مقارنة أنظمة مواد الدوائر المتكاملة الضوئية

مقارنة أنظمة مواد الدوائر المتكاملة الضوئية
يوضح الشكل 1 مقارنة بين نظامين ماديين، هما فوسفور الإنديوم (InP) والسيليكون (Si). ندرة الإنديوم تجعل InP مادة أغلى من Si. ولأن الدوائر القائمة على السيليكون تتطلب نموًا طبقيًا أقل، فإن إنتاجية هذه الدوائر عادةً ما تكون أعلى من إنتاجية دوائر InP. في الدوائر القائمة على السيليكون، يُستخدم الجرمانيوم (Ge) عادةً فقط فيكاشف ضوئي(كاشفات الضوءيتطلب تصنيعها نموًا طبقيًا، بينما في أنظمة InP، حتى الموجهات السلبية يجب تحضيرها بالنمو الطبقي. يميل النمو الطبقي إلى أن يكون له كثافة عيوب أعلى من نمو البلورة الأحادية، كما هو الحال من سبيكة بلورية. تتميز موجهات InP بتباين عالٍ في معامل الانكسار فقط في الاتجاه العرضي، بينما تتميز الموجهات القائمة على السيليكون بتباين عالٍ في معامل الانكسار في كل من الاتجاهين العرضي والطولي، مما يسمح للأجهزة القائمة على السيليكون بتحقيق أنصاف أقطار انحناء أصغر وهياكل أخرى أكثر إحكامًا. يتميز InGaAsP بفجوة نطاق مباشرة، بينما لا يمتلكها كل من السيليكون والجرمانيوم. ونتيجة لذلك، تتفوق أنظمة مواد InP من حيث كفاءة الليزر. لا تتمتع الأكاسيد الجوهرية لأنظمة InP بنفس استقرار ومتانة الأكاسيد الجوهرية للسيليكون، ثاني أكسيد السيليكون (SiO2). السيليكون مادة أقوى من InP، مما يسمح باستخدام أحجام رقائق أكبر، أي من 300 مم (سيتم ترقيتها قريبًا إلى 450 مم) مقارنة بـ 75 مم في InP.المعدِّلاتتعتمد هذه التقنيات عادةً على تأثير ستارك المحصور كميًا، وهو حساس لدرجة الحرارة بسبب حركة حافة النطاق الناتجة عن تغير درجة الحرارة. في المقابل، يكون اعتماد المُعدِّلات القائمة على السيليكون على درجة الحرارة ضئيلاً للغاية.

تُعتبر تقنية الفوتونيات السيليكونية مناسبة بشكل عام للمنتجات منخفضة التكلفة، قصيرة المدى، وعالية الإنتاج (أكثر من مليون قطعة سنويًا). ويرجع ذلك إلى أنه من المقبول على نطاق واسع أن هناك حاجة إلى كمية كبيرة من سعة الرقائق لتوزيع تكاليف القناع والتطوير، وأنتقنية الفوتونيات السيليكونيةيُعاني هذا النوع من الليزر من عيوب أداء كبيرة في تطبيقات نقل المنتجات بين المدن على المستوى الإقليمي والبعيد المدى. لكن في الواقع، العكس هو الصحيح. ففي التطبيقات منخفضة التكلفة، قصيرة المدى، وعالية الإنتاجية، يُعد ليزر انبعاث السطح ذو التجويف الرأسي (VCSEL) خيارًا مثاليًا.ليزر معدل مباشرة (ليزر DMLيُشكل الليزر المُعدَّل مباشرةً ضغطًا تنافسيًا هائلًا، وقد أصبح ضعف تقنية الفوتونيات القائمة على السيليكون، والتي لا يُمكن دمج الليزر فيها بسهولة، عيبًا كبيرًا. في المقابل، في تطبيقات المترو والمسافات الطويلة، ونظرًا لتفضيل دمج تقنية الفوتونيات السيليكونية ومعالجة الإشارات الرقمية (DSP) معًا (والتي غالبًا ما تكون في بيئات ذات درجات حرارة عالية)، يُعد فصل الليزر أكثر فائدة. إضافةً إلى ذلك، يُمكن لتقنية الكشف المتماسك أن تُعوض إلى حد كبير أوجه القصور في تقنية الفوتونيات السيليكونية، مثل مشكلة انخفاض التيار المظلم مقارنةً بتيار الفوتون للمذبذب المحلي. في الوقت نفسه، من الخطأ الاعتقاد بأن هناك حاجة إلى سعة كبيرة من الرقائق لتغطية تكاليف الأقنعة والتطوير، لأن تقنية الفوتونيات السيليكونية تستخدم أحجام عقد أكبر بكثير من أشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة التكميلية (CMOS) الأكثر تقدمًا، لذا فإن الأقنعة المطلوبة وعمليات الإنتاج رخيصة نسبيًا.