光电质料之铌酸锂行业研讨：薄膜铌酸锂武艺打破

（报告出品方/作者：海通证券，余伟民、徐卓）

1. 铌酸锂晶体：功能精良，主要使用于光电等范畴

铌酸锂晶体具有光电效应多、功能可调控性强等特点

铌酸锂（LiNbO3）是铌、锂、氧的化合物，是一种盲目极化大（室温时0.70 C/m2）的负性晶体。依据孙军等《铌酸锂晶体及其使用概述》，铌酸锂是现在发觉的居里温度最高（1210°C）的铁电体。

铌酸锂晶体具有光电效应多、功能可调控性强、物理化学功能安定、光透过范围宽等特点。（1）铌酸锂晶体光电效应多，具有包含压电效应、电光效应、非线性光学效应、光折变效应、光生伏打效应、光弹效应、声光效应等多种光电功能；（2）铌酸锂晶体的功能可调控性强，这是由铌酸锂晶体的晶格布局和丰厚的缺陷布局所形成，铌酸锂晶体的诸多功能可以经过晶体组分、元素掺杂、价态控制等举行大幅度调控；（3）铌酸锂晶体的物理化学功能相当安定，易于加工；（4）光透过范围宽，具有较大的双折射，并且容易制备高质量的光波导，以是基于铌酸锂晶体的声外表波滤波器、光调制器、相位调制器、光断绝器、电光调Q开关等光电器件在电子武艺、光通讯武艺、激光武艺等范畴中取得了广泛研讨和实践使用。

提高历程：铌酸锂质料研讨近百年

铌酸锂质料的研讨以前接近100年，可以区分为三个阶段：

第一阶段（ 1928-1965年）：外洋对铌酸锂的生长工艺和晶格布局掀开研讨。1928年矿物学家Zachariasian 初次对铌酸锂布局特性开掀开头研讨；1937年，Sue等实行构成了铌酸锂，但并未惹起广泛眷注；直至1949 年，美国Bell实行室的Matthias 和 Remeika发觉其低温铁电特性，铌酸锂正式进入人们视野；1964年，Bell 实行室的Ballman使用Czochralski 法告捷生长出厘米级铌酸锂晶体；1965年， Bell实行室的Nassau和 Levinstein找到制备单畴铌酸锂的办法；1965年，Abrahams等创建新的铁电与顺电相下铌酸锂晶格布局模子，不休相沿至今。

第二阶段（1964-1967年）：外洋对铌酸锂的特性掀开广泛研讨。由于打破了质料生长工艺，取得了最优的晶格模子，1964-1967年，美国Bell实行室对铌酸锂的电光、倍频、压电、光折变等特性展开一系列研讨。

第三阶段（1970年至今）：我国从 1970 年代开头铌酸锂晶体生长、缺陷、功能及其使用研讨。1980年，南开大学与东北武艺物理所互助发觉高掺镁铌酸锂的高抗光损伤功能，该晶体被称为“中国之星”；同年，南京大学打破了周期极化铌酸锂的生长工艺，从实行上完成了准相位婚配。

分类使用：主要包含声学级和光学级两品种型

铌酸锂晶体依照使用可以分为声学级和光学级两品种型。光学级铌酸锂晶体：具有较大的电光及非线性光学系数、较宽的光透过窗口、较大的双折射率、能生长出 Kg级的体块晶体、机器加工功能精良、不潮解等上风，使用于集成光学波导、波导型激光器、光断绝器用楔角片、电光波导相位调制器、电光波导强度调制器、准相位婚配激光倍频器件、光参量振荡器等范畴；声学级铌酸锂晶体：具有优秀的压电功能、热安定性、化学安定性和机器安定性，主要使用于声外表波滤波器等范畴。

武艺朝向：薄膜化成为质料紧张提高朝向

铌酸锂薄膜武艺及其潜伏的集成光子学体系，以前渐渐成为如今光子学研讨前沿的“厘革性”武艺。在基于体材料铌酸锂晶体的光学器件中，光被限定在由离子分散或质子互换构成的平面波导内，折射率差通常比力小（ ~0.02），器件尺寸比力大，难以满意光学器件趋于小型化、集成化的需求。而薄膜铌酸锂是经过“离子切片” 的办法，从块状的铌酸锂晶体上剥离出铌酸锂薄膜，并键合到附有SiO2缓冲层的Si晶片上，构成的薄膜铌酸锂材料。比拟于传统的体质料布局，薄膜铌酸锂平台可以完成更高的集成度、更好的功能。

使用范畴：光学使用

铌酸锂晶体具有精良的电光效应和非线性光学效应，广泛使用于电光调制器等范畴。铌酸锂晶体的光电效应十分丰厚，此中电光效应、非线性光学效应功能突出，使用也最为广泛。并且铌酸锂晶体可以经过质子互换或钛分散制备高品格的光波导，又可以经过极化翻转制备周期性极化晶体，以是在电光调制器、相位调制器、集成光开关、电光调Q开关、电光偏转、高电压传感器、波前探测、光参量振荡器以及铁电超晶格等器件中取得广泛使用。此中，铌酸锂电光调制器是使用铌酸锂晶体的线性电光效应完成的，具有高速率、高消光比、低啁啾等优点，适合光通讯誉高速外调制器，包含幅度调制器、相位调制器等产物。

使用范畴：压电使用

铌酸锂晶体是优秀的压电质料，广泛使用于滤波器等范畴。铌酸锂晶体居里温度高，压电效应的温度系数小，机电耦合系数高，介电斲丧低，晶体物化功能安定，加工功能精良，又易于制备大尺寸高质量晶体，是一种优秀的压电晶体质料。与常用的压电晶体石英比拟，铌酸锂晶体声速高，可以制备高频器件，因此铌酸锂晶体可用于谐振器、换能器、延长线、滤波器等，使用于挪动通讯、卫星通讯、数字信号处理、电视机、广播、雷达、遥感遥测等民用范畴以及电子反抗、引信、制导等军事范畴。此中，使用最为广泛的是声外表波滤波器件。

声外表波滤波器（SAW）是接纳石英晶体、压电陶瓷等压电质料，使用其压电效应和声外表波转达的物理特性而制成的一种滤波自用器件。其基本原理为在输入端由压电效应把无线信号转换为声信号在介质外表转达，在输入端由逆压电效应将声信号转换为无线信号。铌酸锂压电晶圆具有优秀的压电功能、热安定性、化学安定性和机器安定性，是制造射频声外表波滤波器的抱负基板质料。

产业链：国内铌酸锂产业链趋于完满

铌酸锂产业链高明质料主要包含铌酸锂晶体及薄膜，高明装备主要包含电子束直写、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，包含体质料铌酸锂调制器和薄膜铌酸锂调制器；产业链卑劣主要使用于光通信、光纤陀螺、超快激光器、有线电视（CATV）等浩繁范畴。

市场范围：22年举世铌酸锂晶体市场范围达11.3亿元

举世铌酸锂晶体市场稳步增长，2022年市场范围达11.3亿元。伴随卑劣行业快速提高，铌酸锂晶体市场空间不休扩展。依据新思界产业研讨中央的《2023-2028年中国铌酸锂晶体行业市场深度调研及提超过息猜测报告》， 2022年举世铌酸锂晶体市场范围达11.3亿元，同比增长3.1%。

光学级是铌酸锂晶体的主要典范，2016年占比约60%。依据QYReseach群众号数据，2016年举世铌酸锂晶体市场营收为1.24亿美元（约8亿元），估计2022年到达1.46亿美元（约10亿元），CAGR为2.26％。此中，光学级是铌酸锂晶体的主要典范，2016年举世光学级铌酸锂晶体贩卖收入约0.75亿美元，约占举世贩卖收入的60％。此外， 2016年，日本拥有举世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。

竞争格式：国内厂商在薄膜铌酸锂范畴具有卡位上风

现在，薄膜铌酸锂质料的主要到场者包含济南晶正、上海新硅聚合、厦门博威、Partow Technologies、 SRICO 、NGK Insulators等。此中，济南晶正在举世率先完成了铌酸锂单晶薄膜质料的商业化消费，可以提供 3/4/6英寸，厚度为300-900nm的薄膜铌酸锂晶圆；上海新硅聚合可以提供4英寸，厚度为300-600nm的薄膜铌酸锂晶圆；厦门博威可以提供4英寸，厚度为300-500nm的薄膜铌酸锂晶圆；美国Partow Technologies可以提供 3/4/6英寸，厚度为300-1200nm的薄膜铌酸锂晶圆；美国SRICO可以提供3英寸，厚度为1000nm的薄膜铌酸锂晶圆；日本NGK Insulators可以提供厚度为500nm的薄膜铌酸锂晶圆。

2. 铌酸锂调制器：薄膜调制器发展潜力突出，迎国产化机会

铌酸锂调制器是如今电光调制器市场的主流产物

电光调制器（EOM）是使用某些电光晶体的电光效应制成的调制器。电光效应是指当电光晶体遭到外加电场时，电光晶体的折射率会产生厘革，经过该晶体的光波特性也会相应厘革，从而完成对光信号的幅度、相位以及偏振形态等参量的调制。电光调制器包含相位调制器、强度调制器、偏振调制器等典范。

铌酸锂调制器功能精良，主要用在100G-1.2T的长距主干网干系通讯和单波100/200G的超高速数据中央上。现在行业内光调制的武艺主要有三种：基于硅光、磷化铟和铌酸锂质料平台的电光调制器。此中，硅光调制器具有低能耗、低本钱等上风，主要使用在短程的数据通讯誉收发模块中；磷化铟调制器主要用在中距和长距光通讯网络收发模块；铌酸锂调制器具有带宽高、安定性好、信噪比高、传输斲丧小、工艺成熟等优点，是如今电光调制器市场的主流产物，主要用在100Gbps以上直至1.2Tbps的长距主干网干系通讯和单波100/200Gbps的超高速数据中央上。

铌酸锂调制器的将来——薄膜铌酸锂调制器

体质料铌酸锂调制器在紧张功能参数的提升上遭遇瓶颈，且体积较大，拦阻于集成。传统铌酸锂调制器以体铌酸锂为质料，固然体质料铌酸锂调制器在高速主干网的传输调制中起到紧张作用，但也存在一定不敷：（1）受限于铌酸锂质料中的自在载流子效应，传统铌酸锂基电光调制器的信号质量、带宽、半波电压、插进斲丧等紧张功能参数的提升渐渐遭遇瓶颈，且与CMOS工艺不兼容；（2）由于铌酸锂质料和工艺缘故，铌酸锂调制器的尺寸轻重无法变小，难以满意“在光模块对端口密度越来越大的要求下，对光器件的尺寸要求越来越小”的要求。上述不足限定了铌酸锂在更小及更高要求的下一代网络中的使用。

薄膜铌酸锂调制器具有大带宽、低功耗、小尺寸等上风，可能成为调制器将来的紧张提高朝向。相较于其他光电子质料，如磷化铟（本钱受限）、硅光（功能功耗受限）、铌酸锂晶体（尺寸受限），薄膜铌酸锂可完成超快电光效应和高集成度光波导，具有大带宽、低功耗、低斲丧、小尺寸等精良特性，并可完成大尺寸晶圆范围制造，好坏常抱负的电光调制东西料。

需求：长时薄膜铌酸锂调制器市场空间或超百亿

2024年举世调制器芯片及器件市场范围将达226亿美元。依据光库科2021年报征引WinterGreen Research的数据，猜测2024年举世调制器芯片及器件市场（包含通讯、传感及其他）将增长至226亿美元。

我们以为，随干系光通讯快速浸透，叠加光纤陀螺、超快激光器等非通讯市场的需求后，长时举世薄膜铌酸锂调制器市场范围可能超百亿。1）光通讯范畴，依据我们测算，长时举世薄膜铌酸锂调制器市场范围约59-88亿元； 2）光纤陀螺范畴，依据我们测算，2024年中国铌酸锂调制器市场范围约50-67亿元；3）超快激光器范畴，依据我们测算，2024年举世铌酸锂调制器市场范围约3.21亿美元（约22亿元）。

需求：铌酸锂调制器行业进入壁垒高

铌酸锂调制器属于武艺高、资金重、周期长的行业，行业进入壁垒高。不同于半导体的布局化分工形式，现在光电子行业，尤其是铌酸锂调制器行业，举世主流公司均接纳IDM形式。IDM形式意味着公司必要具有从计划、制造、封装测试到贩卖的全系列才能。铌酸锂调制器类产物计划难度大、工艺极度繁复，在计划、制造工艺、封装等各个环节，均存在较高的门槛，属于武艺高、资金重，周期长的行业，较难有“轻资产”公司走出来。