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全球数据流爆发驱动光模块产品向更小、更高速、更低成本的方向发展。光模块发展到800G和后续1.6T的升级将推动相关技术路线的前瞻性研发和加速迭代。通过调制,电光调制器将通信设备中的高速电子信号转换为光信号。目前,新一代光膜铌酸锂调制器有望利用这种情况打破局面。薄膜铌酸锂材料以其大带宽和优异的调制性能,逐渐成为满足这一需求的关键技术。以硅基底为基础的薄膜铌酸锂调制器体积大,能解决体积问题:

CignalAI预测,随着高速相干光传输技术从长途/干线下沉到区域/数据中心等领域,对高速相干光通信数字光调制器的需求将继续增长,2024年全球高速相干光调制器出货量将达到200万端口。每个端口的平均需求是1~1.5个调制器,如果薄膜铌酸锂调制器的渗透率可达50%,相应的市场空间约为82-110亿元。

01铌酸锂行业概览

通过调制,电光调制器将通信设备中的高速电子信号转换为光信号,是光通信系统中不可或缺的一部分。目前,根据不同的材料平台,有三种电光调制器制备方案可分为硅基方案(硅光)、磷化镓方案和钒酸锂方案有三种。铌酸锂材料具有明显的性能优势。铌酸锂的光系数明显高于磷化镓,而硅没有直接的光系数,因此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的关键设备。铌酸锂方案具有带宽高、插损低、消光比高、工艺成熟等优点,能充分满足传输距离长、容量大的需要。可广泛应用于100g/400g相干光通信网络和超高速数据中心,传输距离超过100公里,容量超过100g。由于尺寸大,传统的铌酸锂调制器很难满足光器件的小型化趋势。目前,工业趋势正从传统材料向薄膜铌酸锂转变。薄膜铌酸锂调制器在性能和性价比方面有了新的提高,在保留铌酸锂调制器原有性能优势的同时,突破了带宽;随着尺寸的降低,单位面板的传输密度大大提高,成本有进一步降低的空间。

02薄膜铌酸锂行业概览

薄膜铌酸锂被称为“光学硅”,在电光系数方面表现出色,是可靠材料中的佼佼者。新一代薄膜铌酸锂调制器芯片技术将解决尺寸不利于集成的问题。通过新的微纳工艺,铌酸锂材料在硅基衬底上蒸发二氧化硅(SiO2)层,将铌酸锂衬底的高温键合结构成解理面,最后剥离铌酸锂膜。该工艺制备的薄膜铌酸锂调制器芯片突破了原有的瓶颈,具有性能高、成本低、尺寸小、批量生产、与CMOS工艺兼容等优点,是未来高速光互连的竞争解决方案。铌酸锂调制器芯片的关键制备技术是铌酸锂膜的图形化。我国从1970 铌酸锂晶体的生长、缺陷、性能及其应用研究始于20世纪。1980年,南开大学与西南技术物理研究所合作发现了镁铌酸锂的高抗光损伤性能,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过程,实验上实现了准相位匹配。具有光电效应多、性能可控性强、物理化学性能稳定、光透射范围宽等特点。铌酸锂单晶薄膜比较硬,成分特殊,难以刻蚀。目前已公开的铌酸锂薄膜图形化技术路线主要包括电子束光刻(EBL)+干法刻蚀/湿法刻蚀、紫外线+干法刻蚀DUV+四种干法刻蚀。其中,与湿蚀刻相比,干蚀刻对薄膜铌酸锂的形状和蚀刻速率具有更高的可控性。EBL+干蚀刻路线可充分发挥电子束光刻加工精度高、布局设计灵活、无掩膜直接曝光等优点。

03薄膜铌酸锂产业链

国内薄膜铌酸锂产业链已成熟,上游材料主要包括铌酸锂晶体和薄膜,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和设备,包括物理材料铌酸锂调制器和薄膜铌酸锂调制器。产业链下游主要用于光通信、光纤陀螺、超快激光、有线电视等领域。薄膜铌酸锂产业链图表:全球数据流爆发驱动光模块产品向更小、更高速、更低成本的方向发资料来源:富士通、光库科技、讯石光通信网

04薄膜铌酸锂市场格局

铌酸锂领域由于其技术难度高、工艺流程复杂,具有较高的行业准入门槛。全球参与者相对较少,行业先发优势或卡位关键。

就上游铌酸锂晶体而言,在全球市场上,德国爱普科斯、日本居民金属矿业和德国KorthKristalle是市场份额前三的铌酸锂制造商。日本拥有世界上最大的铌酸锂晶体出口和制造商,而欧洲是铌酸锂晶体的第二大销售市场。与海外发达国家相比,我国铌酸锂晶体产业起步较晚,但发展势头迅速。我国铌酸锂晶体市场的主要参与者包括福晶科技、天通股份、德清华莹、济南晶正、南智芯材等。

济南晶率先开发了300-900纳米厚的铌酸锂单晶薄膜材料,并成功实现了工业化。

福晶科技是世界领先的非线性光学晶体。它可以独立开发,提供各种规格和高质量的铌酸锂晶体。相关产品已成功推广给Lumentum等光学设备制造商。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已开始批量生产。铌酸锂调制器是目前电光调制器市场的主流产品。主要用于100g-1.2T长距骨干网相干通信和单波100/200g超高速数据中心。由于电信级高速调制器芯片产品设计难度大,工艺复杂,世界上只有三家光通信制造商有能力批量生产电信级铌酸锂调制器:日本富士通(Fujitsu)和住友(Sumitomo),以及镍酸锂调制器生产线,该生产线曾在美国Lumentum运营,后来被中国光库科技收购。富士通占据了传统铌酸锂约70%的全球市场份额。此外,国内还有一些强大的企业,如钽奥光电(德科立参股)和宁波元芯,加快了参与布局。光库科技于2019年收购了高速铌酸锂高速调制器生产线进入该领域,掌握了芯片设计、芯片工艺、包装测试等核心技术,具有开发薄膜铌酸锂调制器芯片和设备800G以上的关键能力,是国内少数能够提供铌酸锂技术的制造商之一。光库科技发布了两种相关调制器和两种强度调制器产品。许多国内公司在800G光模块中应用了薄膜铌酸锂调制器技术。新易盛、联特科技等主要光模块制造商,以及光迅科技、华工科技等供应商,已开始积极投资铌酸锂技术的研发和生产。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;光库技术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+70GHzL波段 AM70强度调制器。

一些国内布局铌酸锂调制器技术路线的企业梳理:全球数据流爆发驱动光模块产品向更小、更高速、更低成本的方向发

目前,我国90%以上的高端光通信核心芯片需要进口。光子集成芯片仍然是发展最薄弱的环节,成为制约我国光器件和模块发展的瓶颈。针对相关光模块的技术演进,在光电芯片技术发展方面,DSP芯片、硅基混合集成光芯片和Flip可用于800ZR光模块产品的5nm甚至更先进的工艺 先进的包装技术,如Chip技术,相干光收发组件应能支持96/128GBaud、DP-64QAM/DP-16QAM高阶调制信号。

当波特率达到128GBD时,光芯片的带宽至少为70~80GHz。基于硅光材料的调制器可能无法支持如此高的速率,理论上可以实现传统II-V材料的光调制器,但也很难实现。薄膜铌酸锂芯片加工技术的突破,使铌酸锂调制器也能实现小尺寸、高带宽,被认为是实现100GBD及以上光调制器的潜在技术方向。

在全球新一轮人工智能浪潮爆发的背景下,光通信领域的加速迭代对高速光模块产生了新一轮的迫切需求,进而促进了薄膜铌酸锂材料的发展。国内制造商预计将充分受益于本地替代需求带来的发展机遇。资料来源-乐清智库选择

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