薄膜铌酸锂：高速光模块新一代材料，龙头强者恒强，多家公司已经将薄膜铌酸锂调制器技术应用到800G光模块中

随着数据流量爆发与下游应用的丰富，驱动光模块产品向着更小型化、更高速率、更低成本的方向演进。

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光模块发展至800G以及后续1.6T等速率的升级，带动光模块相关技术路线的前瞻研发与迭代升级。近年来，用于高速相干光通信的数字电光调制器需求持续增长。

CignalAI预测，随着高速相干光传输技术不断从长途/干线下沉到区域/数据中心等领域，用于高速相干光通信的数字光调制器需求将持续增长，2024年全球高速相干光调制器出货量将达到200万端口。按照每个端口平均需要1～1.5个调制器，若薄膜铌酸锂调制器体渗透率可达50%，对应的市场空间约82-110亿元。

全球高速相干光调制器出货量：资料来源：CignalAI

铌酸锂行业概览

电光调制器通过调制将通信设备中的高速电子信号转化为光信号，是光通信系统中不可或缺的一环。

当前有三种电光调制器制备方案，根据材料平台不同，可分为硅基方案（硅光）、磷化铟方案和铌酸锂方案三种。

其中，铌酸锂材料性能优势明显。

铌酸锂电光系数显著高于磷化铟，而硅没有直接电光系数，因而铌酸锂调制器是大容量光纤传输网络和高速光电信息处理系统中的关键器件。

铌酸锂方案具有高带宽、低插损、较高消光比、工艺成熟等优点；同时能够充分满足传输距离长、容量大的需求。

可以传输距离长达100公里以上，容量超过100G，在100G/400G相干光通讯网络和超高速数据中心有着广泛的应用。

但是，传统铌酸锂调制器由于尺寸较大，难以满足光器件小型化趋势。

而薄膜铌酸锂调制器在性能和性价比上得到新的提升，在保留铌酸锂调制器原有的性能优势的同时使带宽获得突破；随着尺寸的减小也使单位面板传输密度大大提高，成本方面有进一步下降的空间。

薄膜铌酸锂行业概览

随着薄膜铌酸锂新技术突破，新一代薄膜铌酸锂调制器芯片技术将解决尺寸大不利于集成的问题。

铌酸锂材料通过新型微纳工艺，在硅基衬底上蒸镀二氧化硅（SiO2）层，将铌酸锂衬底高温键合构造出解理面，最后剥离出铌酸锂薄膜。

该工艺下制备出的薄膜铌酸锂调制器芯片突破原有瓶颈，具有高性能、低成本、小尺寸、可批量化生产且与CMOS 工艺兼容等优点，是未来高速光互连极具竞争力的解决方案。

薄膜铌酸锂调制器芯片的关键制备技术为铌酸锂薄膜的图形化。

我国从1970 年代开始铌酸锂晶体生长、缺陷、性能及其应用研究。

1980年，南开大学与西南技术物理所合作发现高掺镁铌酸锂的高抗光损伤性能，该晶体被称为“中国之星”；同年，南京大学突破了周期极化铌酸锂的生长工艺，从实验上实现了准相位匹配。

铌酸锂晶体具有光电效应多、性能可调控性强、物理化学性能稳定、光透过范围宽等特点。

铌酸锂单晶薄膜相对较硬，组分特殊，难以刻蚀。

目前已公开的铌酸锂薄膜图形化技术路线中，主要包括电子束光刻（EBL）+干法刻蚀/湿法刻蚀、紫外+干法刻蚀、DUV+干法刻蚀四种。

其中，相对于湿法刻蚀，干法刻蚀对薄膜铌酸锂的形貌和刻蚀速率的可控性更高，运用EBL+干法刻蚀的路线能够充分发挥电子束光刻加工精度高、版图设计灵活、无需掩膜版直接曝光等优点。

薄膜铌酸锂产业链

国内薄膜铌酸锂产业链已趋于成熟，上游材料主要包括铌酸锂晶体及薄膜，上游设备主要包括电子束直写、DUV光刻机等。

产业链中游主要是铌酸锂调制器芯片及器件等，包括体材料铌酸锂调制器和薄膜铌酸锂调制器。

产业链下游主要应用于光通信、光纤陀螺、超快激光器、有线电视（CATV）等众多领域。

薄膜铌酸锂市场格局

薄膜铌酸锂技术壁垒高，行业先发优势或成卡位关键。

上游铌酸锂晶体方面，全球市场中，德国爱普科斯、日本住友金属矿业、德国KorthKristalle是市场份额排名前三的铌酸锂生产企业。

日本拥有全球最大的铌酸锂晶体出口量和制造商，而欧洲是铌酸锂晶体的第二大销量市场。

与海外发达国家相比，我国铌酸锂晶体行业起步较晚，但发展势头迅猛。

我国铌酸锂晶体市场主要参与者包括福晶科技、德清华莹、天通股份、南智芯材等。

福晶科技是全球非线性光学晶体龙头，开展独立自主研发，能够提供各种规格高质量的铌酸锂晶体，相关产品已成功推向Lumentum等光器件厂商。

薄膜铌酸锂材料的主要参与者包括济南晶正、上海新硅聚合、厦门博威、PartowTechnologies、SRICO 、NGK Insulators等。

铌酸锂调制器是当前电光调制器市场的主流产品。主要用在100G-1.2T的长距骨干网相干通讯和单波100/200G的超高速数据中心上。

由于电信级高速调制器芯片产品设计难度大，工艺非常复杂，截至2022年底全球仅有三家主要供应商可以批量供货，分别是日本富士通、日本住友以及中国光库科技。

其中，富士通占据传统铌酸锂约 70%的全球市场份额。

富士通薄膜铌酸锂调制器较体材料铌酸锂产品尺寸缩小60%:

光库科技在2019年收购Lumentum的铌酸锂高速率调制器生产线进入该领域，掌握了包括芯片设计、芯片制程、封装和测试等核心技术，具备开发800G及以上速率的薄膜铌酸锂调制器芯片和器件的关键能力，目前是国内少数可以提供铌酸锂技术的厂家之一。

2022 年光库科技已经发布了两款相干调制器和两款强度调制器产品。

OFC2023 光库科技展示了两款产品：

同时，多家公司已经将薄膜铌酸锂调制器技术应用到800G光模块中。

新易盛在OFC2023上展示了基于薄膜铌酸锂调制器的800G OSFP DR8光模块，功耗仅为11.2W；光库科技在美国西部光电展上展示了薄膜铌酸锂强度调制器产品“C+L波段70GHz 强度调制器（AM70）。

尽管近年来国内厂商在无源芯片与器件领域已经占据一定份额，有源器件封装技术也有显著进步，与国外企业的技术差距逐步缩小，但整体上来看，目前我国光通信高端核心芯片90%以上需要进口，光子集成芯片仍是发展最为薄弱的环节，成为制约我国光器件和模块发展的瓶颈。

根据《中国光电子器件产业技术发展路线图（2018-2022年）》，铌酸锂调制器芯片及器件要不断替代进口，扩大市占率，并于2022年实现市占率超过30%。

此外，旭创科技产品管理副总经理丁海表示，到2025年，相干市场规模将仅次于以太网市场。

而针对相干光模块的技术演进，在光、电芯片技术发展方面，800ZR的光模块产品可能会用到5nm甚至更先进制程的DSP芯片、硅基混合集成光芯片和Flip Chip工艺等先进封装技术，相干光收发组件要能支持96/128GBaud、DP-64QAM/DP-16QAM高阶调制的信号。

当波特率达到128GBd时，光芯片的带宽至少要70~80GHz，基于硅光材料的调制器可能无法支持如此高的速率，而传统III-V材料的光调制器理论上可以达到，但实现难度也会相当大。

近年来由于薄膜铌酸锂芯片加工技术的突破，使铌酸锂调制器也可以实现小尺寸和高带宽，因此被认为是实现100GBd及以上的光调制器的潜在技术方向。

由于铌酸锂调制器行业进入壁垒高且参与者较少，国内厂商有望充分受益于国产化替代需求所带来的发展机遇。