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 met zich meebrengen, is de opbrengst van op silicium gebaseerde circuits doorgaans hoger dan die van InP-circuits. In op silicium gebaseerde circuits wordt germanium (Ge), dat doorgaans alleen inFotodetector(licht detectoren), vereist epitaxiale groei, terwijl in InP-systemen zelfs passieve golfgeleiders moeten worden voorbereid door epitaxiale groei. Epitaxiale groei heeft de neiging een hogere defectdichtheid te hebben dan groei van een enkel kristal, zoals uit een kristalstaaf. InP-golfgeleiders hebben alleen een hoog brekingsindexcontrast in de dwarsrichting, terwijl op silicium gebaseerde golfgeleiders een hoog brekingsindexcontrast hebben in zowel de dwars- als de lengterichting, waardoor op silicium gebaseerde apparaten kleinere buigstralen en andere compactere structuren kunnen bereiken. InGaAsP heeft een directe bandafstand, terwijl Si en Ge dat niet hebben. Als gevolg hiervan zijn InP-materiaalsystemen superieur in termen van 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 het gebruik van grotere wafelformaten mogelijk is, dat wil zeggen vanaf 300 mm (binnenkort opgewaardeerd tot 450 mm) vergeleken met 75 mm in InP. InPmodulatorenzijn meestal afhankelijk van het kwantumbegrensde Stark-effect, dat temperatuurgevoelig is als gevolg van bandrandbewegingen veroorzaakt door temperatuur. Daarentegen is de temperatuurafhankelijkheid van op silicium gebaseerde modulatoren erg klein.

Siliciumfotonicatechnologie wordt over het algemeen alleen geschikt geacht voor goedkope producten met een kort bereik en grote volumes (meer dan 1 miljoen stuks per jaar). Dit komt omdat algemeen wordt aanvaard dat er een grote hoeveelheid wafercapaciteit nodig is om de masker- en ontwikkelingskosten te spreiden, en dat ooksilicium fotonica technologieheeft aanzienlijke prestatienadelen bij producttoepassingen van stad tot stad, regionaal en over lange afstanden. In werkelijkheid is echter het tegendeel waar. In goedkope, korteafstandstoepassingen met hoog rendement kunnen oppervlakte-emitterende lasers met verticale holte (VCSEL) endirect gemoduleerde laser (DML-laser): direct gemoduleerde lasers vormen een enorme concurrentiedruk, en de zwakte van op silicium gebaseerde fotonische technologie die lasers niet gemakkelijk kan integreren, is een aanzienlijk nadeel geworden. In metro- en langeafstandstoepassingen is het daarentegen, vanwege de voorkeur voor het samen integreren van siliciumfotonicatechnologie en digitale signaalverwerking (DSP) (wat vaak voorkomt in omgevingen met hoge temperaturen), voordeliger om de laser te scheiden. Bovendien kan coherente detectietechnologie de tekortkomingen van de siliciumfotonicatechnologie voor een groot deel compenseren, zoals het probleem dat de donkerstroom veel kleiner is dan de fotostroom van de lokale oscillator. Tegelijkertijd is het ook verkeerd om te denken dat er een grote hoeveelheid wafercapaciteit nodig is om de masker- en ontwikkelingskosten te dekken, omdat de siliciumfotonicatechnologie gebruik maakt van knooppuntgroottes die veel groter zijn dan die van de meest geavanceerde complementaire metaaloxidehalfgeleiders (CMOS), dus de benodigde maskers en productieruns zijn relatief goedkoop.