フォトニック集積回路材料システムの比較

フォトニック集積回路材料システムの比較
図1は、インジウムリン（InP）とシリコン（Si）という2つの材料系を比較したものです。インジウムの希少性から、InPはSiよりも高価な材料となっています。シリコンベースの回路はエピタキシャル成長が少ないため、シリコンベースの回路の歩留まりは通常、InP回路よりも高くなります。シリコンベースの回路では、通常、ゲルマニウム（Ge）は、光検出器(光検出器InGaAsPはエピタキシャル成長を必要とするが、InP系では受動導波路でさえエピタキシャル成長によって作製する必要がある。エピタキシャル成長は、結晶インゴットからの単結晶成長などに比べて欠陥密度が高くなる傾向がある。InP導波路は横方向のみで高い屈折率コントラストを持つが、シリコン系導波路は横方向と縦方向の両方で高い屈折率コントラストを持つため、シリコン系デバイスはより小さな曲げ半径やその他のよりコンパクトな構造を実現できる。InGaAsPは直接バンドギャップを持つが、SiとGeは持たない。その結果、レーザー効率の点でInP材料系が優れている。InP系の固有酸化物は、Siの固有酸化物である二酸化ケイ素（SiO2）ほど安定で頑丈ではない。シリコンはInPよりも強度が高いため、より大きなウェーハサイズ、すなわちInPの75 mmに対して300 mm（まもなく450 mmにアップグレード予定）を使用できる。変調器通常、量子閉じ込めシュタルク効果に依存しており、これは温度によってバンド端が移動するため温度に敏感である。一方、シリコンベースの変調器の温度依存性は非常に小さい。

シリコンフォトニクス技術は一般的に、低コスト、短距離、大量生産製品（年間100万個以上）にのみ適していると考えられています。これは、マスクと開発コストを分散するために大量のウェハ容量が必要であることが広く認められているためです。シリコンフォトニクス技術都市間地域および長距離製品アプリケーションでは、性能面で大きな不利があります。しかし、実際にはその逆です。低コスト、短距離、高歩留まりのアプリケーションでは、垂直共振器面発光レーザー (VCSEL) と直接変調レーザー (DMLレーザー）：直接変調レーザーは大きな競争圧力をもたらしており、レーザーを容易に集積できないシリコンベースのフォトニック技術の弱点は大きな欠点となっています。一方、地下鉄や長距離アプリケーションでは、シリコンフォトニクス技術とデジタル信号処理（DSP）を一緒に集積する傾向があり（多くの場合、高温環境下）、レーザーを分離する方が有利です。さらに、コヒーレント検出技術は、暗電流が局部発振器の光電流よりもはるかに小さいという問題など、シリコンフォトニクス技術の欠点を大幅に補うことができます。同時に、シリコンフォトニクス技術は最先端の相補型金属酸化膜半導体（CMOS）よりもはるかに大きなノードサイズを使用しているため、必要なマスクと生産ロットは比較的安価であり、マスクと開発コストをカバーするために大量のウェハ容量が必要だと考えるのも誤りです。