Σύγκριση συστημάτων υλικών φωτονικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων

Σύγκριση συστημάτων υλικών φωτονικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων
Το Σχήμα 1 δείχνει μια σύγκριση δύο συστημάτων υλικών, του ινδίου-φωσφόρου (InP) και του πυριτίου (Si). Η σπανιότητα του ινδίου καθιστά το InP ένα πιο ακριβό υλικό από το Si. Επειδή τα κυκλώματα με βάση το πυρίτιο παρουσιάζουν λιγότερη επιταξιακή ανάπτυξη, η απόδοση των κυκλωμάτων με βάση το πυρίτιο είναι συνήθως υψηλότερη από αυτή των κυκλωμάτων InP. Στα κυκλώματα με βάση το πυρίτιο, το γερμάνιο (Ge), το οποίο συνήθως χρησιμοποιείται μόνο σεΦωτοανιχνευτής(ανιχνευτές φωτός), απαιτεί επιταξιακή ανάπτυξη, ενώ στα συστήματα InP, ακόμη και οι παθητικοί κυματοδηγοί πρέπει να παρασκευάζονται με επιταξιακή ανάπτυξη. Η επιταξιακή ανάπτυξη τείνει να έχει υψηλότερη πυκνότητα ελαττωμάτων από την ανάπτυξη μονοκρυστάλλου, όπως από μια κρυσταλλική ράβδο. Οι κυματοδηγοί InP έχουν υψηλή αντίθεση δείκτη διάθλασης μόνο εγκάρσια, ενώ οι κυματοδηγοί με βάση το πυρίτιο έχουν υψηλή αντίθεση δείκτη διάθλασης τόσο εγκάρσια όσο και διαμήκως, γεγονός που επιτρέπει στις συσκευές με βάση το πυρίτιο να επιτυγχάνουν μικρότερες ακτίνες κάμψης και άλλες πιο συμπαγείς δομές. Το InGaAsP έχει άμεσο ενεργειακό χάσμα, ενώ το Si και το Ge όχι. Ως αποτέλεσμα, τα συστήματα υλικών InP είναι ανώτερα όσον αφορά την απόδοση του λέιζερ. Τα εγγενή οξείδια των συστημάτων InP δεν είναι τόσο σταθερά και ανθεκτικά όσο τα εγγενή οξείδια του Si, διοξειδίου του πυριτίου (SiO2). Το πυρίτιο είναι ένα ισχυρότερο υλικό από το InP, επιτρέποντας τη χρήση μεγαλύτερων μεγεθών πλακιδίων, δηλαδή από 300 mm (σύντομα θα αναβαθμιστούν σε 450 mm) σε σύγκριση με 75 mm σε InP. Το InPδιαμορφωτέςσυνήθως εξαρτώνται από το κβαντικά περιορισμένο φαινόμενο Stark, το οποίο είναι ευαίσθητο στη θερμοκρασία λόγω της κίνησης των άκρων της ζώνης που προκαλείται από τη θερμοκρασία. Αντίθετα, η εξάρτηση από τη θερμοκρασία των διαμορφωτών με βάση το πυρίτιο είναι πολύ μικρή.

Η τεχνολογία φωτονικής πυριτίου θεωρείται γενικά κατάλληλη μόνο για προϊόντα χαμηλού κόστους, μικρής εμβέλειας και μεγάλου όγκου (περισσότερα από 1 εκατομμύριο τεμάχια ετησίως). Αυτό συμβαίνει επειδή είναι ευρέως αποδεκτό ότι απαιτείται μεγάλη χωρητικότητα πλακιδίων για την κατανομή του κόστους μάσκας και ανάπτυξης, και ότιτεχνολογία φωτονικής πυριτίουέχει σημαντικά μειονεκτήματα απόδοσης σε εφαρμογές προϊόντων περιφερειακών και μεγάλων αποστάσεων από πόλη σε πόλη. Στην πραγματικότητα, ωστόσο, ισχύει το αντίθετο. Σε εφαρμογές χαμηλού κόστους, μικρής εμβέλειας και υψηλής απόδοσης, το λέιζερ επιφανειακής εκπομπής κάθετης κοιλότητας (VCSEL) καιλέιζερ άμεσης διαμόρφωσης (Λέιζερ DML): το άμεσα διαμορφωμένο λέιζερ ασκεί τεράστια ανταγωνιστική πίεση και η αδυναμία της φωτονικής τεχνολογίας με βάση το πυρίτιο, η οποία δεν μπορεί εύκολα να ενσωματώσει λέιζερ, έχει γίνει ένα σημαντικό μειονέκτημα. Αντίθετα, σε εφαρμογές μεγάλων αποστάσεων, λόγω της προτίμησης για την ενσωμάτωση της τεχνολογίας φωτονικής πυριτίου και της ψηφιακής επεξεργασίας σήματος (DSP) (η οποία συχνά συμβαίνει σε περιβάλλοντα υψηλής θερμοκρασίας), είναι πιο πλεονεκτικό να διαχωριστεί το λέιζερ. Επιπλέον, η τεχνολογία συνεκτικής ανίχνευσης μπορεί να αντισταθμίσει σε μεγάλο βαθμό τις αδυναμίες της τεχνολογίας φωτονικής πυριτίου, όπως το πρόβλημα ότι το σκοτεινό ρεύμα είναι πολύ μικρότερο από το φωτορεύμα του τοπικού ταλαντωτή. Ταυτόχρονα, είναι επίσης λάθος να πιστεύουμε ότι απαιτείται μεγάλη χωρητικότητα πλακιδίων για την κάλυψη του κόστους μάσκας και ανάπτυξης, επειδή η τεχνολογία φωτονικής πυριτίου χρησιμοποιεί μεγέθη κόμβων που είναι πολύ μεγαλύτερα από τους πιο προηγμένους συμπληρωματικούς ημιαγωγούς οξειδίου μετάλλου (CMOS), επομένως οι απαιτούμενες μάσκες και οι κύκλοι παραγωγής είναι σχετικά φθηνές.