光通信如何不被卡脖子：铌酸锂调制器未来可期

作者简介：董航 追远创投 董事总经理，在华为和腾讯工作过十多年，对硬科技和互联网都有所涉猎。后来创办高端职场社交平台——汇聚BAT等知名公司人才。

4/27/2020，光纤在线讯，随着“新基建”的提出，5G离我们的生活越来越近了。再加上突如其来的疫情，人们开始了“云生活”，这对光通信行业产生了促进作用。在云计算、虚拟现实、高清视频等诸多因素的促进下，光通信建设将拉开持续升级的大幕。然而光通信长距离传输的核心器件——铌酸锂电光调制器(LiNbO3)，基本由美国Lumentum（原美国JDSU与Oclaro 合并而来）、日本的Fujitsu公司垄断。中美关系的不断紧张，Lumentum供应受限，我们光通信的发展如何能不被卡脖子呢？这是国内相关公司快速发展铌酸锂调制器的大好机会，未来必将大有可为！

铌酸锂调制器资金、技术、时间壁垒高，前景非常可期
1．铌酸锂“地位重要”，类比于硅在微电子中的地位，铌酸锂也被称为光电子时代的“光学硅”。铌酸锂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材料，是一种非常重要的光学功能材料，因其电光效应而闻名，铌酸锂电光调制器能够将电子数据转换为光子信息，被广泛地应用于当今的光通信系统，是实现电光转换的核心元件。
 
2．铌酸锂调制器(LiNbO3)是长距离通信的关键器件，有无可比拟的优势。铌酸锂调制器具有很小的啁啾chirp效应、高调制带宽、良好消光比和优越的器件稳定性，是高速器件中佼佼者。因此广泛应用于高速高带宽的长距离通信中。

3．LiNbO3技术门槛极高、重资本、长周期，需要IDM模式。不同于半导体的全球规模、结构化分工，有优秀的Fabless公司存在。在光电子产业（铌酸锂调制器）里，全球优秀的公司都是IDM模式。铌酸锂调制器类产品设计难度大、工艺极其复杂。在设计、制造工艺、封装等各个环节，均存在较高的门槛。属于技术高、资金重，周期长的行业。行业内大公司的成长多依靠并购和合并，很难有“轻资产”公司快速杀出。

4．LiNbO3全球核心人才相对稀少，国内虽落后但增长可期。因为行业细分，公司又多以IDM模式存在，所以全球真正掌握核心高端技术的人才非常稀少。5G之前，光通信行业的发展一直以美国主导，所以国内光电子产业的发展相对落后。但是对有基础的光电子产业公司也意味着迎来了重大机会。高质量的商用铌酸锂调制器，由于该类产品设计难度大、工艺极其复杂，国际市场上仅有美国Lumentum公司（原美国Oclaro公司）与日本Fujitsu公司等少数公司能够批量供货，市场占有率超过90%，且价格居高不下。国内的光通信企业使用的铌酸锂调制器全部依靠进口。

铌酸锂调制器市场“窗口机会”少，切入壁垒高，跨多个行业
 

     因为产品的特性，市场分布在各个细分行业。总体来说，属于“有现阶段”、“有未来可期”、“有明确进口替代”等诸多优点。每个行业都可以单独写一篇文章了，简单介绍几个：
    1．光通信行业，明确进口替代，“价值”高。国内光通信行业铌酸锂调制器80%由美国Lumentum供应，20%由日本Fujitsu供应。国内高速铌酸锂调制器只有个别厂家能达到指标，如浦丹光电。Lumentum限供，“窗口机会”向国内厂商打开。这块市场虽然细分不太大，但是利润价值可观。
根据中国电子元件行业协会《中国光电子器件产业技术发展路线图（2018-2022 年）》指出，目前国内核心的光通信芯片及器件仍然严重依赖进口，高端光通信芯片与器件的国产化率不超过10%，要求力争在2020年实现铌酸锂调制器芯片及器件市场占有率超过5%-10%，并不断替代进口，扩大市场占有率，并于2022年实现市场占有率超过30%。

 
中国光电子器件产业技术发展路线图（2018-2022 年）

2．光纤陀螺，应用广泛，市场空间大。光纤陀螺精度高，是惯性导航重要的一个分支。惯性导航应用广泛，主要分为军用和民用。而且随着技术的发展，光纤惯导向上和向下延展性都非常高。

惯性导航应用场景
 
资料来源：中信建投证券研究发展部

    3．微波光子学，未来可期。微波光子学就是将微波信号变成光信号进行处理,好处有很多,比如光传输线稳定的延时,远距离的低损耗,抗干扰能力强,以及超宽的带宽。华为任正非公开表示“能够将5G和微波通信结合起来使用的，世界上只有华为”。

铌酸锂调制器的未来—薄膜铌酸锂调制器
    由于铌酸锂材料和工艺原因，铌酸锂调制器的尺寸大小无法缩小。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，同时性能参数却要求更高。这一矛盾限制了铌酸锂在更小及更高要求的下一代网络中的应用。而且还阻碍了下一代通信、数据密集型传统计算和量子信息处理技术的进步。
为了解决这一问题，2018年由哈佛大学、香港城市大学（CityU）和诺基亚贝尔实验室已经设计出一种从根本上缩小铌酸锂调制器的尺寸和驱动电压的方法。在这项突破性研究中，生产的电光调制器长度仅为1至2cm，其表面积比传统电光调节器大概小100倍。它也非常高效——具有更快的数据传输速度，数据带宽从35 GHz增加到100 GHz，但能耗低，光损耗更低。此发明将为未来高速、低能耗、低成本的通信网络以及量子光子计算铺平道路。

 
图片说明： 新型薄膜铌酸锂调制器调制器（中间红色部分）比传统调制器小很多（图片来源: Dr. Wang Cheng and Dr. Zhang Mian）

    通过薄膜铌酸锂材料的低损伤干法刻蚀工艺、硅与铌酸锂薄膜大面积键合工艺、硅和铌酸锂光波导的高效耦合方法以及大带宽行波电极的设计等关键技术，制备的薄膜铌酸锂电光调制器具有成本低、尺寸小、可批量化生产、CMOS工艺兼容等优点，是未来高速光互连非常有竞争力的解决方案。

1．美国Lumentum放弃LiNbO3材料，转向磷化铟（lnp）
      作者在2019年10月份阅读Lumentum  2019年报，其中披露：在2019财年，我们宣布了停止开发和制造铌酸锂调制器的计划。并计划在2020财年结束在意大利的运营。在加利福尼亚州圣何塞的制造和开发也将停止。在接下来的几个季度内进行定位，以帮助我们的客户过渡到新产品。我们预计，随着时间的推移，我们的磷化铟光子集成电路将取代铌酸锂调制器。
 
    作者觉得目前磷化铟还是在一些情况，场景下达不到要求，铌酸锂调制器尤其自身独有的特性，而薄膜铌酸锂将兼具各种优势，兼容硅基，必将成为主流。
2．光库科技(300620)收购Lumentum资产
    2019年12月3日，光库科技发布公告，由公司或公司指定的子公司以现金方式收购卖方（Lumentum）位于意大利San Donato及其代工厂的LiNbO3（铌酸锂）系列高速调制器产品线相关资产，交易价格为1,700万美元（不含税）。
    2020年3月20日发布公告，募集资金7.1亿，5.4亿用于投资铌酸锂高速调制器芯片研发及产业化项目。