Vergleich von photonischen integrierten Schaltungsmaterialsystemen

Vergleich von photonischen integrierten Schaltungsmaterialsystemen
Abbildung 1 zeigt einen Vergleich zweier Materialsysteme, Indiumphosphor (InP) und Silizium (Si). Aufgrund der Seltenheit von Indium ist InP teurer als Si. Da Silizium-basierte Schaltungen weniger epitaktisches Wachstum erfordern, ist ihre Ausbeute in der Regel höher als die von InP-Schaltungen. In Silizium-basierten Schaltungen wird Germanium (Ge), das üblicherweise nur in … verwendet wird, …Fotodetektor(LichtdetektorenFür die Herstellung von InP-Systemen ist epitaktisches Wachstum erforderlich, während selbst passive Wellenleiter epitaktisch hergestellt werden müssen. Epitaktisches Wachstum weist tendenziell eine höhere Defektdichte auf als das Einkristallwachstum, beispielsweise aus einem Kristallblock. InP-Wellenleiter besitzen einen hohen Brechungsindexkontrast nur in transversaler Richtung, während siliziumbasierte Wellenleiter einen hohen Brechungsindexkontrast sowohl in transversaler als auch in longitudinaler Richtung aufweisen. Dies ermöglicht es, mit siliziumbasierten Bauelementen kleinere Biegeradien und kompaktere Strukturen zu realisieren. InGaAsP besitzt 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, wodurch größere Wafergrößen von 300 mm (demnächst 450 mm) im Vergleich zu 75 mm bei InP möglich sind.ModulatorenSie basieren üblicherweise auf dem quantenmechanischen Stark-Effekt, der aufgrund der temperaturabhängigen Bandkantenverschiebung temperaturempfindlich ist. Im Gegensatz dazu ist die Temperaturabhängigkeit von Silizium-basierten Modulatoren sehr gering.

Die Siliziumphotonik-Technologie gilt im Allgemeinen als nur für kostengünstige Produkte mit kurzer Reichweite und hohem Produktionsvolumen (mehr als 1 Million Stück pro Jahr) geeignet. Dies liegt daran, dass allgemein anerkannt ist, dass eine große Waferkapazität erforderlich ist, um die Masken- und Entwicklungskosten zu verteilen.Siliziumphotonik-Technologieweist erhebliche Leistungsnachteile bei regionalen Anwendungen zwischen Städten und bei Langstreckenanwendungen auf. In der Realität ist jedoch das Gegenteil der Fall. Bei kostengünstigen Anwendungen mit kurzer Reichweite und hoher Ausbeute sind VCSELs (Vertical Cavity Surface-Emitting Laser) unddirektmodulierter Laser (DML-LaserDie direkte Modulation von Lasern übt einen enormen Wettbewerbsdruck aus, und die Schwäche der siliziumbasierten Photonik, Laser nicht ohne Weiteres zu integrieren, erweist sich als erheblicher Nachteil. Im Gegensatz dazu ist es in Anwendungen im Metro- und Fernbereich aufgrund der bevorzugten Integration von Siliziumphotonik und digitaler Signalverarbeitung (DSP) – oft in Umgebungen mit hohen Temperaturen – vorteilhafter, den Laser separat zu betreiben. Darüber hinaus kann die kohärente Detektionstechnologie die Schwächen der Siliziumphotonik, wie beispielsweise den deutlich geringeren Dunkelstrom im Vergleich zum Photostrom des Lokaloszillators, weitgehend kompensieren. Gleichzeitig ist die Annahme, dass eine hohe Waferkapazität zur Deckung der Masken- und Entwicklungskosten erforderlich ist, falsch. Da die Siliziumphotonik deutlich größere Strukturgrößen als die modernsten CMOS-Technologien (Complementary Metal Oxide Semiconductor) verwendet, sind die benötigten Masken und Produktionsläufe vergleichsweise kostengünstig.