Vergleich von Materialsystemen für photonische integrierte Schaltkreise

Vergleich von Materialsystemen für photonische integrierte Schaltkreise
Abbildung 1 zeigt einen Vergleich zweier Materialsysteme: Indium-Phosphor (InP) und Silizium (Si). Die Seltenheit von Indium macht InP zu einem teureren Material als Silizium. Da siliziumbasierte Schaltungen weniger epitaktisches Wachstum erfordern, ist die Ausbeute siliziumbasierter Schaltungen in der Regel höher als die von InP-Schaltungen. In siliziumbasierten Schaltungen wird Germanium (Ge), das üblicherweise nur inFotodetektor(Lichtdetektoren), erfordert epitaktisches Wachstum, während in InP-Systemen selbst passive Wellenleiter epitaktisch hergestellt werden müssen. Epitaktisches Wachstum weist tendenziell eine höhere Defektdichte auf als das Wachstum von Einkristallen, beispielsweise aus einem Kristallblock. InP-Wellenleiter weisen nur in Querrichtung einen hohen Brechungsindexkontrast auf, während siliziumbasierte Wellenleiter sowohl in Quer- als auch in Längsrichtung einen hohen Brechungsindexkontrast aufweisen, wodurch siliziumbasierte Bauelemente kleinere Biegeradien und andere kompaktere Strukturen erreichen können. InGaAsP hat eine direkte Bandlücke, Si und Ge hingegen nicht. Daher sind InP-Materialsysteme hinsichtlich der Lasereffizienz überlegen. Die intrinsischen Oxide von InP-Systemen sind nicht so stabil und robust wie die intrinsischen Oxide von Si, Siliziumdioxid (SiO2). Silizium ist ein festeres Material als InP, was die Verwendung größerer Wafergrößen ermöglicht, d. h. von 300 mm (demnächst auf 450 mm erhöht) im Vergleich zu 75 mm bei InP. InPModulatorenhängen normalerweise vom quantenbeschränkten Stark-Effekt ab, der aufgrund der temperaturbedingten Bandkantenverschiebung temperaturabhängig ist. Im Gegensatz dazu ist die Temperaturabhängigkeit von Modulatoren auf Siliziumbasis sehr gering.

Die Silizium-Photonik-Technologie wird allgemein nur für kostengünstige, kleinserienmäßige Produkte mit hohen Stückzahlen (mehr als 1 Million Stück pro Jahr) als geeignet angesehen. Dies liegt daran, dass allgemein anerkannt ist, dass eine große Waferkapazität erforderlich ist, um die Masken- und Entwicklungskosten zu verteilen, und dassSilizium-Photonik-Technologiehat erhebliche Leistungsnachteile bei Stadt-zu-Stadt-Regional- und Langstreckenanwendungen. In der Realität ist jedoch das Gegenteil der Fall. Bei kostengünstigen Anwendungen mit kurzer Reichweite und hoher Ausbeute werden VCSEL-Laser (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) unddirektmodulierter Laser (DML-Laser): Direkt modulierte Laser üben einen enormen Wettbewerbsdruck aus, und die Schwäche der auf Silizium basierenden Photonik-Technologie, die Laser nicht einfach integrieren kann, ist zu einem signifikanten Nachteil geworden. Im Gegensatz dazu ist es bei U-Bahn- und Langstreckenanwendungen vorteilhafter, den Laser zu trennen, da Silizium-Photonik-Technologie und digitale Signalverarbeitung (DSP) bevorzugt integriert werden (was oft in Umgebungen mit hohen Temperaturen der Fall ist). Zudem kann die kohärente Detektionstechnologie die Mängel der Silizium-Photonik-Technologie weitgehend ausgleichen, beispielsweise das Problem, dass der Dunkelstrom viel kleiner ist als der Fotostrom des lokalen Oszillators. Gleichzeitig ist es auch ein Irrtum, eine große Waferkapazität zu benötigen, um die Masken- und Entwicklungskosten zu decken, da die Silizium-Photonik-Technologie Knotengrößen verwendet, die viel größer sind als die der modernsten komplementären Metalloxid-Halbleiter (CMOS), sodass die erforderlichen Masken und Produktionsläufe relativ günstig sind.