Im Vergleich zu herkömmlichen elektrischen Verbindungen bieten photonische Technologien eine hohe Bandbreite und reduzieren Verluste und Energieverbrauch bei der Übertragung großer Datenmengen. Darüber hinaus lassen sich bestimmte photonische Bauelemente in CMOS-Prozesse integrieren und mit elektronischen Schaltungen kombinieren.
Diese Eigenschaften treiben den Einsatz von photonischen Schaltkreisen als Transceiver für Verbindungen zwischen Servern, Beschleunigern und anderen Knoten in Rechenzentren voran. Laut Prognosen von IDTechEx könnte der Markt für diese Anwendungen bis 2036 ein Volumen von 48 Milliarden US-Dollar erreichen.
Die Rolle von Indiumphosphid in der Siliziumphotonik
Eines der Materialien, das in diesen Systemen eine Schlüsselrolle spielt, ist Indiumphosphid (InP), ein III-V-Verbindungshalbleiter, der unter anderem zur Herstellung von Laserquellen verwendet wird. Silizium stößt bei der effizienten Lichterzeugung an seine Grenzen, daher werden Silizium-Photonik-Schaltungen häufig mit III-V-Materialien kombiniert, um die notwendigen optischen Quellen zu integrieren.
Optische Transceiver weisen unterschiedliche Architekturen auf. Eine davon verwendet monolithische InP-Photonikschaltungen, in denen Elemente wie Laser, Modulatoren, Fotodioden und Wellenleiter auf derselben Materialplattform hergestellt werden können.
Dieser Ansatz verringert die Notwendigkeit, nachträglich eine InP-Laserquelle an einen Silizium-Photonik-Schaltkreis anzubringen, erfordert jedoch einen höheren Verbrauch an Indiumphosphid und nutzt Herstellungsverfahren mit kleineren Wafern und anderen Ausbeuten als die der Siliziumindustrie.
InP und Siliziumphotonik sind komplementäre Technologien
Eine andere Architektur nutzt Silizium für einen Großteil der photonischen Schaltungen und reserviert III-V-Halbleiter für Funktionen, die deren optische Eigenschaften erfordern, insbesondere Laserquellen. Daher bedeutet das Wachstum der Siliziumphotonik nicht zwangsläufig eine entsprechende Reduzierung der Nachfrage nach InP. Es kann jedoch Art und Menge der für die einzelnen Systeme benötigten Indiumphosphid-Komponenten verändern.
In einer monolithischen InP-Architektur wird ein wesentlicher Teil der Schaltung aus diesem Material gefertigt. In Siliziumphotoniksystemen kann der Verbrauch auf spezifische Bauelemente konzentriert sein, beispielsweise auf Dauerstrichlaser, die die optische Quelle für in Silizium gefertigte Modulatoren bereitstellen.
Die indische Lieferkette
Die gestiegene Nachfrage nach photonischen Bauteilen rückt die Lieferkette für Indiumphosphid in den Fokus. Indium wird hauptsächlich als Nebenprodukt der Zinkproduktion gewonnen. Laut Daten von IDTechEx konzentrieren sich rund 70 % des weltweiten Angebots auf China.
Diese geografische Konzentration ist ein bedeutender Faktor in der Lieferkette. Im April 2025 führte China Exportkontrollen für verschiedene Materialien, darunter Indium, ein. Diese Maßnahmen legten Lizenzpflichten für bestimmte Exporte fest.
Nach der Gewinnung und Verarbeitung wird Indium mit Phosphor zu InP-Substraten kombiniert. Die Herstellung dieser Wafer erfordert spezielle Prozesse und ist auf Zulieferer wie Sumitomo Electric, AXT, JX Nippon und Freiberger angewiesen.
Von InP-Wafern zu photonischen Bauelementen
Nach der Substratherstellung werden die Wafer epitaktischen Wachstumsprozessen unterzogen, um die verschiedenen kristallinen Schichten abzuscheiden, die für die Herstellung der Bauelemente erforderlich sind. Zu den verwendeten Techniken gehören die metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD) und die Molekularstrahlepitaxie (MBE).
Auf den Wafern werden anschließend Komponenten wie Laser und Modulatoren gefertigt. Diese Bauelemente können einzeln verkauft, in optische Transceiver auf InP-Basis integriert oder mit Siliziumphotonik-Schaltungen kombiniert werden.
Ein wesentlicher Unterschied zur herkömmlichen Silizium-Halbleiterfertigung liegt in der Wafergröße. Während in der Siliziumindustrie routinemäßig 300-mm-Wafer (12 Zoll) verwendet werden, sind bei InP-Wafern weiterhin 2-, 3- und 4-Zoll-Formate üblich. Angesichts der steigenden Nachfrage arbeiten verschiedene Hersteller an Wafern mit größerem Durchmesser. IDTechEx hat Projekte identifiziert, die auf die Entwicklung von 6-Zoll-InP-Wafern abzielen.
Eine Produktionskette mit hoher vertikaler Integration
Die Indiumphosphid-Industrie weist ebenfalls einen hohen Grad an vertikaler Integration auf. Unternehmen wie Coherent und Lumentum kontrollieren verschiedene Stufen der Wertschöpfungskette, von Wafern und Epitaxie bis hin zur Herstellung von Bauelementen, Lasermodulen und optischen Transceivern.
Dieses Modell unterscheidet sich teilweise von dem in der Siliziumphotonik verwendeten, wo Schaltkreise in externen Auftragsfertigern wie TSMC, Tower Semiconductor oder GlobalFoundries hergestellt und anschließend an Unternehmen gesendet werden, die sich auf Montage und Prüfung spezialisiert haben.
Die Struktur der InP-Industrie ist eng mit ihrer historischen Verwendung in spezialisierten Telekommunikationsanwendungen verbunden, die sich durch relativ geringe Stückzahlen und hochwertige Produkte auszeichnen. Das für Prozesse wie das Epitaxieverfahren erforderliche spezifische Wissen hat zudem dazu geführt, dass verschiedene Fertigungsstufen weiterhin bei den Zulieferern selbst integriert sind.
Die Nachfrage nach KI erhöht den Druck auf das Angebot
Das Wachstum der Infrastruktur für künstliche Intelligenz verändert diese Landschaft. Rechenzentren benötigen optische Verbindungen mit höherer Kapazität, um Server, Beschleuniger und andere Verarbeitungssysteme miteinander zu verbinden.
Dieser Anstieg erhöht die Nachfrage nach photonischen Bauteilen und damit auch den Bedarf an InP-basierten Bauelementen.
Laut einer Analyse von IDTechEx begünstigen Lieferengpässe auch die Entwicklung von Siliziumphotonik-Architekturen, die eine geringere Menge InP verwenden, beispielsweise durch externe Dauerstrichlaser in Kombination mit Siliziummodulatoren.
Neue Materialien für photonische Schaltkreise
Silizium und Indiumphosphid sind nicht die einzigen Plattformen, die für zukünftige photonische integrierte Schaltungen entwickelt werden.
Zu den neuartigen Materialien zählt Dünnschicht-Lithiumniobat (TFLN), das für Modulatoren und andere photonische Hochgeschwindigkeitsbauelemente untersucht wird.
Eine weitere Plattform, die sich in der Entwicklung befindet, verwendet Bariumtitanat (BTO), ein Material, dessen elektrooptische Eigenschaften für bestimmte Schalt- und Modulationsanwendungen von Interesse sein könnten.
Diese Technologien werden für zukünftige Generationen von photonischen Schaltkreisen erforscht, die für Kommunikations-, Datenverarbeitungs- und Quantentechnologien bestimmt sind.
Die Weiterentwicklung dieser Plattformen wird zusammen mit dem Wachstum der Siliziumphotonik und der Verfügbarkeit von Indiumphosphid einen Teil der Entwicklung der für Rechenzentren und Hochleistungsrechnersysteme benötigten optischen Verbindungen bestimmen.
