逍遙科技 | 編譯自 PhotoDelta
在集成光電芯片平臺中，沒有任何平臺可以是全功能的。本文是四篇系列文章的第二部分，我們將仔細研究一種基礎材料，它因具有產生光的能力而脫穎而出，可用以制造有源元件：這就是磷化銦（InP）。
為什麼磷化銦被廣泛地用作光源？
在所有三個主要的集成光電芯片平臺中，磷化銦的歷史最為悠久，其它二個平臺是矽和氮化矽。這有一個很好的理由：如果你想建立一個基於光的電子電路的等同物，你將需要一種不僅能夠 "傳導 "光，而且能夠產生光的材料。這就意味著需要除瞭制造無源器件外，還能制造有源器件的能力。作為一種所謂的直接帶隙（direct band gap）半導體，InP是唯一能夠滿足這兩個條件的材料，而其它兩種矽材料則不能。
目前有許多直接帶隙半導體，原則上，這些都可以用來制造集成光電芯片。Johan Feenstra認為，從實用的角度來看，InP成為直接帶隙半導體的先驅是完全合理的。Feenstra是SMART Photonics公司的首席執行官，該公司是世界上第一傢純粹的InP集成光電芯片代工廠，位於荷蘭的埃因霍溫。
圖1：由SMART Photonics公司生產的InP晶圓圖片，其上有多個光電芯片。
Feenstra解釋說。"它已經被用於分立元件的光通信技術中。出於向後兼容的考慮，在集成元件時繼續使用相同的波長范圍是有意義的，因此堅持使用相同的基礎材料。然而，如果集成光電芯片產業可以選擇任何它想要的材料的話，如果不考慮任何歷史因素，它仍然會選擇InP，因為它具有所有需要的特性"。
部分基於InP的第一個集成光電芯片（PIC）
在1969年發明瞭半導體激光器（基本上是 "集成光子技術的晶體管"）之後，1987年報道瞭第一個由激光器和調制器組成的集成光電芯片。它部分是基於InP的。從那時起，集成在單個InP芯片上的元件數量呈指數級增長，很像電子學的摩爾定律。到現在，在研究環境中制造的單顆集成光電芯片（PIC）達到有一千多個組件。在Feenstra的代工廠，可以做到每塊芯片上有數百個組件。
埃因霍溫科技大學的InP先驅和PhotonDelta的創始人之一Meint Smit及其同事在2019年寫道，至少在未來的二十年裡，元件密度將繼續增加。盡管研究人員 "還沒有預見到當今在電芯片中所達到的集成水平。集成光電芯片的物理尺寸和散熱要比電芯片的晶體管大好幾個數量級"。在這方面，集成光電芯片類似於模擬芯片和射頻芯片，他們的特點是，組件密度比最先進的CMOS芯片要低得多。
磷化銦平臺能提供什麼？
然而，到目前為止，磷化銦最突出的用途是在光電子領域。InP激光器為世界各地的光通信系統產生光，從光纖連接和網絡到自由空間光通信。流媒體公司、移動通信運營商和智能手機制造商都欠InP一個人情。
近年來，InP已經開始承擔更多的責任，不僅僅是產生光。由埃因霍溫科技大學牽頭的數十年的研究工作，為在InP基材上構建成熟的光基集成電路鋪平瞭道路。最初主要用於通信技術，但到現在，它們也被瞄準瞭汽車、醫療和其他市場的傳感器和成像應用。
InP芯片在數據和電信中的應用
InP技術已經開始其商業成熟的軌跡。在通信技術領域，InP的集成光電芯片（PIC）將被應用於數據中心、光纖到X（X是指傢庭或任何其他類型的建築）、連接5G基站和其他許多地方，這隻是時間問題。畢竟，隨著世界對帶寬的渴求不斷增加，磷化銦芯片的優勢很難被傳遞: 波分復用提供瞭用不同波長平行發送信號來提高數據速率的能力；還有操縱相位、振幅和偏振的能力，它比同等電芯片所需要的能量更少。
光通信領域的一個突出競爭者是EFFECT Photonics公司，它是位於埃因霍溫的基於InP的光收發器開發商，也是PhotonDelta評選的冠軍之一。這傢荷蘭公司成立於2014年，最近正在迅速轉變為一傢以收入為導向的制造公司，在國際上開展業務。而EFFECT Photonics公司是SMART Photonics公司的一個客戶。
傳感應用為新行業打開瞭大門
InP集成光電芯片的開發最初可能是考慮到用於通信技術，Feenstra觀察到，如今該技術在傳感器應用中越來越有吸引力瞭。"光纖通信通常利用以1550納米為中心的波段，對於較短的距離，利用1310納米波段，這兩個波段都在InP的范圍內。這種近紅外光也可用於傳感器，從汽車激光雷達到健康和環境監測。這些是潛在的非常巨大的市場，就像通信市場一樣。"
使用基於InP的集成光電芯片技術的傳感器公司有：PhotonFirst公司（廣泛用於市場的溫度、壓力或變形變化的光纖傳感器）、Scantinel Photonics公司（汽車激光雷達）和MantiSpectra公司（用於農業食品的便攜式光譜儀）。
全球InP產業鏈圖
PhotonDelta和其合作夥伴共同創建瞭一個全球InP產業鏈圖，其中包括使用磷化銦的集成光電芯片技術相關的機構和組織。
圖2：全球磷化銦（InP）產業鏈圖。資料來源。Photondelta。
市場對InP芯片的需求
Feenstra說："InP芯片已經構成瞭一個每年20億美元的市場，而且正在迅速增長"。“這些銷售中約有一半是相對簡單的激光芯片，另一半則是我們公司所關註的更復雜的器件。在過去的幾年裡，我們觀察到對我們服務的興趣大大增長。我相信這一趨勢將繼續下去。InP技術無疑是一種有前途的技術，並將在商業環境中大顯身手。"
"隨著多個市場開始采用基於InP的集成光電芯片，這項技術的商業前景肯定是很好的"。荷蘭光子芯片端到端價值鏈PhotonDelta的市場研究分析師Belinda ten Geuzendam同意。"例如，100+千兆赫茲光收發器的市場預計在未來幾年將以每年20%的速度增長。"
"另一個例子是激光雷達市場"，Ten Geuzendam繼續說。"這些使用可見光和近紅外光來探測和識別移動物體的系統，是自動駕駛汽車需要的一項重要技術。這個市場預計將在未來幾年內起飛。2030年售出的汽車中可能有多達四分之一配備瞭這種激光雷達系統。"
擴大產能
為瞭適應對InP晶圓需求的預期增長，SMART Photonics公司最近將其產能從每年500片擴大到5000片。"除瞭增加這一產能外，我們還可以將生產線從3英寸晶圓升級到4英寸晶圓，使產能翻倍。下一步有可能是建立一個能夠處理大批量的全新產線"。
逐步擴大產能的時間表並不是一成不變的。"有兩個獨立的驅動力在起作用。InP芯片傳統上是由使用它們來制造通信設備的公司制造的。換句話說，是由垂直整合的公司制造。就像電子行業一樣，一旦他們認為這是一個可行的選擇，他們可能希望將生產外包給代工廠。另一方面，開發傳感器和其他應用的公司，將需要從一開始就要依靠代工廠。所以，他們的需求曲線主要是一個技術和市場發展的問題"。
