Confronto dei sistemi di materiali per circuiti integrati fotonici

Confronto dei sistemi di materiali per circuiti integrati fotonici
La Figura 1 mostra un confronto tra due sistemi di materiali, indio fosforo (InP) e silicio (Si). La rarità dell'indio rende l'InP un materiale più costoso del Si. Poiché i circuiti a base di silicio comportano una minore crescita epitassiale, la resa dei circuiti a base di silicio è solitamente superiore a quella dei circuiti a base di InP. Nei circuiti a base di silicio, il germanio (Ge), che di solito viene utilizzato solo inFotodiodo(rilevatori di luce), richiede una crescita epitassiale, mentre nei sistemi InP, anche le guide d'onda passive devono essere preparate mediante crescita epitassiale. La crescita epitassiale tende ad avere una densità di difetti maggiore rispetto alla crescita monocristallina, come quella da un lingotto di cristallo. Le guide d'onda InP presentano un elevato contrasto dell'indice di rifrazione solo in direzione trasversale, mentre le guide d'onda a base di silicio presentano un elevato contrasto dell'indice di rifrazione sia in direzione trasversale che longitudinale, il che consente ai dispositivi a base di silicio di ottenere raggi di curvatura più piccoli e altre strutture più compatte. L'InGaAsP ha un band gap diretto, mentre il Si e il Ge no. Di conseguenza, i sistemi di materiali InP sono superiori in termini di efficienza laser. Gli ossidi intrinseci dei sistemi InP non sono stabili e robusti come gli ossidi intrinseci del Si, il biossido di silicio (SiO₂). Il silicio è un materiale più resistente dell'InP, consentendo l'utilizzo di wafer di dimensioni maggiori, ovvero da 300 mm (che presto saranno portati a 450 mm) rispetto ai 75 mm dell'InP. InPmodulatoridi solito dipendono dall'effetto Stark a confinamento quantistico, che è sensibile alla temperatura a causa del movimento dei bordi di banda causato dalla temperatura. Al contrario, la dipendenza dalla temperatura dei modulatori al silicio è molto ridotta.

La tecnologia della fotonica al silicio è generalmente considerata adatta solo a prodotti a basso costo, a corto raggio e ad alto volume (oltre 1 milione di pezzi all'anno). Questo perché è ampiamente riconosciuto che è necessaria un'elevata capacità di wafer per distribuire i costi di mascheramento e sviluppo, e chetecnologia fotonica al siliciopresenta significativi svantaggi prestazionali nelle applicazioni di prodotti regionali e a lungo raggio da città a città. In realtà, tuttavia, è vero il contrario. Nelle applicazioni a basso costo, a corto raggio e ad alta resa, i laser a cavità verticale a emissione superficiale (VCSEL) elaser a modulazione diretta (Laser DML): il laser a modulazione diretta esercita un'enorme pressione competitiva e la debolezza della tecnologia fotonica al silicio, che non può integrare facilmente i laser, è diventata uno svantaggio significativo. Al contrario, nelle applicazioni metropolitane a lunga distanza, data la preferenza per l'integrazione della tecnologia fotonica al silicio e dell'elaborazione digitale del segnale (DSP) (che spesso si verifica in ambienti ad alta temperatura), è più vantaggioso separare il laser. Inoltre, la tecnologia di rilevamento coerente può compensare in larga misura le carenze della tecnologia fotonica al silicio, come il problema della corrente di buio molto inferiore alla fotocorrente dell'oscillatore locale. Allo stesso tempo, è anche sbagliato pensare che sia necessaria una grande capacità di wafer per coprire i costi di mascheratura e sviluppo, poiché la tecnologia fotonica al silicio utilizza dimensioni di nodo molto più grandi rispetto ai più avanzati semiconduttori a ossido di metallo complementare (CMOS), quindi le maschere e i cicli di produzione richiesti sono relativamente economici.