铌酸锂——高速光通信核心材料

01 铌酸锂概况

“铌酸锂（lithium niobate）”这个科学名词，近几年火了！到底什么是铌酸锂，又有什么特别之处让它“出圈”，为什么业界如此看好铌酸锂材料呢？

铌酸锂（LiNbO3）又被称为“光学硅”，业界更有言“铌酸锂之于光通信，相当于硅之于半导体”。这个生动形象的类比强调了铌酸锂对于光通信行业的颠覆性作用，哈佛大学等国外研究机构甚至提出了仿照“硅谷”模式来建设新一代“铌酸锂谷”的方案，他们郑重宣告“Now entering,lithium niobate valley！”（人类正在进入“铌酸锂谷”的时代）

02 铌酸锂性能特点

光电双修的“全能六边形战士”

“如果电子革命的中心是以硅材料命名的，那么光子学革命的发源地则很可能就是以铌酸锂命名！”这段话并非口出狂言，而是美国国防部对于铌酸锂的评价，足见其对于光子学的意义。事实上，铌酸锂有三大特点使其在诸多材料中脱颖而出。首先，铌酸锂的光电效应丰富。它是一种集光折变效应、非线性效应、电光效应、声光效应、压电效应与热电效应等于一体的无色透明材料，是目前发现的居里温度最高（1210℃）的铁电体。其次，铌酸锂晶体的性能可调控性强。得益于其晶格结构和丰富的缺陷结构，铌酸锂晶体的诸多性能可以通过晶体组分、元素掺杂、价态控制等进行大幅度调控。最后，铌酸锂材料本身具有卓越的光电性能：电光系数（r33=30.9pm/V）、压电应变系数（d33=16pC/N）、弹光系数（p11=0.026，p12=0.09）、表面波声速（v=3600m/s）、压电应力系数（e33=1.72C/m2）、光学折射率（ne=2.13，no=2.21，@1550nm），以及较宽的透明波段（0.5~5μm）。并且在长距离通信中，因为其本身具有很小的啁啾效应（Chirp effect）、良好的消光比和优越的器件稳定性，可获得高达40 GHz的带宽的优势，这也是高带宽高速通信领域的科研人员如此青睐铌酸锂的原因。

03 铌酸锂应用场景

1.铌酸锂在光通信应用——引领光通信颠覆性革命

光子芯片的升级制造正如火如荼地进行，铌酸锂作为“光子革命”的颠覆性材料，起初主要以晶块的形态出现在器件中，随着集成光学器件对材料更薄更灵活的要求，薄膜铌酸锂（TFLN）应运而生，它为高速光通信以及集成光路的发展带来了新的机遇，也为片上铌酸锂光子学的发展奠定了基础。

铌酸锂晶体性能突出，是光信号调制器的理想材料。铌酸锂晶体具有高电光系数和优良的特性，比磷化铟InP要高很多。我们观察到铌酸锂的光电系数优于磷化铟、砷化镓以及硅等材料，但是铌酸钾和钛酸钡的电光系数表现更为优异。最终高速率调制器采用铌酸锂作为主要材料之一的原因主要在于铌酸锂在产          
业化方面更加可靠且具有合适的性能。铌酸锂光调制器，是利用铌酸锂晶体的电光效应制造而成的光调制器，具有高速率、高消光比、低啁啾、频带宽、响应速度快、插入损耗低、信噪比高、半波电压低、稳定性好等优点，是主流电光调制器产品之一，目前被广泛用作光通信领域。

薄膜铌酸锂在光通信中的应用主要在电光调制器方面。电光调制器是光通信系统中的关键器件，能够将通信设备中的高速电子信号转化为光信号。而薄膜铌酸锂调制器是一种基于铌酸锂材料制作的光学调制器，它利用铌酸锂的电光效应来实现光信号的调制，已成为当前高速电光调制器市场的主流产品。相较于传统的铌酸锂晶体调制器，薄膜铌酸锂调制器具有更小的体积和更低的驱动电压，因此更适合用于集成光学系统。如今，商用的薄膜铌酸锂晶圆厚度通常在300~900 nm之间，通过微纳加工，铌酸锂波导、微腔等结构可将光场局域在亚波长量级，从而显著降低器件尺寸并提高非线性作用的效率。

电光调制器是一种用于调制光信号的设备，对光通信系统的传输起到重要的作用。它通过应用外部电场来改变光的折射率或相位，从而实现对光信号的调制。在信息时代，大数据、物联网和人工智能等技术加速渗透的趋势下，通信系统对传输速度和容量的需求不断增加。光信号调制是光模块的重要功能，尽管在短距离通信场景下我们可以采用内部调整的方法来替代独立的调制器，但是在中长距离光通信中尤其是在相干通信情境下，调制器则成为不可或缺的器件。

光通信领域主要采用三种不同基底的电光调制器技术，分别基于硅、磷化铟和铌酸锂材料。这些不同的基底材料在性能和应用方面各有优势，适用于不同通信距离的应用场景。硅基调制器通常适用于短距离数据通信，其极限速率约为60-90Gbaud。磷化铟（InP）调制器可以达到更高的速率，大约为130Gbaud。铌酸锂调制器的性能可能超过130Gbaud，主要在长途相干光传输和超高速数据中心方面具备竞争力，主要用于100Gbps以上直至1.2Tbps的长距离骨干网相干通信和单波100/200Gbps的超高速数据中心。随着技术的进步，铌酸锂调制器不断迈向更小尺寸、更高速率、更大带宽和更低驱动电压的方向。

2.铌酸锂在声学领域应用

铌酸锂不仅在光电领域作用明显，在声学领域它同样是“调音师”，声波在它的“魔法”加持下变得更有“深度”，就像音乐里的低音炮，声波在声表面波器件、声光调制器和声光偏转器等铌酸锂基器件中“翩翩起舞”，使得声音的传输和处理变得更高效、更酷炫！

薄膜体声波谐振器（FBAR）是使用薄膜半导体工艺在空气中形成电极－压电薄膜－电极的微结构器件，可实现更低的插入损耗、更精确的频率位置，兼具体积小、兼容硅工艺等优势。除了在普通的声学设备中大显身手，铌酸锂在极端环境下也有不俗表现，例如在监测快中子增殖反应堆状态时温度高达600~883℃，其他光电探测方法无法实现堆芯成像与监测，而基于铌酸锂制备的高温超声换能器则成为当前超声成像的唯一手段。

铌酸锂在声学领域的研究当然远不止于此，近年来同质和混合集成波导（已在波导器件的基础上实现不同结构的声光调制器）、铌酸锂声子晶体（调控声波的传播和反射特性）以及薄膜铌酸锂基片上声光偏转器（已实现3GHz声光频移）等多个声学领域百花齐放，铌酸锂在不同领域都扮演着重要的角色，推动着该领域的科技进步！

3.铌酸锂在激光雷达的应用

当谈及铌酸锂时，还不得不提到它在激光领域中的独特应用。作为一种非线性光学材料，铌酸锂不仅在激光器件中展现出色，还在激光通信、激光雷达和医疗设备中发挥着重要作用。其稳定性和高效能使其成为推动激光技术发展的重要力量。

此外，以飞秒激光为代表的超快激光技术作为全球最前沿激光技术之一，同样有铌酸锂的身影。基于铌酸锂的主动锁模超快激光器相较于传统主动锁模激光器，具有更大的脉冲重复频率可调谐范围、更多样化和精确化调控激光的脉冲重复频率和载波频率以及更宽广的光谱覆盖范围和更高的非线性系数等优势。

04 铌酸锂产业链及生产工艺流程

1.铌酸锂产业链

铌酸锂光调制器产业链包括上游原材料，如铌酸锂、封装管壳材料、涂覆层材料、包层材料、光刻机、刻蚀机等；中游涵盖铌酸锂光调制器的制造行业；而下游应用领域广泛，包括光通信、光纤传感器、微波光子等多个行业。

根据智研咨询，我国铌酸锂光调制器市场规模保持较高的增长速度，但行业国产化率仍处于较低的水平，目前约为15.9%左右。目前我国电信级铌酸锂高速调制器器件主要依赖进口。从全球角度来看，全球仅有三家主要供应商能够大规模供货，分别是Lumentum、富士通和住友集团。值得注意的是，光库科技于2020年通过收购Lumentum相关产品线进入该领域，成为国内少数提供铌酸锂技术的厂商之一。从国内角度来看，我国铌酸锂光调制器产业相对集中，主要生产地位于北京、长三角和珠三角地区，这些地区形成了从铌酸锂晶体材料到铌酸锂有源器件以及相关下游设备生产的产业集群。

2.铌酸锂晶体及薄膜生产工艺流程

(1)铌酸锂晶体制备

铌酸锂晶体常用提拉法生产，主要包括原料准备、晶体生长、退火极化等步骤，具体工艺如下：

• 原料准备：

原料选择：选用纯度为 99.999% 的 Li₂CO₃和 Nb₂O₅作为原料。

配料混料：按照近化学计量配比，使用万分之一的分析天平精确称量原料，Li/Nb 比例通常为 0.946。将称量好的原料放入混料机中混合 24 小时，使原料充分均匀混合，然后压制成料饼。

烧料：把料饼放入铂金坩埚中进行烧结，烧结过程需严格控制炉体结构、温度梯度和控温精度，确保 CO₂充分挥发，同时避免 Li₂O 挥发导致组分偏离。

• 晶体生长

装炉：将压制好的多晶料块装入铂金坩埚，安装并校正籽晶，放置保温罩，配置好称重装置等，装炉过程要注意避免污染原料，且需选择无缺陷的优良籽晶。

升温、化料：按照程序缓慢升温，使温度略高于化料温度并恒温1小时，让原料充分熔化，使熔体组分稳定均匀，防止晶体生长过程中产生散射、气泡等包裹体。确认无漂晶后，降温并预热籽晶。

接种、放肩：将预热好的籽晶下降至液面 1mm 处，消除籽晶自身缺陷后进行接种。接种采用 “缩颈” 技术，根据籽晶周围光圈观察、调整温度，保证缩颈部分细长透明。随后开始放肩，让晶体慢慢长大，放肩过程要均匀，速度不宜过快，可采用斜放肩方式，以降低晶体肩部热应力，减少位错产生。

等径、收尾：放肩后进入等径生长阶段，此过程由计算机程序自动控制，需保证均匀的温场和设备的精密性，避免人为操作影响晶体质量。生长到一定尺寸后进行收尾，完成晶体生长。

• 退火、极化工艺

退火：刚生长出的铌酸锂晶体具有较大热应力，需进行退火处理以消除应力，提高光学均匀性。退火在特定的退火炉中进行，通过合理控制升温、保温和降温程序，使晶体内部热应力得以释放。

极化：铌酸锂晶体存在自发极化，刚生长出的晶体是多畴的，需进行极化工艺处理使其转化为单畴晶体。在退火过程中，当温度达到特定值时通电极化，根据晶体的不同轴向和尺寸确定极化电流大小，确保极化均匀，得到性能良好的铌酸锂晶体。

(2)薄膜铌酸锂制备工艺

薄膜铌酸锂晶圆（LNOI）的生产制造技术与传统SOI晶圆制造方法相同，大多基于"Smart-cut"技术实现，该项技术专利于1998年申请，到2018年截止，目前该项专利技术已经不受专利保护，可无偿使用。LNOI晶圆制备过程如下图所示，包括以下五个步骤：（1）离子注入；（2）衬底准备；（3）薄膜键合；（4）退火及剥离；（5）CMP平坦化。

①　离子注入

如下图b所示，利用离子注入机，从铌酸锂晶体上表面打入高能的He离子，特定能量的He离子进入晶体后，受到LN晶体中原子和电子的阻挠，会逐渐减速并停留在特定深度位置，破坏该位置附近的晶体结构，将LN晶体分成上下A/B两层，而A区将会是我们需要制备LNOI所需要的薄膜。

• 原始基材：加工LN的基材是体材料铌酸锂（单晶铌酸锂晶棒），如下图c所示，经过处理后的单晶铌酸锂晶体呈圆柱形状，其直径决定了生产的LNOI晶圆尺寸（3寸 75mm，4寸 100mm）。

• 晶圆切边：从下图c中，可以看到圆柱晶体有个平面切面，这个切面也对应成品晶圆的切边，切边的作用是方便辨别晶体的晶向，切边的方向通常与晶体的某一晶向保持平行。

• He离子分布与薄膜厚度：He离子能量的高低，将决定离子进入晶体的深度，也决定了A层LN薄膜的厚度。在特定加速电场下，所有He离子进入晶体特定深度位置，形成一个分界面。由于He离子的能量几乎相同，在分界面附近离子呈现高斯分布状态（如下图d）。

• 注入损伤：He离子在实际注入过程中，需要从晶体上表面逐渐向下渗透，并达到特定深度位置。在这个过程中A层的薄膜晶体也会受到He离子的撞击而产生一些损耗，破坏晶体原有的性能。如下图b所示，为了表述这一情形，我在图中A层区域绘制了一条黑色折线段，用于表征A层薄膜属于部分破坏状态。关于A层薄膜注入损伤修复，会在后面的工艺中讲到。

②　衬底制备

要做薄膜铌酸锂晶圆，肯定不能让几百nm的LN薄膜处于悬空状态，必须有底层支撑材料。常用的SOI晶圆，衬底都是一层厚度大于500um的硅晶圆，然后在其表面制备SiO2介质层，最后将单晶硅薄膜键合在上表面，形成SOI晶圆。对于LNOI晶圆一样，常用的衬底有Si和LN这两种材料，然后通过热氧或PECVD沉积工艺制备SiO2介质层，如果介质层表面不平整，还需要化学机械研磨CMP工艺，使其上表面光滑平整，便于后续的键合工艺。

③　薄膜键合

利用晶圆键合设备，将注入离子后的LN晶体反转180度，键合到衬底上。对于晶圆级生产而言，衬底与LN两者的键合表面都做了平整化处理，通常采用直接键合方式键合，中间不需要粘结剂材料。而对于科学研究而言，还可以采用BCB（benzocyclobutene）作为中间层粘结剂材料，实现Die to Die的键合，采用BCB键合方式，对键合表面平整度要求较低，非常适合于科研实验中。但是BCB不具有长期稳定性，所以在晶圆生产中，通常不会采用BCB键合。

④　退火及剥离

将两种晶体表面贴合挤压后，还需高温退火及剥离工艺。两种晶体表面贴合后，首先在特定温度下维持一定时间，加强界面键合力，同时使得注入离子层气泡化，使得A,B两层薄膜逐渐分离开，最后用机械设备将两者剥离开，然后再逐渐降低温度至室温，完成整个退火及剥离工艺。退火工艺作用：a、较高的温度能够使得键合界面的键合力增加，使得键合的薄膜更牢固。b、较高的温度能够使得注入离子层气泡化，使得A,B两层薄膜逐渐分离开。c、高温退火也会修复A层薄膜内受离子注入损伤的晶体，使其恢复单晶材料特性。

⑤　CMP平坦化

经过退火剥离后的LNOI晶圆，其表面是粗糙的，不平整的，需要进一步做CMP平坦化处理，使得晶圆表面薄膜平整，降低表面粗糙度。

05 市场规模及发展趋势

全球通信网络组件和设备追求更高性能解决方案，高速率调制器市场规模未来可期。随着云服务和数据中心存储与处理需求的迅速增长，数据中心系统变得更加分散，管理变得更加复杂。此外，人工智能等应用对低延迟和高带宽的网络架构有迫切需求，以满足服务器之间产生的大量机器对机器的输入/输出需求。为了支持这些应用，分布式数据中心之间的最大传输距离必须限制在大约100公里以内，因此需要以集群方式连接这些数据中心。为了实现高带宽和高密度的数据中心互联，400ZR、400ZR+等技术应运而生。根据Cignal AI指出，2024 年400ZR、400ZR+ 和100ZR将实现大约三分之一的城域和长途连接，并显著改变网络设计。这些新技术能够增加带宽容量并降低运营成本，能够提升超大规模数据中心、分布式数据中心以及城域电信网络所需要的互联速度。随着高速相干光传输技术在不同领域的广泛应用，光调制器的需求将持续增长。根据华经产业研究院预测，2024年全球高速相干光调制器的出货量将达到200万个，每个端口平均需要1至1.5个调制器。假设薄膜铌酸锂调制器的市场渗透率达到50%，相应全球的市场空间将达到约82亿至110亿元。

传统光模块中调制器按照调制类型分为内调制/直接调制和外调制，外调制原理包括电吸收效应和电光效应。（1）InP及InGaAsP等Ⅲ-V族材料为电吸收调制，基于量子限域效应实现信号调制；（2）铌酸锂调制器则依赖铌酸锂晶体的线性电光效应，通过外加电场直接改变晶体折射率，具有宽透明窗口和高电光系数，在过去的几十年内成为主流的商用电光调制器材料平台，但是体铌酸锂存在器件体积较大、成本较高的劣势，近年来逐渐向薄膜铌酸锂发展。

调制器的方案包括马赫-曾德尔调制器（MZM）/微环谐振器（MRM），MZM是现阶段主流方案，未来高集成度MRM是趋势。（1）MZM基于双波导臂干涉原理，通过电信号改变波导折射率实现光强调制，其优势在于全带宽工作（支持C/L/O波段）和高工艺容差（对制造误差不敏感），且通过行波电极设计可实现单通道200Gbps以上的高速调制。然而MZM的尺寸较大（通常>2mm）、功耗较高（反向偏置载流子耗尽型需高驱动电压）限制了其在超紧凑场景的应用。 (2) MRM基于微环谐振腔的波长选择性，通过改变谐振条件实现调制，MRM的制造工艺较复杂，其核心优势是超小尺寸（半径可<10μm）和低功耗（驱动电压仅需1～2V）。MRM的高密度潜力可能成为下一代硅光芯片的核心方案。

薄膜铌酸锂有潜力成为制造高性能集成光子器件的理想平台。薄膜铌酸锂是从铌酸锂晶圆上剥离得到，保持了铌酸锂晶体优异的电光与光学特性，目前3dB带宽达到108GHz（显著优于目前硅光调制器的67GHz），在3.2T光模块中可能大规模应用。同时薄膜铌酸锂可以转移到平面化后的硅基光电子集成平台上用于高度集成的硅光芯片。相比在薄膜铌酸锂平台上制备调制器，将薄膜铌酸锂晶圆键合至制备好的SOI上可以更好地利用硅波导强光场束缚和热调效率高等特点。因此未来异质集成薄膜铌酸锂可能成为硅光模块调制器解决方案，薄膜铌酸锂调制器结构也分为MZM和MRM，目前均在实验室实现硅光芯片上的异质集成。

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