Comparação de sistemas de materiais para circuitos integrados fotônicos

Comparação de sistemas de materiais para circuitos integrados fotônicos
A Figura 1 mostra uma comparação de dois sistemas de materiais: índio-fósforo (InP) e silício (Si). A raridade do índio torna o InP um material mais caro que o Si. Como os circuitos baseados em silício envolvem menos crescimento epitaxial, o rendimento desses circuitos geralmente é maior do que o dos circuitos de InP. Nos circuitos baseados em silício, o germânio (Ge), que geralmente é usado apenas emFotodetector(detectores de luz), requer crescimento epitaxial, enquanto em sistemas de InP, mesmo guias de onda passivos devem ser preparados por crescimento epitaxial. O crescimento epitaxial tende a apresentar uma densidade de defeitos maior do que o crescimento de monocristais, como a partir de um lingote de cristal. Os guias de onda de InP têm alto contraste de índice de refração apenas na direção transversal, enquanto os guias de onda baseados em silício têm alto contraste de índice de refração tanto na direção transversal quanto na longitudinal, o que permite que dispositivos baseados em silício alcancem raios de curvatura menores e outras estruturas mais compactas. O InGaAsP possui um gap de banda direta, enquanto o Si e o Ge não. Como resultado, os sistemas de materiais InP são superiores em termos de eficiência de laser. Os óxidos intrínsecos dos sistemas InP não são tão estáveis ​​e robustos quanto os óxidos intrínsecos do Si, o dióxido de silício (SiO2). O silício é um material mais resistente do que o InP, permitindo o uso de wafers de tamanhos maiores, ou seja, a partir de 300 mm (em breve, com previsão de aumento para 450 mm) em comparação com os 75 mm do InP.moduladoresgeralmente dependem do efeito Stark de confinamento quântico, que é sensível à temperatura devido ao deslocamento da borda da banda causado pela temperatura. Em contraste, a dependência da temperatura em moduladores baseados em silício é muito pequena.

A tecnologia de fotônica de silício é geralmente considerada adequada apenas para produtos de baixo custo, curto alcance e alto volume (mais de 1 milhão de peças por ano). Isso ocorre porque é amplamente aceito que uma grande quantidade de capacidade de wafers é necessária para diluir os custos de máscara e desenvolvimento, e quetecnologia de fotônica de silícioapresenta desvantagens significativas de desempenho em aplicações de produtos regionais e de longa distância entre cidades. Na realidade, porém, o oposto é verdadeiro. Em aplicações de baixo custo, curto alcance e alto rendimento, o laser de emissão de superfície de cavidade vertical (VCSEL) elaser de modulação direta (laser DMLA modulação direta de lasers representa uma enorme pressão competitiva, e a dificuldade da tecnologia fotônica baseada em silício em integrar lasers tornou-se uma desvantagem significativa. Em contraste, em aplicações metropolitanas e de longa distância, devido à preferência pela integração da tecnologia fotônica de silício com o processamento digital de sinais (DSP) (frequentemente em ambientes de alta temperatura), é mais vantajoso separar o laser. Além disso, a tecnologia de detecção coerente pode compensar em grande parte as deficiências da tecnologia fotônica de silício, como o problema da corrente escura ser muito menor que a fotocorrente do oscilador local. Ao mesmo tempo, também é um equívoco pensar que uma grande quantidade de wafers é necessária para cobrir os custos de máscara e desenvolvimento, pois a tecnologia fotônica de silício utiliza nós com dimensões muito maiores do que os semicondutores de óxido metálico complementares (CMOS) mais avançados, tornando as máscaras e os lotes de produção relativamente baratos.