮化硅的光子器件，包括两种类型的光学I/O：硅光栅耦合器和SiN边缘耦合器。
该平台利用成熟的互补金属氧化物半导体(CMOS)技术，结合先进的光刻和蚀刻工艺，在300毫米硅绝缘体(SOI)晶圆上定义关键的光电子集成芯片结构。如图1所示，横截面示意图突出显示了在同一基板上共存的基于硅和基于SiN的光子器件。这种架构在光纤阵列选择方面提供了极大的灵活性，使其适应各种应用需求。
该平台采用顶层硅厚度为270纳米的SOI基板，实现多种硅沟槽深度，用于低损耗硅光栅耦合器。SiN薄膜在中端金属互连(MEOL)阶段沉积，以最小化对高速光电探测器和调制器的热预算影响，这些器件在制造过程中需要仔细的热管理以保持性能特性。
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氮化硅光子器件的性能
PECVD SiN通常在波导中表现出高传播损耗和厚度均匀性差的问题。然而，通过工艺优化，TSMC在这些参数上取得了显着改进。
图2. 通过三种工艺制造的单模(SM)和多模(MM) SiN波导的传播损耗测量结果，以及各种SiN组件的俯视示意图和插入损耗测量数据。
如图2(a)所示，直线条SiN波导的传播损耗已显着降低。在1311纳米波长下，单模波导(800纳米宽)和多模波导(1.5微米宽)的损耗分别仅为0.16 dB/cm和0.124 dB/cm，相比优化前约0.4 dB/cm的数值有明显改善。SiN波导在粗波分复用(CWDM)范围内(1271纳米至1331纳米)也表现出平坦的低损耗特性，使其适合需要宽波长覆盖的应用。
对于紧凑型SiN波导弯曲，研究人员采用了内外弯曲半径的绝热设计方法，实现了低损耗和紧凑的波导布线。图2(b)显示了半径为30微米的绝热设计性能。在1311纳米波长下，中值插入损耗极低，约为0.004 dB，3-sigma变异仅约0.001 dB，展示出卓越的均匀性和性能。
其他SiN光子构建模块也表现出令人印象深刻的性能特性。图2(c)、2(d)和2(e)分别展示了锥形结构、交叉结构和1×2多模干涉(MMI)功率分离器的插入损耗测量结果。这些结果共同证明了使用先进CMOS兼容技术制造的SiN薄膜具有高性能和优良均匀性。
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氮化硅到硅的过渡增强
将SiN与硅基光电子集成的关键挑战之一是开发不同材料层之间的高效模式转换。由于270纳米顶层硅厚度过大，无法确保SiN和硅之间TM模式的相位匹配转换，研究团队优化了采用更薄顶层硅厚度的反向锥形设计。
图3. SiN到Si波导过渡的俯视图和横截面示意图，以及波导过渡的插入损耗测量数据。
通过引入光学邻近校正(OPC)和额外的蚀刻工艺，形成了具有更薄厚度和窄尖端(宽度
图3(b)展示了从SiN到Si过渡的总插入损耗，在1311纳米波长下，TE模式和TM模式分别显示出约0.03 dB和0.06 dB的极低插入损耗。在1271-1331纳米的CWDM波长范围内，偏振相关损耗(PDL)保持在0.038 dB以下，表明其具有出色的偏振处理能力。
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硅氮化物边缘耦合器优化
光电子集成芯片与光纤之间的高效耦合对整体系统性能至为重要。研究人员优化了线性反向锥形结构的尖端宽度，实现了低损耗和低PDL耦合到5微米模场直径的透镜光纤，且无需使用折射率匹配介质。
图4. SiN边缘耦合器对TE和TM偏振光的传输光谱测量结果，以及两种偏振状态下每个表面的边缘耦合器损耗测量。
在边缘耦合器设计中，SiN边缘耦合器顶部的后端互连(BEOL)介电薄膜被氧化物薄膜替代，以获得与光纤阵列单元更好的模式匹配。为防止光电子集成芯片中的基底泄漏，在表面蚀刻后采用自对准各向同性蚀刻工艺形成硅基底凹槽。
图4(a)显示了环回(loopback)配置中SiN边缘耦合器的测量结果。TE和TM模式的平坦光谱在整个O波段(1260-1360纳米)内显示出低于1dB的插入损耗，PDL小于0.2dB，表明其具有出色的偏振管理能力。图4(b)和4(c)分别展示了TE和TM偏振光的每个表面的边缘耦合器损耗测量结果。通过严格的关键尺寸均匀性控制，在1260纳米至1350纳米的波长范围内实现了仅0.1dB的低插入损耗标准差。
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结论
氮化硅光子器件在先进硅基光电子平台上的集成代表了光电子集成芯片技术的进步。通过精心设计和先进工艺能力的共同优化，TSMC展示了具有低光学损耗和严格统计变异的SiN构建模块。
这些发展使得在不损害现有硅基光电子组件高性能的前提下，能够利用SiN的优势特性——较低的热光系数和更好的高功率处理能力。该平台的能力支持未来数据中心应用中的带宽需求，可容纳先进调制格式和波分复用所需的多波长通道和高光功率水平。
这种结合Si-SiN的平台，及其多样化的构建模块，包括直线波导、弯曲、锥形结构、功率分离器、模式转换和边缘耦合器，为设计具有卓越性能特性的复杂光电子集成芯片提供了全面的工具，能够满足下一代光通信系统的需求。
参考文献
H.-Y. Lu et al., "Low-loss High-uniformity Silicon Nitride Optical Building Blocks Integrated on Silicon Photonics Platform," in OFC 2025, Optica Publishing Group, 2025, Paper Th1G.2.
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