TSMC整合式矽光與矽氮化物平台：實現高功率與高均勻性的低損耗光子元件

隨著資料中心對高頻寬與低功耗的需求日益增加，矽光子積體電路（PIC）需支援多波長通道與最高達21 dBm的光功率，以符合WDM與PAM4等技術要求。然而，傳統矽材料因具高非線性與高熱光係數（約1.8×10^-4/K），面臨雙光子吸收、自由載子吸收及溫漂等限制。

矽氮化物（SiN）具備低熱光係數（~2.5×10^-5/K）與高功率耐受特性，成為理想的互補材料。但將高性能SiN元件整合至300mm先進製程平台，一直是製程技術上的挑戰。

整合架構：矽與矽氮化物元件共構平台

台積電開發出一套整合式光子平台，結合原有矽光元件（如微環與MZM調變器）與PECVD沉積的SiN薄膜結構。平台採用270 nm厚的SOI基板，並於中段製程（MEOL）階段引入SiN，以保護高頻元件不受熱影響。此平台同時支援矽光柵耦合器與SiN邊緣耦合器，有效對應不同光纖排列需求，展現高度彈性與封裝相容性。

SiN元件效能突破：大幅降低傳播損耗與提升均勻性

透過製程優化，台積電成功將單模與多模SiN波導的傳播損耗分別降至0.16 dB/cm與0.124 dB/cm（在1311 nm處），並在CWDM波段內維持低損耗平坦響應。彎曲波導採用漸變設計，實現半徑30 μm情況下僅0.004 dB的插入損耗，變異度低至0.001 dB，表現極佳。

此外，錐形接點、波導交叉與MMI分光器等元件均展現低損耗與高製程均勻性，證實SiN技術具備高度可靠性。

模式轉換優化：提升矽與SiN間耦合效率

因厚矽層無法實現TM模式相位匹配，台積電設計雙段錐形結構，先將SiN模式轉換至薄矽，再轉換至標準270 nm矽。此設計結合OPC與額外蝕刻製程，形成寬度小於90 nm的窄錐尖，有效提升模式轉換效率。

轉換損耗於TE與TM模式下分別僅0.03 dB與0.06 dB，PDL小於0.038 dB，兼顧雙偏振表現與寬頻響應。

邊緣耦合器優化：實現低損耗與低PDL的光纖介面

為提升光纖耦合效率，研究團隊優化線性反錐設計，搭配氧化層封裝與基板凹陷結構，避免洩漏與匹配失衡。在1260–1360 nm頻段內，TE與TM插入損耗皆低於1 dB，PDL小於0.2 dB，標準差僅0.1 dB，展現優異的穩定性與兼容性。

結論

台積電整合SiN與矽光子平台，成功克服矽材料在高功率與熱穩定上的瓶頸，並透過製程優化實現低損耗、高均勻性的SiN元件。該平台具備多樣光子元件模組，包括波導、彎曲、模式轉換與邊緣耦合器，為高速、大規模PIC設計提供完整解決方案，並適用於下一代資料中心的高頻寬應用需求。

參考資料

[1]   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.