Confronto tra sistemi di materiali per circuiti integrati fotonici

Confronto tra 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 basati su silicio comportano una crescita epitassiale inferiore, la resa dei circuiti basati su silicio è solitamente superiore a quella dei circuiti InP. Nei circuiti a base di silicio, il germanio (Ge), che di solito viene utilizzato solo inFotorivelatore(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 di un singolo cristallo, come ad esempio da un lingotto di cristallo. Le guide d'onda InP hanno un elevato contrasto dell'indice di rifrazione solo in trasversale, mentre le guide d'onda a base di silicio hanno un elevato contrasto dell'indice di rifrazione sia in trasversale che longitudinale, il che consente ai dispositivi basati su silicio di ottenere raggi di curvatura più piccoli e altre strutture più compatte. InGaAsP ha un gap di banda diretto, mentre Si e Ge no. Di conseguenza, i sistemi di materiali InP sono superiori in termini di efficienza del laser. Gli ossidi intrinseci dei sistemi InP non sono stabili e robusti come gli ossidi intrinseci di Si, biossido di silicio (SiO2). Il silicio è un materiale più resistente dell'InP e consente l'utilizzo di wafer di dimensioni maggiori, ovvero da 300 mm (presto aggiornato a 450 mm) rispetto ai 75 mm dell'InP. InPmodulatoridi solito dipendono dall'effetto Stark confinato quanticamente, che è sensibile alla temperatura a causa del movimento del bordo della banda causato dalla temperatura. Al contrario, la dipendenza dalla temperatura dei modulatori a base di silicio è molto piccola.

La tecnologia fotonica del silicio è generalmente considerata adatta solo per prodotti a basso costo, a corto raggio e ad alto volume (più di 1 milione di pezzi all'anno). Questo perché è ampiamente accettato che sia necessaria una grande quantità di capacità di wafer per distribuire la maschera e i costi di sviluppo, e questotecnologia fotonica del siliciopresenta notevoli svantaggi prestazionali nelle applicazioni di prodotto regionali e a lungo raggio da città a città. In realtà, però, è vero il contrario. Nelle applicazioni a basso costo, a corto raggio e ad alto rendimento, i laser a emissione superficiale a cavità verticale (VCSEL) elaser a modulazione diretta (Laser DML): il laser modulato direttamente esercita un'enorme pressione competitiva e la debolezza della tecnologia fotonica basata sul silicio, che non può integrare facilmente i laser, è diventata uno svantaggio significativo. Al contrario, nelle applicazioni metropolitane e a lunga distanza, a causa della preferenza per l'integrazione della tecnologia fotonica del silicio e dell'elaborazione del segnale digitale (DSP) insieme (che avviene spesso 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 del silicio, come il problema che la corrente oscura è molto più piccola della fotocorrente dell’oscillatore locale. Allo stesso tempo, è anche sbagliato pensare che sia necessaria una grande quantità di capacità del wafer per coprire i costi di mascheratura e di sviluppo, perché la tecnologia fotonica del silicio utilizza dimensioni dei nodi che sono molto più grandi dei più avanzati semiconduttori a ossido di metallo complementare (CMOS), quindi le maschere e i cicli di produzione richiesti sono relativamente economici.