Whoscored中文官网 | 编译自 PhotoDelta
在集成光电芯片平台中，没有任何平台可以是全功能的。本文是四篇系列文章的第二部分，我们将仔细研究一种基础材料，它因具有产生光的能力而脱颖而出，可用以制造有源元件：这就是磷化铟（InP）。
为什么磷化铟被广泛地用作光源？
在所有三个主要的集成光电芯片平台中，磷化铟的历史最为悠久，其它二个平台是硅和氮化硅。这有一个很好的理由：如果你想建立一个基于光的电子电路的等同物，你将需要一种不仅能够 "传导 "光，而且能够产生光的材料。这就意味着需要除了制造无源器件外，还能制造有源器件的能力。作为一种所谓的直接带隙（direct band gap）半导体，InP是唯一能够满足这两个条件的材料，而其它两种硅材料则不能。
目前有许多直接带隙半导体，原则上，这些都可以用来制造集成光电芯片。Johan Feenstra认为，从实用的角度来看，InP成为直接带隙半导体的先驱是完全合理的。Feenstra是SMART Photonics公司的首席执行官，该公司是世界上第一家纯粹的InP集成光电芯片代工厂，位于荷兰的埃因霍温。
图1：由SMART Photonics公司生产的InP晶圆图片，其上有多个光电芯片。
Feenstra解释说。"它已经被用于分立元件的光通信技术中。出于向后兼容的考虑，在集成元件时继续使用相同的波长范围是有意义的，因此坚持使用相同的基础材料。然而，如果集成光电芯片产业可以选择任何它想要的材料的话，如果不考虑任何历史因素，它仍然会选择InP，因为它具有所有需要的特性"。
部分基于InP的第一个集成光电芯片（PIC）
在1969年发明了半导体激光器（基本上是 "集成光子技术的晶体管"）之后，1987年报道了第一个由激光器和调制器组成的集成光电芯片。它部分是基于InP的。从那时起，集成在单个InP芯片上的元件数量呈指数级增长，很像电子学的摩尔定律。到现在，在研究环境中制造的单颗集成光电芯片（PIC）达到有一千多个组件。在Feenstra的代工厂，可以做到每块芯片上有数百个组件。
埃因霍温科技大学的InP先驱和PhotonDelta的创始人之一Meint Smit及其同事在2019年写道，至少在未来的二十年里，元件密度将继续增加。尽管研究人员 "还没有预见到当今在电芯片中所达到的集成水平。集成光电芯片的物理尺寸和散热要比电芯片的晶体管大好几个数量级"。在这方面，集成光电芯片类似于模拟芯片和射频芯片，他们的特点是，组件密度比最先进的CMOS芯片要低得多。
磷化铟平台能提供什么？
然而，到目前为止，磷化铟最突出的用途是在光电子领域。InP激光器为世界各地的光通信系统产生光，从光纤连接和网络到自由空间光通信。流媒体公司、移动通信运营商和智能手机制造商都欠InP一个人情。
近年来，InP已经开始承担更多的责任，不仅仅是产生光。由埃因霍温科技大学牵头的数十年的研究工作，为在InP基材上构建成熟的光基集成电路铺平了道路。最初主要用于通信技术，但到现在，它们也被瞄准了汽车、医疗和其他市场的传感器和成像应用。
InP芯片在数据和电信中的应用
InP技术已经开始其商业成熟的轨迹。在通信技术领域，InP的集成光电芯片（PIC）将被应用于数据中心、光纤到X（X是指家庭或任何其他类型的建筑）、连接5G基站和其他许多地方，这只是时间问题。毕竟，随着世界对带宽的渴求不断增加，磷化铟芯片的优势很难被传递: 波分复用提供了用不同波长平行发送信号来提高数据速率的能力；还有操纵相位、振幅和偏振的能力，它比同等电芯片所需要的能量更少。
光通信领域的一个突出竞争者是EFFECT Photonics公司，它是位于埃因霍温的基于InP的光收发器开发商，也是PhotonDelta评选的冠军之一。这家荷兰公司成立于2014年，最近正在迅速转变为一家以收入为导向的制造公司，在国际上开展业务。而EFFECT Photonics公司是SMART Photonics公司的一个客户。
传感应用为新行业打开了大门
InP集成光电芯片的开发最初可能是考虑到用于通信技术，Feenstra观察到，如今该技术在传感器应用中越来越有吸引力了。"光纤通信通常利用以1550纳米为中心的波段，对于较短的距离，利用1310纳米波段，这两个波段都在InP的范围内。这种近红外光也可用于传感器，从汽车激光雷达到健康和环境监测。这些是潜在的非常巨大的市场，就像通信市场一样。"
使用基于InP的集成光电芯片技术的传感器公司有：PhotonFirst公司（广泛用于市场的温度、压力或变形变化的光纤传感器）、Scantinel Photonics公司（汽车激光雷达）和MantiSpectra公司（用于农业食品的便携式光谱仪）。
全球InP产业链图
PhotonDelta和其合作伙伴共同创建了一个全球InP产业链图，其中包括使用磷化铟的集成光电芯片技术相关的机构和组织。
图2：全球磷化铟（InP）产业链图。资料来源。Photondelta。
市场对InP芯片的需求
Feenstra说："InP芯片已经构成了一个每年20亿美元的市场，而且正在迅速增长"。“这些销售中约有一半是相对简单的激光芯片，另一半则是我们公司所关注的更复杂的器件。在过去的几年里，我们观察到对我们服务的兴趣大大增长。我相信这一趋势将继续下去。InP技术无疑是一种有前途的技术，并将在商业环境中大显身手。"
"随着多个市场开始采用基于InP的集成光电芯片，这项技术的商业前景肯定是很好的"。荷兰光子芯片端到端价值链PhotonDelta的市场研究分析师Belinda ten Geuzendam同意。"例如，100+千兆赫兹光收发器的市场预计在未来几年将以每年20%的速度增长。"
"另一个例子是激光雷达市场"，Ten Geuzendam继续说。"这些使用可见光和近红外光来探测和识别移动物体的系统，是自动驾驶汽车需要的一项重要技术。这个市场预计将在未来几年内起飞。2030年售出的汽车中可能有多达四分之一配备了这种激光雷达系统。"
扩大产能
为了适应对InP晶圆需求的预期增长，SMART Photonics公司最近将其产能从每年500片扩大到5000片。"除了增加这一产能外，我们还可以将生产线从3英寸晶圆升级到4英寸晶圆，使产能翻倍。下一步有可能是建立一个能够处理大批量的全新产线"。
逐步扩大产能的时间表并不是一成不变的。"有两个独立的驱动力在起作用。InP芯片传统上是由使用它们来制造通信设备的公司制造的。换句话说，是由垂直整合的公司制造。就像电子行业一样，一旦他们认为这是一个可行的选择，他们可能希望将生产外包给代工厂。另一方面，开发传感器和其他应用的公司，将需要从一开始就要依靠代工厂。所以，他们的需求曲线主要是一个技术和市场发展的问题"。
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