مقارنة بين أنظمة مواد الدوائر المتكاملة الفوتونية

مقارنة بين أنظمة مواد الدوائر المتكاملة الفوتونية
يوضح الشكل 1 مقارنة بين نظامين من المواد، فوسفور الإنديوم (InP) والسيليكون (Si). ندرة الإنديوم تجعل InP مادة أغلى من Si. ولأن الدوائر القائمة على السيليكون تتضمن نموًا طبقيًا أقل، فإن إنتاجية الدوائر القائمة على السيليكون عادةً ما تكون أعلى من إنتاجية دوائر InP. في الدوائر القائمة على السيليكون، يُستخدم الجرمانيوم (Ge)، والذي يُستخدم عادةً فقط فيكاشف ضوئي(كاشفات الضوءيتطلب نموًا طبقيًا، بينما في أنظمة InP، يجب تحضير الموجهات الموجية السلبية بالنمو الطبقي. يميل النمو الطبقي إلى أن يكون له كثافة عيوب أعلى من نمو البلورة المفردة، مثل نمو سبيكة بلورية. تتميز الموجهات الموجية InP بتباين عالي في معامل الانكسار فقط في الاتجاه العرضي، بينما تتميز الموجهات الموجية القائمة على السيليكون بتباين عالي في معامل الانكسار في 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 يتمتع Si وGe بذلك. ونتيجة لذلك، تتفوق أنظمة مواد InP من حيث كفاءة الليزر. لا تتمتع الأكاسيد الجوهرية لأنظمة InP بنفس استقرار ومتانة أكاسيد Si، 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. إن بيالمُعدِّلاتتعتمد عادةً على تأثير ستارك المُقيّد كميًا، وهو حساس لدرجة الحرارة بسبب حركة حافة النطاق الناتجة عن درجة الحرارة. في المقابل، يكون اعتماد المُعدّلات القائمة على السيليكون على درجة الحرارة ضئيلًا جدًا.

تُعتبر تقنية فوتونيات السيليكون مناسبةً فقط للمنتجات منخفضة التكلفة وقصيرة المدى وعالية الإنتاج (أكثر من مليون قطعة سنويًا). ويرجع ذلك إلى الاعتقاد السائد بأن سعة الرقاقة الكبيرة مطلوبة لتوزيع تكاليف القناع والتطوير، وأن...تكنولوجيا فوتونيات السيليكونيعاني من عيوب كبيرة في الأداء في تطبيقات المنتجات الإقليمية والطويلة المدى بين المدن. لكن في الواقع، العكس هو الصحيح. ففي التطبيقات منخفضة التكلفة وقصيرة المدى وعالية الإنتاجية، يُستخدم ليزر انبعاث السطح بالتجويف الرأسي (VCSEL) وليزر معدل مباشر (ليزر DML) : يُشكّل الليزر المُعدّل مباشرةً ضغطًا تنافسيًا هائلاً، وقد أصبح ضعف تقنية الفوتونيات القائمة على السيليكون، والتي لا تستطيع دمج الليزر بسهولة، عيبًا كبيرًا. على النقيض من ذلك، في التطبيقات الحضرية بعيدة المدى، ونظرًا لتفضيل دمج تقنية الفوتونيات السيليكونية ومعالجة الإشارات الرقمية (DSP) معًا (والتي غالبًا ما تكون في بيئات ذات درجات حرارة عالية)، فإن فصل الليزر يكون أكثر فائدة. بالإضافة إلى ذلك، يُمكن لتقنية الكشف المتماسك أن تُعوّض عن عيوب تقنية الفوتونيات السيليكونية إلى حد كبير، مثل مشكلة أن التيار المظلم أصغر بكثير من التيار الضوئي للمذبذب المحلي. في الوقت نفسه، من الخطأ أيضًا الاعتقاد بأن هناك حاجة إلى سعة رقاقة كبيرة لتغطية تكاليف القناع والتطوير، لأن تقنية الفوتونيات السيليكونية تستخدم أحجام عقد أكبر بكثير من أشباه موصلات أكسيد المعادن التكميلية (CMOS) الأكثر تقدمًا، وبالتالي فإن الأقنعة وعمليات الإنتاج المطلوبة رخيصة نسبيًا.