大型铌酸锂芯片市场被国外厂商垄断,未来可以期待国内替代

要点：

人工智能对计算能力的需求是加速光模块迭代到800G以上的主要驱动力。光通信是计算能力网络的重要基础和坚实基础。800G光模块具有高速传输、高密度、低功耗、高可靠性等特点，可广泛应用于IDC数据中心、光通信骨干网络等应用场景。所以AIGC 光模块的快速发展将加速 800G 以上产品迭代。根据Light counting预测，800g光模块预计将从2025年底开始主导市场。据销售口径统计，800g光模块的比例有望从2022年的7%上升到2025年的50%，达到16亿美元。

调制器是光模块的核心部件之一，铌酸锂材料也是调制器的重要组成部分。调制器是光模块的重要组成部分之一，其主要功能是将电信号转换为可传输的光信号。据头豹研究院2022年6月报道，光器件成本约占中端光模块的73%；根据光库科技2020年8月的公告，预计2023年直接材料成本比例将达到59%，因此镍酸锂材料也是调制器的重要组成部分之一。

薄膜铌酸锂调制器适用于高速光模块，龙头企业有布局。常见的电光调制器可分为硅基调制器、磷化镓调制器和铌酸锂调制器。薄膜铌酸锂调制器具有尺寸小、带宽大的优点，适用于800G等高速光模块场景。基于硅基的调制器速率约为60-90gbaud，磷化镓（InP）调制器可达130Gbaud，薄膜铌酸锂调制器现有产品速率可达260 Gbaud。因此，接下来的800G是随之而来的、推进1.6T甚至更高速率的光模块，光/电单信道200 Gbit铌酸锂技术路线将在未来普及/s技术。新一盛、联特科技等国内龙头企业都有铌酸锂产品或产业布局，华为及其子公司哈勃投资参与了铌酸锂晶体和薄膜铌酸锂企业。

大型铌酸锂晶体制备工艺难度大，长晶热场设计或核心环节之一。由于下游设备向小型化、批量化、低成本方向发展，也要求铌酸锂晶体材料向大尺寸方向发展，对于大尺寸（6-10英寸）铌酸锂单晶生长，生长界面温度控制困难、继承缺陷、晶体热应力问题，容易导致晶体开裂，因此热场设计或单晶生长过程中最重要的环节之一。天通凯巨(天通股份有限公司)等国内已有、南智芯材、德清华莹(央企中电科技控股、华为参股)等企业布局大型产品。

大型铌酸锂晶片市场被国外厂商垄断，未来可以期待国内替代。全球铌酸锂单晶行业的主要企业是日本信越化学、日本居民金属、德国爱普科斯、德国Korth Kristalle、台湾兆远科技、德清华莹、中国大陆天通股份等。据共研网统计，2021年国内铌酸锂企业产能主要集中在德清华莹和天通，约占40%。目前，大型铌酸锂晶片市场仍被国外厂商垄断，国产率低于5%。从各公司铌酸锂晶体产品指标的比较来看，如厚度偏差、翘曲度、透光范围等核心指标，国内企业已接近日本居民金属、德国Korth等国外第一梯队 Kristalle等企业，国产替代值得期待。

预计2025年全球铌酸锂晶体市场规模将达到35.0-40.4亿元。综合考虑声学级铌酸锂晶体在SAW滤波器下游的应用，以及光学级铌酸锂晶体在光模块和光纤陀螺仪下游的应用，预计2025年全球铌酸锂晶体市场规模预计将达到35.0-40.4亿元，2022-2025年CAGR 17.9%-23.6%，薄膜铌酸锂在光模块领域的市场规模预计将达到7.2%-19.6%。

投资建议:天通股份，国内布局铌酸锂晶体材料。

风险提示：滤波器、光模块需求低于预期，替代品技术路线发展迅速。

1、计算能需求的增长催生了800G光模块的需求

计算能力是数字经济时代的新生产力，已成为促进数字经济发展的核心力量，支持数字经济发展的坚实基础，在促进科技进步、产业数字化转型、支持经济社会发展方面发挥着重要作用。

根据中国信通院《中国计算力发展指数白皮书(2021年) 》计算，计算能力每投资1元，将带动3-4元的经济产出。在IDC、在清华大学联合编制的《2022-2023全球计算能力指数评估报告》中，IDC通过计算样本国的IT支出与数字经济和GDP的投入产出比，每投资一美元的IT支出可以带动15美元的数字经济产出和29美元的GDP产出。

此外，《2022-2023全球计算能力指数评估报告》还显示，15个样本国家的计算能力指数平均每上升1点，数字经济和GDP分别增长3.6‰和1.7‰，预计这一趋势将在2023年至2026年继续保持。

就计算能力水平而言，根据《中国计算能力发展指数白皮书（2022年）》，美国、中国、欧洲和日本在全球计算能力规模中的份额分别为34%、33%、以美国和中国为第一梯队，全球基本计算能力竞争的14%和5%，差距不断缩小。据中国信息通信研究院称，2021年中国计算机设备总计算能力达到202EFlops，全球约占33%，保持高速增长50%以上，高于全球增长；其中，基本计算能力、智能计算能力和超计算能力分别为95EFlops、104EFlops、3EFlops的同比增长率分别为24%、85%和30%。

计算能力发展直接影响人工智能，Chat GPT的推出引起了全球的广泛关注，AIGC具有很强的市场潜力。在IDC预测中，全球AI计算市场规模将从2022年195.0亿美元增加到2026年346.6亿美元，CAGR将达到15.46%，其中生成式AI计算市场规模将从2022年8.2亿美元增加到2026年109.9亿美元。人工智能的快速发展促进了计算能力需求的快速增长。

光通信是计算网络的重要基础和坚实基础，预计将进一步促进海外云巨头对数据中心硬件设备的需求增长和技术升级。根据Light counting 预测未来全球光模块的市场规模 5 年将以 2027年CAGR11%保持增长 年将突破200 亿美元。800g光模块具有高速传输、高密度、低功耗、高可靠性等特点，可广泛应用于IDC数据中心、光通信骨干网等应用场景。AIGC 快速发展将进一步促进数据流量和ICT的持续增长，包括光模块 加快产业发展，加快光模块向 800G 以上产品迭代。

800G光模块是最新一代光传输系统的标准配置，具有巨大的市场潜力。行业知名研究机构Light Counting预测，800G光模块预计将从2025年开始主导市场。据销售口径统计，400g光模块的市场规模预计将从2022年的11亿美元下降到2025年的8亿美元；800g光模块的市场规模预计将从2022年的2亿美元上升到2025年的16亿美元，800g光模块的比例预计将从2022年的7%上升到2025年的50%。

2、调制器是光模块的核心部件之一

在光通信网络中，光模块是光纤通信系统的核心设备，是交换机与设备之间传输的载体，主要用于聚合交换机、核心路由器等光网络通信设备OLT、DSLAM等设备的光接口。

光模块是一个功能模块，是光电和电光转换的光电子配件，是光收发的集成模块（Optical Transceiver）。光模块的主要功能是将设备的电信号转换为光信号，接收器将光信号转换为设备的电信号，实现光电信号的转换。

光模块电子元件主要由激光器、调制器、接收器和控制芯片组成。激光器是光模块中最重要的部件之一，其功率和稳定性直接决定了数据传输的质量。调制器是光模块的另一个重要组成部分，其主要功能是将电信号转换为可传输的光信号，即将数字信号或模拟信号调制到激光输出的光波中，实现数字光传输。接收器是光模块中用于接收光信号的元件，其主要功能是将接收到的光信号转换为电信号，供后续电子设备处理。为了提高信号质量，降低噪音，接收器在接收光信号时需要放大和滤波。

根据头豹研究院2022年6月的数据，光器件成本约占中端光模块的73%，电路芯片成本约占18%。在光器件中，光发射器件和光接收器件的总比例约为80%。根据2020年8月光库科技公告，预计2023年直接材料成本最高，达到59%。

3、薄膜钼酸锂调制器具有尺寸小、带宽大的优点，适用于高速光模块

3.1、梳理各种调制器

根据调制光的属性，光调制器可分为振幅调制器、偏振调制器、相位调制器、波长调制器等。根据光调制中使用的材料的光学特性，可分为折射率调制器和吸收调制器。根据不同的工作原理，光学调制器可分为声光、电光、全光调制器等。

光通信行业使用的调制器一般是电光调制器，是现代通信行业的核心组成部分。通过将通信设备中的高速电子信号转换为光信号，实现光纤中信息的远程高速传输。光调制器的性能不仅决定了发射光信号的代码率、质量和传输距离，也决定了光模块的尺寸和功耗。因此，电光调制器是高速光通信链路的核心设备之一。目前，常见的电光调制器主要分为硅基调制器、石墨烯调制器、磷化锆（Indium Phosphide，InP）聚合物调制器和铌酸锂调制器（Lithium Niobate，LN）调制器等。

硅基调制器利用硅材料的等离子色散效应来控制光场，从而实现高速电光转换。硅基调制器具有尺寸小、工艺兼容、制造成本低等优点。然而，由于硅材料中载流子的迁移速度有限，硅基调制器的线性度较差，这将影响整个微波光子系统的动态范围。此外，硅基调制器的消光量相对较小，因此不适用于长途通信场景。

对于石墨烯调制器，可通过化学混合或偏置电压调节石墨烯中的载流子浓度，从而实现石墨烯的光吸收能力。但石墨烯调制器能耗大，不适用于长距离传输系统，石墨烯调制器不能承受高功率电信号的驱动。

InP调制器中的电光转换是由量子陷阱限制的（Quantum-Confined Stark Effect，QCSE）实现的主要原理是控制外加电场的变化，导致载流子的变化，实现折射率的变化，但同时伴随着电吸收。由于 InP 属于 III-V 因此INP是一种民族材料 调制器可与激光器和探测器单片集成，但面临电光调制带宽受载流子迁移速率限制、调制线性差、设备损耗大的缺点。

有机聚合物电光调制器是利用有机聚合物极化后，在外部电场的作用下，材料的折射率会随电场的变化而变化，从而实现电光调制。虽然有机聚合物电光调制器的调制带宽较大，但可能会退化老化，导致信号传输不稳定。

铌酸锂材料具有较强的电光效应，其折射率随外部驱动电压线性变化，是实现电光调节功能的重要材料之一。一般来说，铌酸锂调制器的响应时间在飞秒级以上，透明窗宽，温度特性好。因此，铌酸锂可以实现快速稳定的电光调制。目前，大多数商用铌酸锂调制器使用基于钛扩散或质子交换的块状材料铌酸锂。这些波导纤芯与包层之间的折射率对比度较低，其光学模式尺寸很大。弱光学限制要求金属电极远离光波导，降低电光效率。上述原因导致传统铌酸锂调制器尺寸较大，需要较高的驱动电压。此外，传统的分立式铌酸锂装置不能在片上集成，不利于系统集成的进一步发展。

近年来，随着材料、光子集成、微纳加工等相关科学技术的快速发展，出现了许多高调制速率、低功耗、低成本、高集成度的电光调制器，其中最典型的是薄膜铌酸锂调制器。物理材料铌酸锂电光调制器中的波导对光学模式的限制较弱，导致设备电光调制效率低，设备半波电压高、带宽有限、尺寸大等不足。与传统的物理材料铌酸锂相比，薄膜铌酸锂可以大大缩短调制电极与波导之间的间距，同时继承其固有的线性光效应强、光损耗低的优点，从而获得更大的光调制效率。

3.2、铌酸锂调制器具有较高的速率，符合单波200G及以上的发展趋势

根据华经工业研究院的观点，目前行业内有三种主流电光调制器，其基础分别为硅、磷化锆和铌酸锂，可根据其优缺点适用于不同通信距离的应用场景。基于硅基的调制器速率约为60-90gbaud，基于磷化镓（InP）基于LiNbo3的调制器可以达到130Gbaud，而基于LiNbo3的调制器可能超过130Gbaud。基于这一优势，铌酸锂调制器在长途相干光传输和超高速数据中心具有良好的竞争力，主要用于 100Gbps 以上长距骨干网相干通信及单波 100/200Gbps 超高速数据中心。

根据OFweek 目前，铌奥光电开发的薄膜铌酸锂调制器芯片已实现超低驱动电压（Vπ＜1V）和高速（最新记录为260gbaud）。实现高速光通信和高性能微波光子系统的理想途径是具有低半波电压、大调制带宽、低光学损耗、高线性和高消光率的优点。

根据头豹研究院的观点，QSFP-DD是400G光模块的主流包装形式，主要通过8*50Gbps实现400G速率，后续800G、1.6T甚至更高速率光模块的推广也将促进单波100G以上技术的持续发展。根据中兴光电子技术有限公司《800gbit/s光模块技术与应用》的观点，从长远来看(2026年前)，光/电单信道200gbit/s技术将普及；短期来看(2024年前)，因为单信道200 Gbit/s光电芯片器件和平衡技术尚不成熟，行业仍需时间突破相关技术瓶颈，因此，铌酸锂的技术路线在未来是可以预见的。

3.3、国内外行业龙头企业已布局铌酸锂调制器路线

考虑到薄膜铌酸锂材料的优异性能，新一生、联特科技等主要光模块制造商以及供应商光迅科技和华工科技都布局了铌酸锂技术路线。

4、长晶或核心环节，国内企业的部分产品指标已接近国外第一梯队

4.1、铌酸锂单晶生长过程中的热场设计或核心制备环节

铌酸锂需要经过几十个过程，如单晶生长、退火极化和定向。制备过程复杂，工艺难度大。目前，天通股份等国内一些厂商已经掌握了单晶生长、切片、黑化、抛光等技术申请专利。

由于下游设备向小型化、批量化、低成本方向发展，也要求铌酸锂晶体材料向大尺寸方向发展，其中单晶生长是核心环节之一。根据徐秋峰专利《大型铌酸锂晶体制备方法》：

国内现有的铌酸锂产品主要为4英寸。对于大尺寸（6英寸、8英寸、10英寸）铌酸锂的单晶生长，存在生长界面温度场调节困难、继承缺陷多、晶体热应力大等问题，容易导致晶体开裂。同时，大型铌酸锂晶体边际温度高，使锂离子容易在高温下挥发，导致铌酸锂晶体存在大量的本质缺陷，晶体内部温度不稳定，一致性差，严重影响晶体质量，限制了其在许多领域的应用。

因此，热场设计是单晶生长过程中最重要的环节之一。CN113529170A发明专利公开了一种大型铌酸锂单晶生长方法，采用提升法制备小型晶体，小型晶体生长后提升细颈，然后进入肩、等径、终端阶段，完成大型铌酸锂单晶生长，解决中心热对流的不利问题。CN111206282A发明专利公开了一种8英寸铌酸锂晶体的生产方法，采用多层温度场，确保温度场均匀无突变，避免晶体多晶体和开裂；制备多晶原料，确保晶体内温度稳定。2023年5月8日，位于徐州经济开发区的天通凯巨科技有限公司铌酸锂大型晶片项目正式批量生产，意味着成功突破光通信领域关键原材料的“颈”技术，实现定位替代。

4.2、大型铌酸锂晶片仍被外国制造商垄断，但国内企业的部分产品指标已接近国外第一梯队

全球铌酸锂单晶行业的主要企业是日本信越化学、日本居民金属、德国爱普科斯、德国Korth Kristalle、台湾兆远科技、德清华莹、中国大陆天通股份等。据共研网统计，2021年国内铌酸锂企业产能主要集中在德清华莹和天通，约占40%。目前，大型铌酸锂晶片市场仍被国外厂商垄断，国产率低于5%。天通凯巨(天通股份有限公司)等国内已有、南智芯材、德清华莹等企业布局大尺寸产品，未来国内替代可预见。

根据各公司官网显示的主要产品指标，如厚度偏差、翘曲度、透光范围等核心指标，国内企业已接近日本居民金属、德国Korth等国外第一梯队 Kristalle等企业。

5、铌酸锂晶体市场空间计算

铌酸锂根据不同的应用场景分为光学级和声学级，用于制备声学滤波器、谐振器、延迟线、电光调制器、电光调Q 开关、相位调制器等设备。这些设备在手机、电视、光通信、激光测距、电场探测器等方面发挥着重要作用。

根据智能研究咨询报告，2022年全球铌酸锂单晶市场规模为3.17亿美元，中国铌酸锂单晶行业市场规模逐年上升，从2016年的1.32亿元增加到2022年的3.56亿元；2022年进口铌酸锂单晶和国产铌酸锂单晶均价分别为488元/片和208元/片；2022年，国内铌酸锂单晶需求量为162万片；据此计算，2022年海外需求量约为365万片。假设按声学级铌酸锂：光学级铌酸锂=9:根据1的比例计算，2022年全球声学级铌酸锂晶体和光学级铌酸锂晶体的需求分别为474万片和53万片。

据半导体企业Resonant统计，2016-2020年全球射频滤波器市场规模将从50亿美元增加到150亿美元，平均复合增长率为31.6%，预计到2025年市场规模将超过302亿美元。根据头豹研究院《2020年中国射频滤波器行业精品报告》的数据，全球射频滤波器数量有望从2022年的1157.6亿增加到2025年的1761.7亿。根据Yole的预测，2022年SAW滤波器占40%，假设后续SAW滤波器占40%不变。

根据切割量=(晶圆面积/芯片面积)-π*(晶圆直径/芯片对角线长度)*良率计算，假设SAW滤波器芯片尺寸为0.95mm*0.65mm，良率为80%，则单个4寸铌酸锂晶圆可制造9086个滤波器，预计全球SAW滤波器消耗的声学级铌酸锂晶体数量将从2022年的458.7万片增加到2025年的698万片；预计2022年全球声学级铌酸锂晶体需求将从474.1万片增加到2025年的713.9万片。

根据Light Counting预测，假设400g光模块的市场规模从2022年的11亿美元下降到2025年的8亿美元；800g光模块的市场规模从2022年的2亿美元上升到2025年的16亿美元。

考虑到薄膜铌酸锂调制器在长距离场景中更具优势，我们假设有两种情况：

保守估计，薄膜铌酸锂调制器占2025年800G光模块的5%；薄膜铌酸锂调制器占400G光模块的1%。根据上述切割数量公式，假设良率为50%，单个4英寸铌酸锂晶圆可制造25个薄膜铌酸锂调制器。假设根据单通道200g计算，单个400g光模块和800g光模块使用两个和四个薄膜铌酸锂调制器，预计2025年全球光模块领域光学级铌酸锂晶体消耗量将达到2.3万片。

乐观估计，2025年800G光模块中，薄膜铌酸锂调制器占15%；薄膜铌酸锂调制器占400G光模块的5%。根据上述切割数量的公式，假设成品率为50%，一个4英寸的钒酸锂晶圆可以制造25个膜钒酸锂调制器。假设根据单通道200g的计算，一个400g光模块和一个800g光模块使用两个和四个膜钒酸锂调制器，2025年全球光模块领域光学级钒酸锂晶体的消耗量预计将达到71000片。

根据华经工业研究院的观点，光学铌酸锂下游光纤陀螺占比较大，对铌酸锂的需求相对依赖。预计中国光纤陀螺市场规模有望从2021年的156.6亿元上升到2024年的257.7亿元，2021年至2024年的CAGR18%。我们几乎取代了其他领域光学级铌酸锂晶体数量的增长率。结合以上保守乐观的假设，预计2025年全球对铌酸锂晶体的需求将达到802.7-807.6万片。

根据光库科技公告，假设2022-2025年薄膜铌酸锂调制器价格为5865元/件，2022-2025年毛利率分别为29%/32%/35%/50%，假设薄膜铌酸锂晶体占营业成本的15%，据此计算，2022-2025年光模块领域薄膜铌酸锂晶体单价为每片15805.6/15137.8/14469.9/11130.7元。根据之前保守乐观的假设，预计2025年光模块领域薄膜铌酸锂晶体市场规模将达到2.5-7.9亿元。综上所述，根据保守乐观的假设，预计2025年全球铌酸锂晶体市场规模将达到35.0-40.4亿元，2022-2025年CAGR 17.9%-23.6%，薄膜铌酸锂在光模块领域的市场规模预计将达到7.2%-19.6%。

6、投资建议

考虑到声学级铌酸锂晶体在SAW滤波器下游的应用，以及光学级铌酸锂晶体在光模块和光纤陀螺仪下游的应用，铌酸锂晶体行业在未来是可以预见的。目前，大型铌酸锂晶体市场仍被国外厂商垄断，国产率低于5%。我国天通股份有限公司布局铌酸锂晶体材料。

6.1 天通股份-以材料为核心，电子材料+专用设备协调发展

天通股份以“以材料为核心，电子材料+专用设备协调发展”的发展战略为重点，专注于粉末材料和专用设备、晶体材料和专用设备。电子材料的主要产品包括磁性材料、蓝宝石晶体材料和压电晶体材料，专用设备产品主要是晶体材料和粉末材料。公司上市营业收入持续增长， 2001-2022年CAGR为14.36%，其中2017-2022年CAGR营业收入为15.64%，近年来收入增长依然强劲，反映出公司经过多年的成长仍具有十足的潜力。

2022年，公司实现营业收入45.08亿元，同比增长10.35%。营业收入增长主要来自光伏设备业务、电子材料制造业务、电子零部件制造和服务；净利润6.69亿元，同比增长61.30%；扣除非归属母亲净利润3.67亿元，同比增长25.81%。2022年，公司毛利率和净利率分别为25.43%和14.95%，毛利率同比下降0.5Pct，但净利率上升4.6Pct，2022年期间，费率同比下降1.24Pct，2022年投资净收益较2021年显著增加。

2023年前三季度，公司实现营业收入28.88亿元，同比-15.25%；归母净利润2.79亿元，同比-57.22%；2023年前三季度，公司毛利率和净利率分别为22.28%和9.77%，较2022年年报下降3.15Pct和5.19Pct。根据公司公告，2023年前三季度归母净利润同比下降主要是2022年 年同期，公司转让博创科技股权投资收益基数较高。

随后，公司积极完成产业战略布局和客户结构转型，建设并投入运营新材料产业基地、电子零部件产业基地和特种设备产业基地，公司运营逐步改善。公司磁性材料整体销售保持稳定，滤波磁性材料和镍锌磁性材料整体销售呈下降趋势。

公司蓝宝石晶体材料销量呈现分化趋势，2020-2022年蓝宝石窗口片销量相对稳定，但与2017-2017年相比9年大幅下降；蓝宝石衬底总体呈上升趋势，但2022年有所下降；蓝宝石晶棒增长迅速，2022年销量同比增长156.97%。在专用设备方面，公司重点关注光伏硅片生长加工设备和锂电池正极烧结设备市场。由于相关政策和公司专用设备的核心竞争力，公司专用设备销量逐年保持稳定增长，2017-2022年复合增长率达到22.84%。

公司的压电晶体材料主要是钽酸锂和铌酸锂，具有非线性效应、电光效应、声光效应、光折叠效应、压电效应、热释电效应等物理特性，广泛应用于表面声波设备、光电设备、声光设备等领域。特别是铌酸锂单晶膜在薄膜过滤器、集成光电设备等领域具有明显的优势，被称为新一代信息和通信技术的关键材料。

根据2022年年度报告，公司独立开发了长晶技术和长晶设备，成功开发了4-6英寸不同规格、品种的表级晶体和表级铌酸锂、钽酸锂、钽酸锂晶片和黑色抛光晶片，产品质量稳定，已获国内外多家公司认证。该公司还开发了8英寸的压电晶体材料。

2022年11月16日，天通股份宣布将完成23.45亿元的固定增资，用于大型射频压电晶圆项目、新型高效晶体生长及精密加工智能设备项目，补充营运资金，偿还银行贷款。2023年5月8日，位于徐州经济开发区的天通凯巨科技有限公司铌酸锂大型晶片项目正式批量生产。根据公司公告，该项目完全达到产后年平均净利润2.6亿元，IRR16.92%(所得税后)。选自光大证券