Vergelijking van materiaalsystemen voor fotonische geïntegreerde schakelingen

Vergelijking van materiaalsystemen voor fotonische geïntegreerde schakelingen
Figuur 1 toont een vergelijking van twee materiaalsystemen: indiumfosfor (InP) en silicium (Si). De zeldzaamheid van indium maakt InP een duurder materiaal dan Si. Omdat op silicium gebaseerde circuits minder epitaxiale groei vereisen, is de opbrengst van op silicium gebaseerde circuits doorgaans hoger dan die van InP-circuits. In op silicium gebaseerde circuits wordt germanium (Ge), dat meestal alleen wordt gebruikt inFotodetector(lichtdetectorenInGaAsP vereist epitaxiale groei, terwijl in InP-systemen zelfs passieve golfgeleiders via epitaxiale groei moeten worden vervaardigd. Epitaxiale groei heeft doorgaans een hogere defectdichtheid dan groei van een enkel kristal, bijvoorbeeld vanuit een kristalstaaf. InP-golfgeleiders hebben alleen een hoog contrast in brekingsindex in de transversale richting, terwijl op silicium gebaseerde golfgeleiders een hoog contrast in brekingsindex hebben in zowel de transversale als de longitudinale richting. Dit maakt het voor op silicium gebaseerde apparaten mogelijk om kleinere buigradii en andere compactere structuren te realiseren. InGaAsP heeft een directe bandgap, terwijl Si en Ge dat niet hebben. Hierdoor zijn InP-materiaalsystemen superieur wat betreft laserefficiëntie. De intrinsieke oxiden van InP-systemen zijn niet zo stabiel en robuust als de intrinsieke oxiden van Si, siliciumdioxide (SiO2). Silicium is een sterker materiaal dan InP, waardoor grotere wafers kunnen worden gebruikt, bijvoorbeeld vanaf 300 mm (binnenkort opgewaardeerd naar 450 mm) vergeleken met 75 mm in InP.modulatorenZe zijn doorgaans afhankelijk van het kwantum-geconfineerde Stark-effect, dat temperatuurgevoelig is vanwege de door temperatuur veroorzaakte verschuiving van de bandrand. Daarentegen is de temperatuurafhankelijkheid van op silicium gebaseerde modulatoren zeer gering.

Siliciumfotonica-technologie wordt over het algemeen alleen geschikt geacht voor goedkope producten met een korte levensduur en een hoog volume (meer dan 1 miljoen stuks per jaar). Dit komt doordat algemeen wordt aangenomen dat een grote hoeveelheid wafers nodig is om de kosten voor maskers en ontwikkeling te spreiden, en datsiliciumfotonica-technologieheeft aanzienlijke prestatienadelen bij regionale en langeafstandstransporttoepassingen tussen steden. In werkelijkheid is echter het tegenovergestelde waar. Bij goedkope toepassingen met een korte reikwijdte en hoge opbrengst presteren verticale-caviteitsoppervlakte-emitterende lasers (VCSEL's) endirect gemoduleerde laser (DML-laserDirect gemoduleerde lasers oefenen een enorme concurrentiedruk uit, en de zwakte van op silicium gebaseerde fotonica-technologie, namelijk de moeilijkheid om lasers te integreren, is een significant nadeel geworden. Daarentegen is het in metro- en langeafstandstoepassingen, vanwege de voorkeur voor de integratie van siliciumfotonica-technologie en digitale signaalverwerking (DSP) (vaak in omgevingen met hoge temperaturen), voordeliger om de laser te scheiden. Bovendien kan coherente detectietechnologie de tekortkomingen van siliciumfotonica-technologie grotendeels compenseren, zoals het probleem dat de donkerstroom veel kleiner is dan de fotostroom van de lokale oscillator. Tegelijkertijd is het ook onjuist om te denken dat een grote hoeveelheid wafercapaciteit nodig is om de kosten van maskers en ontwikkeling te dekken, omdat siliciumfotonica-technologie gebruikmaakt van veel grotere knooppuntgroottes dan de meest geavanceerde complementaire metaaloxide-halfgeleiders (CMOS), waardoor de benodigde maskers en productieruns relatief goedkoop zijn.