การเปรียบเทียบระบบวัสดุวงจรรวมโฟตอนิกส์

การเปรียบเทียบระบบวัสดุวงจรรวมโฟตอนิกส์
รูปที่ 1 แสดงการเปรียบเทียบระบบวัสดุสองชนิด ได้แก่ อินเดียมฟอสฟอรัส (InP) และซิลิคอน (Si) ความหายากของอินเดียมทำให้ InP เป็นวัสดุที่มีราคาแพงกว่า Si เนื่องจากวงจรที่ใช้ซิลิคอนเกี่ยวข้องกับการเจริญเติบโตแบบเอพิแทกเซียลน้อยกว่า ผลผลิตของวงจรที่ใช้ซิลิคอนจึงมักสูงกว่าวงจรที่ใช้ InP ในวงจรที่ใช้ซิลิคอนนั้น เจอร์มาเนียม (Ge) ซึ่งโดยปกติจะใช้เฉพาะในโฟโตดีเทคเตอร์(เครื่องตรวจจับแสงในระบบ InP แม้แต่ตัวนำคลื่นแสงแบบพาสซีฟก็ต้องเตรียมโดยการเจริญเติบโตแบบเอพิแท็กเซียล การเจริญเติบโตแบบเอพิแท็กเซียลมีแนวโน้มที่จะมีความหนาแน่นของข้อบกพร่องสูงกว่าการเจริญเติบโตจากผลึกเดี่ยว เช่น จากแท่งผลึก ตัวนำคลื่นแสง InP มีความแตกต่างของดัชนีหักเหสูงเฉพาะในแนวขวาง ในขณะที่ตัวนำคลื่นแสงที่ใช้ซิลิคอนมีความแตกต่างของดัชนีหักเหสูงทั้งในแนวขวางและแนวยาว ซึ่งทำให้อุปกรณ์ที่ใช้ซิลิคอนสามารถสร้างรัศมีโค้งที่เล็กกว่าและโครงสร้างที่กะทัดรัดกว่าได้ InGaAsP มีช่องว่างแถบพลังงานโดยตรง ในขณะที่ Si และ Ge ไม่มี ดังนั้น ระบบวัสดุ InP จึงเหนือกว่าในแง่ของประสิทธิภาพของเลเซอร์ ออกไซด์ภายในของระบบ InP ไม่เสถียรและแข็งแรงเท่ากับออกไซด์ภายในของ Si หรือซิลิคอนไดออกไซด์ (SiO2) ซิลิคอนเป็นวัสดุที่แข็งแรงกว่า InP ทำให้สามารถใช้เวเฟอร์ขนาดใหญ่ขึ้นได้ เช่น ตั้งแต่ 300 มม. (เร็วๆ นี้จะได้รับการอัพเกรดเป็น 450 มม.) เมื่อเทียบกับ 75 มม. ใน InPตัวปรับสัญญาณโดยทั่วไปแล้วจะขึ้นอยู่กับปรากฏการณ์ควอนตัมคอนไฟน์สตาร์ก (quantum-confined Stark effect) ซึ่งไวต่ออุณหภูมิเนื่องจากการเคลื่อนที่ของขอบแถบพลังงานที่เกิดจากอุณหภูมิ ในทางตรงกันข้าม ตัวปรับสัญญาณที่ใช้ซิลิคอนมีความขึ้นอยู่กับอุณหภูมิน้อยมาก

โดยทั่วไปแล้ว เทคโนโลยีซิลิคอนโฟโตนิกส์ถือว่าเหมาะสมเฉพาะกับผลิตภัณฑ์ต้นทุนต่ำ ระยะสั้น และปริมาณมาก (มากกว่า 1 ล้านชิ้นต่อปี) ทั้งนี้เพราะเป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปว่าต้องใช้กำลังการผลิตเวเฟอร์จำนวนมากเพื่อกระจายต้นทุนการผลิตแม่พิมพ์และการพัฒนา และว่าเทคโนโลยีโฟโตนิกส์ซิลิคอนมีข้อเสียเปรียบด้านประสิทธิภาพอย่างมากในการใช้งานระดับภูมิภาคและระยะไกลระหว่างเมือง แต่ในความเป็นจริงแล้วกลับตรงกันข้าม ในการใช้งานต้นทุนต่ำ ระยะสั้น และผลผลิตสูง เลเซอร์เปล่งแสงพื้นผิวโพรงแนวตั้ง (VCSEL) และเลเซอร์แบบปรับโดยตรง (เลเซอร์ DMLเลเซอร์แบบปรับความถี่โดยตรง (Directly Modulated Laser) สร้างแรงกดดันในการแข่งขันอย่างมาก และจุดอ่อนของเทคโนโลยีโฟโตนิกส์บนซิลิคอนที่ไม่สามารถรวมเลเซอร์ได้ง่ายนั้นกลายเป็นข้อเสียเปรียบอย่างมาก ในทางตรงกันข้าม ในการใช้งานในเมืองและระยะไกล เนื่องจากความนิยมในการรวมเทคโนโลยีโฟโตนิกส์ซิลิคอนและการประมวลผลสัญญาณดิจิทัล (DSP) เข้าด้วยกัน (ซึ่งมักอยู่ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง) การแยกเลเซอร์จึงมีข้อได้เปรียบมากกว่า นอกจากนี้ เทคโนโลยีการตรวจจับแบบโคherent สามารถชดเชยข้อบกพร่องของเทคโนโลยีโฟโตนิกส์ซิลิคอนได้ในระดับมาก เช่น ปัญหาที่กระแสไฟฟ้ามืดมีขนาดเล็กกว่ากระแสไฟฟ้าจากออสซิลเลเตอร์ภายในมาก ในขณะเดียวกัน การคิดว่าต้องใช้กำลังการผลิตเวเฟอร์จำนวนมากเพื่อครอบคลุมค่าใช้จ่ายในการผลิตหน้ากากและการพัฒนา ก็เป็นความเข้าใจผิดเช่นกัน เพราะเทคโนโลยีโฟโตนิกส์ซิลิคอนใช้ขนาดโหนดที่ใหญ่กว่าเซมิคอนดักเตอร์โลหะออกไซด์เสริม (CMOS) ที่ทันสมัยที่สุด ดังนั้นหน้ากากและการผลิตที่ต้องการจึงมีราคาค่อนข้างถูก