鈮酸鋰材料的研究發展以及薄膜鈮酸鋰調制器的百億市場機遇
一、鈮酸鋰晶體：性能優異，主要應用于光電等領域
1、鈮酸鋰晶體光電效應多，性能穩定可調控性強。
鈮酸鋰（LiNbO3）是鈮、鋰、氧的化合物，是一種自發極化大（室溫時0.70 C/m2）的負性晶體。根據孫軍等《 鈮酸鋰晶體及其應用概述》，鈮酸鋰是目前發現的居里溫度（1210°C）的鐵電體。
鈮酸鋰晶體具有光電效應多、性能可調控性強、物理化學性能穩定、光透過范圍寬等特點。
（1）鈮酸鋰晶體光電效應多，具有包括壓電效應、電光效應、非線性光學效應、光折變效應、光生伏打效應、光彈效應、聲光效應 等多種光電性能；
（2）鈮酸鋰晶體的性能可調控性強，這是由鈮酸鋰晶體的晶格結構和豐富的缺陷結構所造成 ，鈮酸鋰晶體的諸多性能可以通過晶體組分、元素摻雜、價態控制等進行大幅度調控；
（3）鈮酸鋰晶體的物理 化學性能相當穩定，易于加工；
（4）光透過范圍寬，具有較大的雙折射，而且容易制備高質量的光波導，所以 基于鈮酸鋰晶體的聲表面波濾波器、光調制器、相位調制器、光隔離器、電光調Q開關等光電器件在電子技術、 光通信技術、激光技術等領域中得到了廣泛研究和實際應用。
2、發展歷程：鈮酸鋰材料研究近百年
鈮酸鋰材料的研究已經接近100年，可以劃分為三個階段：
階段（ 1928-1965年）：國外對鈮酸鋰的生長工藝和晶格結構展開研究。1928年礦物學家Zachariasian 對鈮酸鋰結構特性開展初步研究；1937年，Sue等實驗合成了鈮酸鋰，但并未引起廣泛關注；直至1949 年，美國Bell實驗室的Matthias 和 Remeika發現其高溫鐵電特性，鈮酸鋰正式進入人們視野；1964年，Bell 實驗室的Ballman利用Czochralski 法成功生長出厘米級鈮酸鋰晶體；1965年， Bell實驗室的Nassau和 Levinstein找到制備單疇鈮酸鋰的方法；1965年，Abrahams等建立新的鐵電與順電相下鈮酸鋰晶格結構模型 ，一直沿用至今。
第二階段（1964-1967年）：國外對鈮酸鋰的特性展開廣泛研究。由于突破了材料生長工藝，獲得了的 晶格模型，1964-1967年，美國Bell實驗室對鈮酸鋰的電光、倍頻、壓電、光折變等特性開展一系列研究。
第三階段（1970年至今）：我國從 1970 年代開始鈮酸鋰晶體生長、缺陷、性能及其應用研究。1980年，南 開大學與西南技術物理所合作發現高摻鎂鈮酸鋰的高抗光損傷性能，該晶體被稱為“中國之星"；同年，南 京大學突破了周期極化鈮酸鋰的生長工藝，從實驗上實現了準相位匹配。
3、分類應用：主要包括聲學級和光學級兩種類型
鈮酸鋰晶體按照應用可以分為聲學級和光學級兩種類型。 光學級鈮酸鋰晶體：具有較大的電光及非線性光學系數、較寬的光透過窗口、較大的雙折射率、能生長出 Kg級的體塊晶體、機械加工性能良好、不潮解等優勢，應用于集成光學波導、波導型激光器、光隔離器用 楔角片、電光波導相位調制器、電光波導強度調制器、準相位匹配激光倍頻器件、光參量振蕩器等領域； 聲學級鈮酸鋰晶體：具有優良的壓電性能、熱穩定性、化學穩定性和機械穩定性，主要應用于聲表面波濾波器等領域。
4、技術方向：薄膜化成為材料重要發展方向
鈮酸鋰薄膜技術及其潛在的集成光子學系統，已經逐漸成為當前光子學研究前沿的“變革性"技術。在基于體材 料鈮酸鋰晶體的光學器件中，光被限制在由離子擴散或質子交換形成的平面波導內，折射率差通常比較小（ ~0.02），器件尺寸比較大，難以滿足光學器件趨于小型化、集成化的需求。而薄膜鈮酸鋰是通過“離子切片" 的方式，從塊狀的鈮酸鋰晶體上剝離出鈮酸鋰薄膜，并鍵合到附有SiO2緩沖層的Si晶片上，形成的薄膜鈮酸鋰材 料。相比于傳統的體材料結構，薄膜鈮酸鋰平臺可以實現更高的集成度、更好的性能。
5、應用領域：光學應用
鈮酸鋰晶體具有優異的電光效應和非線性光學效應，廣泛應用于電光調制器等領域。鈮酸鋰晶體的光電效應非常 豐富，其中電光效應、非線性光學效應性能突出，應用也廣泛。而且鈮酸鋰晶體可以通過質子交換或鈦擴散 制備高品質的光波導，又能夠通過極化翻轉制備周期性極化晶體，所以在電光調制器、相位調制器、集成光開關 、電光調Q開關、電光偏轉、高電壓傳感器、波前探測、光參量振蕩器以及鐵電超晶格等器件中得到廣泛應用。 其中，鈮酸鋰電光調制器是利用鈮酸鋰晶體的線性電光效應實現的，具有高速率、高消光比、低啁啾等優點，適合光通信用高速外調制器，包含幅度調制器、相位調制器等產品。
6、應用領域：壓電應用
鈮酸鋰晶體是優良的壓電材料，廣泛應用于濾波器等領域。鈮酸鋰晶體居里溫度高，壓電效應的溫度系數小，機 電耦合系數高，介電損耗低，晶體物化性能穩定，加工性能良好，又易于制備大尺寸高質量晶體，是一種優良的 壓電晶體材料。與常用的壓電晶體石英相比，鈮酸鋰晶體聲速高，可以制備高頻器件，因此鈮酸鋰晶體可用于諧振器、換能器、延遲線、濾波器等，應用于移動通信、衛星通信、數字信號處理、電視機、廣播、雷達、遙感遙 測等民用領域以及電子對抗、引信、制導等軍事領域。其中，應用廣泛的是聲表面波濾波器件。
聲表面波濾波器（SAW）是采用石英晶體、壓電陶瓷等壓電材料，利用其壓電效應和聲表面波傳播的物理特性而 制成的一種濾波專用器件。其基本原理為在輸入端由壓電效應把無線信號轉換為聲信號在介質表面傳播，在輸出 端由逆壓電效應將聲信號轉換為無線信號。鈮酸鋰壓電晶圓具有優良的壓電性能、熱穩定性、化學穩定性和機械 穩定性，是制作射頻聲表面波濾波器的理想基板材料。
7、產業鏈：國內鈮酸鋰產業鏈趨于完善
鈮酸鋰產業鏈上游材料主要包括鈮酸鋰晶體及薄膜，上游設備主要包括電子束直寫、DUV光刻機等；產業鏈中游 主要是鈮酸鋰電光調制器芯片及器件等，包括體材料鈮酸鋰調制器和薄膜鈮酸鋰調制器；產業鏈下游主要應用于光通信、光纖陀螺、超快激光器、有線電視（CATV）等眾多領域。
8、市場規模：2022年鈮酸鋰晶體市場規模達11.3億元
鈮酸鋰晶體市場穩步增長，2022年市場規模達11.3億元。伴隨下業快速發展，鈮酸鋰晶體市場空間不斷 擴大。根據新思界產業研究中心的《2023-2028年中國鈮酸鋰晶體行業市場深度調研及發展前景預測報告》， 2022年鈮酸鋰晶體市場規模達11.3億元，同比增長3.1%。
光學級是鈮酸鋰晶體的主要類型，2016年占比約60%。根據QYReseach公眾號數據，2016年鈮酸鋰晶體市 場營收為1.24億美元（約8億元），預計2022年達到1.46億美元（約10億元），CAGR為2.26％。其中，光學級 是鈮酸鋰晶體的主要類型，2016年光學級鈮酸鋰晶體銷售收入約0.75億美元，約占銷售收入的60％。此 外， 2016年，日本擁有大的鈮酸鋰晶體出口量和制造商，而歐洲是鈮酸鋰晶體的第二大銷量市場。
9、競爭格局：國內廠商在薄膜鈮酸鋰領域具備卡位優勢
目前，薄膜鈮酸鋰材料的主要參與者包括濟南晶正、上海新硅聚合、廈門博威、Partow Technologies、 SRICO 、NGK Insulators等。其中，濟南晶正在實現了鈮酸鋰單晶薄膜材料的商業化生產，可以提供 3/4/6英寸，厚度為300-900nm的薄膜鈮酸鋰晶圓；上海新硅聚合可以提供4英寸，厚度為300-600nm的薄膜鈮酸 鋰晶圓；廈門博威可以提供4英寸，厚度為300-500nm的薄膜鈮酸鋰晶圓；美國Partow Technologies可以提供 3/4/6英寸，厚度為300-1200nm的薄膜鈮酸鋰晶圓；美國SRICO可以提供3英寸，厚度為1000nm的薄膜鈮酸鋰晶 圓；日本NGK Insulators可以提供厚度為500nm的薄膜鈮酸鋰晶圓。
二、鈮酸鋰調制器：薄膜調制器成長潛力突出，迎國產化機遇
1、鈮酸鋰調制器是當前電光調制器市場的主流產品
電光調制器（EOM）是利用某些電光晶體的電光效應制成的調制器。電光效應是指當電光晶體受到外加電場時， 電光晶體的折射率會發生變化，通過該晶體的光波特性也會相應變化，從而實現對光信號的幅度、相位以及偏振 狀態等參量的調制。電光調制器包括相位調制器、強度調制器、偏振調制器等類型。
鈮酸鋰調制器性能優異，主要用在100G-1.2T的長距骨干網相干通訊和單波100/200G的超高速數據中心上。目前 行業內光調制的技術主要有三種：基于硅光、磷化銦和鈮酸鋰材料平臺的電光調制器。其中，硅光調制器具有低 能耗、低成本等優勢，主要應用在短程的數據通信用收發模塊中；磷化銦調制器主要用在中距和長距光通信網絡 收發模塊；鈮酸鋰調制器具有帶寬高、穩定性好、信噪比高、傳輸損耗小、工藝成熟等優點，是當前電光調制器 市場的主流產品，主要用在100Gbps以上直至1.2Tbps的長距骨干網相干通訊和單波100/200Gbps的超高速數據 中心上。
2、鈮酸鋰調制器的未來——薄膜鈮酸鋰調制器
體材料鈮酸鋰調制器在關鍵性能參數的提升上遭遇瓶頸，且體積較大，不利于集成。傳統鈮酸鋰調制器以體鈮酸 鋰為材料，雖然體材料鈮酸鋰調制器在高速骨干網的傳輸調制中起到關鍵作用，但也存在一定不足：（1）受限于 鈮酸鋰材料中的自由載流子效應，傳統鈮酸鋰基電光調制器的信號質量、帶寬、半波電壓、插入損耗等關鍵性能 參數的提升逐漸遭遇瓶頸，且與CMOS工藝不兼容；（2）由于鈮酸鋰材料和工藝原因，鈮酸鋰調制器的尺寸大小 無法縮小，難以滿足“在光模塊對端口密度越來越大的要求下，對光器件的尺寸要求越來越小"的要求。上述不 足限制了鈮酸鋰在更小及更高要求的下一代網絡中的應用。
薄膜鈮酸鋰調制器具有大帶寬、低功耗、小尺寸等優勢，有望成為調制器未來的重要發展方向。相較于其他光電 子材料，如磷化銦（成本受限）、硅光（性能功耗受限）、鈮酸鋰晶體（尺寸受限），薄膜鈮酸鋰可實現超快電 光效應和高集成度光波導，具有大帶寬、低功耗、低損耗、小尺寸等優異特性，并可實現大尺寸晶圓規模制造， 是非常理想的電光調制器材料。
3、需求：長期薄膜鈮酸鋰調制器市場空間或超百億
2024年調制器芯片及器件市場規模將達226億美元。根據光庫科2021年報援引WinterGreen Research的數據 ，預測2024年調制器芯片及器件市場（包含通信、傳感及其他）將增長至226億美元。
我們認為，隨相干光通信快速滲透，疊加光纖陀螺、超快激光器等非通信市場的需求后，長期薄膜鈮酸鋰調 制器市場規模有望超百億。1）光通信領域，根據我們測算，長期薄膜鈮酸鋰調制器市場規模約59-88億元； 2）光纖陀螺領域，根據我們測算，2024年中國鈮酸鋰調制器市場規模約50-67億元；3）超快激光器領域，根據 我們測算，2024年鈮酸鋰調制器市場規模約3.21億美元（約22億元）。
4、供給：鈮酸鋰調制器行業進入壁壘高
鈮酸鋰調制器屬于技術高、資金重、周期長的行業，行業進入壁壘高。不同于半導體的結構化分工模式，目前光 電子行業，尤其是鈮酸鋰調制器行業，主流公司均采用IDM模式。IDM模式意味著公司需要具備從設計、制 造、封裝測試到銷售的全系列能力。鈮酸鋰調制器類產品設計難度大、工藝極其復雜，在設計、制造工藝、封裝 等各個環節，均存在較高的門檻，屬于技術高、資金重，周期長的行業，較難有“輕資產"公司走出來。
（報告出品方/作者：海通證券，余偉民、徐卓）