По сравнению с традиционными электрическими соединениями, фотонные технологии обеспечивают высокую пропускную способность и позволяют снизить потери и энергопотребление, связанные с передачей больших объемов данных. Кроме того, некоторые фотонные устройства могут быть интегрированы с КМОП-технологиями и объединены с электронными схемами.

Эти особенности стимулируют использование приемопередатчиков на основе фотонных схем для соединения серверов, ускорителей и других узлов в центрах обработки данных. Согласно прогнозам IDTechEx, рынок таких приложений может достичь 48 миллиардов долларов к 2036 году.

Роль фосфида индия в кремниевой фотонике

Одним из материалов, играющих ключевую роль в этих системах, является фосфид индия (InP), полупроводник на основе соединений III-V групп, используемый, помимо прочего, для производства лазерных источников. Кремний имеет ограничения в отношении эффективной генерации света, поэтому кремниевые фотонные схемы часто комбинируются с материалами III-V групп для включения необходимых оптических источников.

Оптические трансиверы имеют различную архитектуру. Одна из них использует монолитные фотонные схемы на основе InP, в которых такие элементы, как лазеры, модуляторы, фотодиоды и волноводы, могут быть изготовлены на одной и той же материальной платформе.

Такой подход снижает необходимость последующего подключения лазерного источника на основе InP к кремниевой фотонной схеме, хотя и требует большего расхода фосфида индия и использует производственные процессы с меньшими пластинами и иным выходом годных изделий, чем в кремниевой промышленности.

Фотоника на основе InP и кремния — взаимодополняющие технологии

Другая архитектура использует кремний для большей части фотонных схем, а полупроводники III-V групп резервируются для функций, требующих их оптических свойств, особенно для лазерных источников. По этой причине развитие кремниевой фотоники не обязательно означает соответствующее снижение спроса на InP. Однако это может изменить тип и количество компонентов из фосфида индия, необходимых для каждой системы.

В монолитной архитектуре на основе InP значительная часть схемы изготавливается из этого материала. В кремниевых фотонных системах потребление энергии может быть сосредоточено в конкретных устройствах, таких как лазеры непрерывного излучения, которые обеспечивают оптический источник для модуляторов, изготовленных на кремнии.

Индийская цепочка поставок

Растущий спрос на фотонные компоненты ставит под сомнение цепочку поставок фосфида индия. Индий в основном получают в качестве побочного продукта при производстве цинка. Согласно данным, собранным IDTechEx, примерно 70% мировых поставок сосредоточено в Китае.

Географическая концентрация является важным фактором в цепочке поставок. В апреле 2025 года Китай ввел экспортный контроль в отношении ряда материалов, включая индий. Эти меры установили требования к лицензированию для определенных видов экспорта.

После получения и обработки индий соединяется с фосфором для производства подложек из InP. Производство этих пластин требует специализированных процессов и зависит от поставщиков, таких как Sumitomo Electric, AXT, JX Nippon и Freiberger.

От пластин InP до фотонных устройств

После изготовления подложки пластины подвергаются процессам эпитаксиального роста для осаждения различных кристаллических слоев, необходимых для производства устройств. Среди используемых методов — металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы (MOCVD) и молекулярно-лучевая эпитаксия (MBE).

Затем на кремниевых пластинах изготавливаются такие компоненты, как лазеры и модуляторы. Эти устройства могут продаваться по отдельности, интегрироваться в оптические приемопередатчики на основе InP или комбинироваться с кремниевыми фотонными схемами.

Ключевое отличие от традиционного производства кремниевых полупроводников заключается в размере пластин. В то время как кремниевая промышленность обычно использует пластины диаметром 300 мм (12 дюймов), форматы 2, 3 и 4 дюйма остаются распространенными для InP. В ответ на растущий спрос различные производители работают над пластинами большего диаметра. IDTechEx определила проекты, направленные на продвижение к 6-дюймовым пластинам InP.

Производственная цепочка с высокой степенью вертикальной интеграции

Индустрия фосфида индия также демонстрирует высокую степень вертикальной интеграции. Такие компании, как Coherent и Lumentum, контролируют различные этапы цепочки, от производства пластин и эпитаксиального роста до изготовления устройств, лазерных модулей и оптических трансиверов.

Эта модель частично отличается от той, что используется в кремниевой фотонике, где схемы могут изготавливаться на сторонних предприятиях, таких как TSMC, Tower Semiconductor или GlobalFoundries, а затем отправляться компаниям, специализирующимся на сборке и тестировании.

Структура индустрии InP связана с ее историческим использованием в специализированных телекоммуникационных приложениях, характеризующихся относительно небольшими объемами и высокой стоимостью продукции. Специфические знания, необходимые для таких процессов, как эпитаксиальный рост, также привели к тому, что различные этапы производства остаются интегрированными в самих поставщиках.

Спрос на ИИ усиливает давление на предложение

Развитие инфраструктуры, предназначенной для искусственного интеллекта, меняет эту ситуацию. Центрам обработки данных требуются оптические соединения большей пропускной способности для связи серверов, ускорителей и других систем обработки данных.

Этот рост увеличивает спрос на фотонные компоненты и, соответственно, потребность в устройствах на основе InP.

Согласно анализу IDTechEx, ограничения поставок также способствуют развитию кремниевых фотонных архитектур, использующих меньшее количество InP, например, за счет внешних лазеров непрерывного излучения в сочетании с кремниевыми модуляторами.

Новые материалы для фотонных схем

Кремний и фосфид индия — не единственные платформы, разрабатываемые для будущих фотонных интегральных схем.

Среди перспективных материалов — тонкопленочный ниобат лития (TFLN), который изучается для использования в модуляторах и других высокоскоростных фотонных устройствах.

Еще одна разрабатываемая платформа использует титанат бария (BTO), материал, электрооптические свойства которого могут представлять интерес для некоторых применений в области переключения и модуляции.

Эти технологии исследуются для будущих поколений фотонных схем, предназначенных для связи, обработки данных и квантовых технологий.

Эволюция этих платформ, наряду с развитием кремниевой фотоники и доступностью фосфида индия, определит часть развития оптических межсоединений, необходимых для центров обработки данных и высокопроизводительных вычислительных систем.