光通信如何不被卡脖子:鈮酸鋰調製器未來可期

作者簡介：董航 追遠創投 董事總經理，在華為和騰訊工作過十多年，對硬科技和網際網路都有所涉獵。後來創辦高端職場社交平臺——匯聚BAT等知名公司人才。

4/27/2020，光纖在線訊，隨著「新基建」的提出，5G離我們的生活越來越近了。再加上突如其來的疫情，人們開始了「雲生活」，這對光通信行業產生了促進作用。在雲計算、虛擬實境、高清視頻等諸多因素的促進下，光通信建設將拉開持續升級的大幕。然而光通信長距離傳輸的核心器件——鈮酸鋰電光調製器(LiNbO3)，基本由美國Lumentum（原美國JDSU與Oclaro 合併而來）、日本的Fujitsu公司壟斷。中美關係的不斷緊張，Lumentum供應受限，我們光通信的發展如何能不被卡脖子呢？這是國內相關公司快速發展鈮酸鋰調製器的大好機會，未來必將大有可為！

鈮酸鋰調製器資金、技術、時間壁壘高，前景非常可期

1．鈮酸鋰「地位重要」，類比於矽在微電子中的地位，鈮酸鋰也被稱為光電子時代的「光學矽」。鈮酸鋰是一種集光折變效應、非線性效應、電光效應、聲光效應、壓電效應與熱電效應等於一體的材料，是一種非常重要的光學功能材料，因其電光效應而聞名，鈮酸鋰電光調製器能夠將電子數據轉換為光子信息，被廣泛地應用於當今的光通信系統，是實現電光轉換的核心元件。 

2．鈮酸鋰調製器(LiNbO3)是長距離通信的關鍵器件，有無可比擬的優勢。鈮酸鋰調製器具有很小的啁啾chirp效應、高調製帶寬、良好消光比和優越的器件穩定性，是高速器件中佼佼者。因此廣泛應用於高速高帶寬的長距離通信中。

3．LiNbO3技術門檻極高、重資本、長周期，需要IDM模式。不同於半導體的全球規模、結構化分工，有優秀的Fabless公司存在。在光電子產業（鈮酸鋰調製器）裡，全球優秀的公司都是IDM模式。鈮酸鋰調製器類產品設計難度大、工藝極其複雜。在設計、製造工藝、封裝等各個環節，均存在較高的門檻。屬於技術高、資金重，周期長的行業。行業內大公司的成長多依靠併購和合併，很難有「輕資產」公司快速殺出。

4．LiNbO3全球核心人才相對稀少，國內雖落後但增長可期。因為行業細分，公司又多以IDM模式存在，所以全球真正掌握核心高端技術的人才非常稀少。5G之前，光通信行業的發展一直以美國主導，所以國內光電子產業的發展相對落後。但是對有基礎的光電子產業公司也意味著迎來了重大機會。高質量的商用鈮酸鋰調製器，由於該類產品設計難度大、工藝極其複雜，國際市場上僅有美國Lumentum公司（原美國Oclaro公司）與日本Fujitsu公司等少數公司能夠批量供貨，市場佔有率超過90%，且價格居高不下。國內的光通信企業使用的鈮酸鋰調製器全部依靠進口。

鈮酸鋰調製器市場「窗口機會」少，切入壁壘高，跨多個行業 

     因為產品的特性，市場分布在各個細分行業。總體來說，屬於「有現階段」、「有未來可期」、「有明確進口替代」等諸多優點。每個行業都可以單獨寫一篇文章了，簡單介紹幾個：

    1．光通信行業，明確進口替代，「價值」高。國內光通信行業鈮酸鋰調製器80%由美國Lumentum供應，20%由日本Fujitsu供應。國內高速鈮酸鋰調製器只有個別廠家能達到指標，如浦丹光電。Lumentum限供，「窗口機會」向國內廠商打開。這塊市場雖然細分不太大，但是利潤價值可觀。

根據中國電子元件行業協會《中國光電子器件產業技術發展路線圖（2018-2022 年）》指出，目前國內核心的光通信晶片及器件仍然嚴重依賴進口，高端光通信晶片與器件的國產化率不超過10%，要求力爭在2020年實現鈮酸鋰調製器晶片及器件市場佔有率超過5%-10%，並不斷替代進口，擴大市場佔有率，並於2022年實現市場佔有率超過30%。 

中國光電子器件產業技術發展路線圖（2018-2022 年）

2．光纖陀螺，應用廣泛，市場空間大。光纖陀螺精度高，是慣性導航重要的一個分支。慣性導航應用廣泛，主要分為軍用和民用。而且隨著技術的發展，光纖慣導向上和向下延展性都非常高。

慣性導航應用場景
 
資料來源：中信建投證券研究發展部    3．微波光子學，未來可期。

微波光子學就是將微波信號變成光信號進行處理,好處有很多,比如光傳輸線穩定的延時,遠距離的低損耗,抗幹擾能力強,以及超寬的帶寬。華為任正非公開表示「能夠將5G和微波通信結合起來使用的，世界上只有華為」。

鈮酸鋰調製器的未來—薄膜鈮酸鋰調製器

    由於鈮酸鋰材料和工藝原因，鈮酸鋰調製器的尺寸大小無法縮小。在光模塊對埠密度越來越大的要求下，對光器件的尺寸要求越來越小，同時性能參數卻要求更高。這一矛盾限制了鈮酸鋰在更小及更高要求的下一代網絡中的應用。而且還阻礙了下一代通信、數據密集型傳統計算和量子信息處理技術的進步。

為了解決這一問題，2018年由哈佛大學、香港城市大學（CityU）和諾基亞貝爾實驗室已經設計出一種從根本上縮小鈮酸鋰調製器的尺寸和驅動電壓的方法。在這項突破性研究中，生產的電光調製器長度僅為1至2cm，其表面積比傳統電光調節器大概小100倍。它也非常高效——具有更快的數據傳輸速度，數據帶寬從35 GHz增加到100 GHz，但能耗低，光損耗更低。此發明將為未來高速、低能耗、低成本的通信網絡以及量子光子計算鋪平道路。 

圖片說明： 新型薄膜鈮酸鋰調製器調製器（中間紅色部分）比傳統調製器小很多（圖片來源: Dr. Wang Cheng and Dr. Zhang Mian）

    通過薄膜鈮酸鋰材料的低損傷幹法刻蝕工藝、矽與鈮酸鋰薄膜大面積鍵合工藝、矽和鈮酸鋰光波導的高效耦合方法以及大帶寬行波電極的設計等關鍵技術，製備的薄膜鈮酸鋰電光調製器具有成本低、尺寸小、可批量化生產、CMOS工藝兼容等優點，是未來高速光互連非常有競爭力的解決方案。

1．美國Lumentum放棄LiNbO3材料，轉向磷化銦（lnp）

      作者在2019年10月份閱讀Lumentum  2019年報，其中披露：在2019財年，我們宣布了停止開發和製造鈮酸鋰調製器的計劃。並計劃在2020財年結束在義大利的運營。在加利福尼亞州聖何塞的製造和開發也將停止。在接下來的幾個季度內進行定位，以幫助我們的客戶過渡到新產品。我們預計，隨著時間的推移，我們的磷化銦光子集成電路將取代鈮酸鋰調製器。 

    作者覺得目前磷化銦還是在一些情況，場景下達不到要求，鈮酸鋰調製器尤其自身獨有的特性，而薄膜鈮酸鋰將兼具各種優勢，兼容矽基，必將成為主流。

2．光庫科技(300620)收購Lumentum資產

    2019年12月3日，光庫科技發布公告，由公司或公司指定的子公司以現金方式收購賣方（Lumentum）位於義大利San Donato及其代工廠的LiNbO3（鈮酸鋰）系列高速調製器產品線相關資產，交易價格為1,700萬美元（不含稅）。

    2020年3月20日發布公告，募集資金7.1億，5.4億用於投資鈮酸鋰高速調製器晶片研發及產業化項目。