Vergleich photonischer integrierter Schaltkreismaterialsysteme

Vergleich photonischer integrierter Schaltkreismaterialsysteme
Abbildung 1 zeigt einen Vergleich zweier Materialsysteme, Indium-Phosphor (InP) und Silizium (Si). Die Seltenheit von Indium macht InP zu einem teureren Material als Si. Da Schaltkreise auf Siliziumbasis weniger epitaktisches Wachstum erfordern, ist die Ausbeute von Schaltkreisen auf Siliziumbasis normalerweise höher als die von InP-Schaltkreisen. In Schaltkreisen auf Siliziumbasis wird Germanium (Ge) verwendet, das normalerweise nur in verwendet wirdFotodetektor(Lichtdetektoren), erfordert epitaktisches Wachstum, während in InP-Systemen sogar passive Wellenleiter durch epitaktisches Wachstum vorbereitet werden müssen. Das epitaktische Wachstum weist tendenziell eine höhere Defektdichte auf als das Einkristallwachstum, beispielsweise aus einem Kristallblock. InP-Wellenleiter weisen nur in Querrichtung einen hohen Brechungsindexkontrast auf, während Wellenleiter auf Siliziumbasis sowohl in Quer- als auch in Längsrichtung einen hohen Brechungsindexkontrast aufweisen, wodurch siliziumbasierte Geräte kleinere Biegeradien und andere kompaktere Strukturen erreichen können. InGaAsP weist eine direkte Bandlücke auf, Si und Ge dagegen nicht. Dadurch 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 stärkeres Material als InP und ermöglicht die Verwendung größerer Wafergrößen, z. B. von 300 mm (bald auf 450 mm aufgerüstet) im Vergleich zu 75 mm bei InP. InPModulatorenhängen normalerweise vom quantenbeschränkten Stark-Effekt ab, der aufgrund der temperaturbedingten Bandkantenbewegung temperaturempfindlich ist. Im Gegensatz dazu ist die Temperaturabhängigkeit siliziumbasierter Modulatoren sehr gering.

Die Silizium-Photonik-Technologie wird im Allgemeinen nur für kostengünstige Produkte mit kurzer Reichweite und großen 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 das auchSilizium-Photonik-Technologieweist erhebliche Leistungsnachteile bei Produktanwendungen im Stadt-zu-Stadt-Regional- und Fernverkehr auf. In Wirklichkeit ist jedoch das Gegenteil der Fall. In kostengünstigen Anwendungen mit kurzer Reichweite und hoher Ausbeute werden oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Hohlraum (VCSEL) unddirektmodulierter Laser (DML-Laser) : Direkt modulierte Laser stellen einen enormen Wettbewerbsdruck dar, und die Schwäche der siliziumbasierten Photoniktechnologie, die Laser nicht einfach integrieren kann, ist zu einem erheblichen Nachteil geworden. Im Gegensatz dazu ist es bei Metro- und Fernanwendungen aufgrund der bevorzugten Integration von Silizium-Photonik-Technologie und digitaler Signalverarbeitung (DSP) (was häufig in Umgebungen mit hohen Temperaturen der Fall ist) vorteilhafter, den Laser zu trennen. Darüber hinaus kann die kohärente Detektionstechnologie die Mängel der Silizium-Photonik-Technologie weitgehend ausgleichen, beispielsweise das Problem, dass der Dunkelstrom viel kleiner ist als der Photostrom des Lokaloszillators. Gleichzeitig ist es auch falsch zu glauben, dass eine große Waferkapazität erforderlich ist, um die Masken- und Entwicklungskosten zu decken, da die Silizium-Photonik-Technologie Knotengrößen verwendet, die viel größer sind als die fortschrittlichsten komplementären Metalloxidhalbleiter (CMOS). Daher sind die benötigten Masken und Produktionsläufe relativ günstig.