Comparativement aux interconnexions électriques classiques, les technologies photoniques offrent une large bande passante et réduisent les pertes et la consommation d'énergie liées à la transmission de gros volumes de données. De plus, certains dispositifs photoniques peuvent être intégrés aux procédés CMOS et combinés à des circuits électroniques.
Ces caractéristiques favorisent l'utilisation d'émetteurs-récepteurs à circuits photoniques pour les connexions entre serveurs, accélérateurs et autres nœuds des centres de données. Selon les prévisions d'IDTechEx, le marché de ces applications pourrait atteindre 48 milliards de dollars d'ici 2036.
Le rôle du phosphure d'indium en photonique sur silicium
L'un des matériaux clés de ces systèmes est le phosphure d'indium (InP), un semi-conducteur composé III-V utilisé, entre autres applications, pour la fabrication de sources laser. Le silicium présentant des limitations en matière de génération de lumière efficace, les circuits photoniques en silicium sont souvent associés à des matériaux III-V pour intégrer les sources optiques nécessaires.
Les émetteurs-récepteurs optiques présentent différentes architectures. L'une d'elles utilise des circuits photoniques monolithiques en InP, dans lesquels des éléments tels que des lasers, des modulateurs, des photodiodes et des guides d'ondes peuvent être fabriqués sur une même plateforme matérielle.
Cette approche réduit la nécessité de connecter ultérieurement une source laser InP à un circuit photonique en silicium, bien qu'elle nécessite une consommation plus élevée de phosphure d'indium et utilise des procédés de fabrication avec des plaquettes plus petites et des rendements différents de ceux de l'industrie du silicium.
La photonique sur InP et sur silicium sont des technologies complémentaires
Une autre architecture utilise le silicium pour la majeure partie des circuits photoniques et réserve les semi-conducteurs III-V aux fonctions nécessitant leurs propriétés optiques, notamment les sources laser. De ce fait, le développement de la photonique sur silicium n'implique pas nécessairement une réduction de la demande en phosphure d'indium (InP). Il peut toutefois modifier le type et la quantité de composants en phosphure d'indium requis pour chaque système.
Dans une architecture monolithique InP, une part importante du circuit est fabriquée à partir de ce matériau. Dans les systèmes photoniques sur silicium, la consommation peut être concentrée dans des dispositifs spécifiques, tels que les lasers à onde continue qui fournissent la source optique aux modulateurs fabriqués sur silicium.
La chaîne d'approvisionnement indienne
La demande croissante de composants photoniques met en péril la chaîne d'approvisionnement en phosphure d'indium. L'indium est principalement obtenu comme sous-produit de la production de zinc. Selon les données compilées par IDTechEx, environ 70 % de l'offre mondiale est concentrée en Chine.
Cette concentration géographique constitue un facteur important dans la chaîne d'approvisionnement. En avril 2025, la Chine a instauré des contrôles à l'exportation sur plusieurs matériaux, dont l'indium. Ces mesures ont établi des exigences en matière de licences pour certaines exportations.
Une fois obtenu et traité, l'indium est combiné au phosphore pour fabriquer des substrats d'InP. La production de ces plaquettes nécessite des procédés spécialisés et fait appel à des fournisseurs tels que Sumitomo Electric, AXT, JX Nippon et Freiberger.
Des plaquettes d'InP aux dispositifs photoniques
Après la fabrication du substrat, les plaquettes subissent des procédés de croissance épitaxiale pour déposer les différentes couches cristallines nécessaires à la fabrication des dispositifs. Parmi les techniques utilisées figurent le dépôt chimique en phase vapeur aux organométalliques (MOCVD) et l'épitaxie par jets moléculaires (MBE).
Des composants tels que des lasers et des modulateurs sont ensuite fabriqués sur les plaquettes. Ces dispositifs peuvent être vendus individuellement, intégrés dans des émetteurs-récepteurs optiques à base d'InP ou combinés à des circuits photoniques sur silicium.
Une différence majeure par rapport à la fabrication conventionnelle de semi-conducteurs en silicium réside dans la taille des plaquettes. Alors que l'industrie du silicium utilise couramment des plaquettes de 300 mm (12 pouces), les formats 2, 3 et 4 pouces restent fréquents pour l'InP. Face à une demande croissante, plusieurs fabricants travaillent sur des plaquettes de plus grand diamètre. IDTechEx a recensé des projets visant à développer des plaquettes InP de 6 pouces.
Une chaîne de production à forte intégration verticale
L'industrie du phosphure d'indium présente également un degré élevé d'intégration verticale. Des entreprises comme Coherent et Lumentum contrôlent différentes étapes de la chaîne, depuis les plaquettes et la croissance épitaxiale jusqu'à la fabrication des dispositifs, des modules laser et des émetteurs-récepteurs optiques.
Ce modèle diffère partiellement de celui utilisé en photonique sur silicium, où les circuits peuvent être fabriqués dans des fonderies externes telles que TSMC, Tower Semiconductor ou GlobalFoundries, puis envoyés à des entreprises spécialisées dans l'assemblage et les tests.
La structure de l'industrie InP est liée à son utilisation historique dans des applications de télécommunications spécialisées, caractérisées par des volumes relativement faibles et des produits à forte valeur ajoutée. Le savoir-faire spécifique requis pour des procédés tels que la croissance épitaxiale a également conduit à l'intégration de différentes étapes de fabrication au sein même des fournisseurs.
La demande en IA accroît la pression sur l'offre
Le développement des infrastructures dédiées à l'intelligence artificielle transforme ce paysage. Les centres de données nécessitent des connexions optiques à plus haute capacité pour relier les serveurs, les accélérateurs et autres systèmes de traitement.
Cette augmentation accroît la demande en composants photoniques et, par conséquent, le besoin en dispositifs à base d'InP.
Selon l'analyse d'IDTechEx, les contraintes d'approvisionnement favorisent également le développement d'architectures photoniques sur silicium utilisant une plus petite quantité d'InP, par exemple grâce à des lasers à onde continue externes combinés à des modulateurs en silicium.
Nouveaux matériaux pour les circuits photoniques
Le silicium et le phosphure d'indium ne sont pas les seules plateformes développées pour les futurs circuits intégrés photoniques.
Parmi les matériaux émergents figure le niobate de lithium en couches minces (TFLN), qui est étudié pour les modulateurs et autres dispositifs photoniques à haute vitesse.
Une autre plateforme en cours de développement utilise le titanate de baryum (BTO), un matériau dont les propriétés électro-optiques peuvent être intéressantes pour certaines applications de commutation et de modulation.
Ces technologies font l'objet de recherches pour les futures générations de circuits photoniques destinés aux communications, au traitement des données et aux technologies quantiques.
L'évolution de ces plateformes, ainsi que la croissance de la photonique sur silicium et la disponibilité du phosphure d'indium, détermineront en partie le développement des interconnexions optiques nécessaires aux centres de données et aux systèmes de calcul haute performance.
