• 欢迎访问中国光电光电子行业网! 主办单位:中国光学光电子行业协会
铌酸锂为什么被称为光学硅
发布时间:2023-09-11    来源:网络搜集   阅读次数:12254 分享到:
铌酸锂也被称为光学硅。有这么一句话 “铌酸锂之于光通信,相当于硅之于半导体”。硅在电子革命中的重要性,那么是什么让业界如此看好铌酸锂材料呢?

铌酸锂(LiNbO3)在业内被称之“光学硅”。除了拥有良好的物理化学稳定性、较宽的光学透明窗口(0.4m~5m)、较大的电光系数(33=27 pm/V)等天然优势外,铌酸锂还是一种原材料来源丰富、价格低廉的晶体,被广泛的应用于高性能滤波器、电光器件、全息存储、3D全息显示、非线性光学器件、光量子通信等方面。在光通信领域,铌酸锂主要起起着光调制作用,已成为当前高速电光调制器市场的主流产品。
当下,行业内光调制的技术主要有三种:基于硅光、磷化铟和铌酸锂材料平台的电光调制器。硅光调制器主要是应用在短程的数据通信用收发模块中,磷化铟调制器主要用在中距和长距光通信网络收发模块,而铌酸锂电光调制器则主要用在100Gbps以上的长距骨干网相干通讯和单波100/200Gbps的超高速数据中心中,在上述三种超高速调制器材料平台中,近几年出现的薄膜铌酸锂调制器具备了其它材料无法比拟的带宽优势。

铌酸锂是一种无机物,化学式为LiNbO3,是一种负性晶体、铁电晶体,经过极化处理的铌酸锂晶体具有压电、铁电、光电、非线性光学、热电等多性能的材料,同时具有光折变效应。铌酸锂晶体是用途最广泛的新型无机材料之一,它是很好的压电换能材料,铁电材料,电光材料,铌酸锂作为电光材料在光通讯中起到光调制作用。铌酸锂产业链下游环节市场中光纤陀螺占比较大,对铌酸锂的需求较为依赖。据统计,中国光纤陀螺市场规模逐年攀升,由2018年的56吨增长至2022年的187.5吨,2022年同比增长19.73%,预计截至2023年光纤陀螺市场规模将达到221.4亿元。

全球对铌酸锂晶体的需求逐年增加,市场营收情况逐年攀升。据统计,2016年全球铌酸锂晶体营业收入为1.24亿美元,2022年增长至1.46亿美元。2016年至2022年复合增长率为1.46亿美元。光学级是铌酸锂晶体的主要类型,2022年全球光学级铌酸锂品体销售收入约0.85亿美元,约占全球销售收入的60%,此外,日本拥有全球最大的铌酸锂晶体出口量和制造商、而欧洲是铌酸锂品体的第二大销量市场。随着下游市场需求的迅猛增长,近年来我国铌酸锂单晶市场规模不断扩大,2021年中国铌酸锂单晶市场规模达3.00亿元,同比增长13.21%,预计2022年中国铌酸锂单晶市场规模将达到3.56亿元。

具有“光学硅”之称的铌酸锂材料通过最新的微纳工艺,在硅基衬底上蒸镀二氧化硅(SiO2)层,将铌酸锂衬底高温键合构造出解理面,最后剥离出铌酸锂薄膜,这样制备出的薄膜铌酸锂调制器具有高性能、低成本、小尺寸、可批量化生产、且与CMOS工艺兼容等优点,是未来高速光互连极具竞争力的解决方案。传统铌酸锂调制器行业竞争格局较为稳定,全球仅有富士通、住友和光库科技三家主要供应商可以批量供货,我国电信级铌酸锂系列高速调制器器件基本依赖进口。受益于国内薄膜铌酸锂产业链逐渐成熟,随下游新易盛等厂商相继展示或推出薄膜铌酸锂光模块,国内厂商有望在薄膜铌酸锂调制器领域占据卡位优势。

如果说电子革命的中心是以使其成为可能的硅材料命名的,那么光子学革命可能就要溯源到铌酸锂这种材料身上了,具有“光学硅”之称的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无色透明材料。它的诸多性能可以通过晶体组分、元素掺杂、价态控制等因素调控。被广泛用来制备光波导、光开关、压电调制器、电光调制器、二次谐波发生器、激光倍频器等多种产品。在光通信产业中,调制器则是铌酸锂的重要应用市场。

随着 5G 与 AI、大数据、物联网、人工智能等技术深度融合,将触发更多 To B 端和 To C 端的新型应用场景,从而进一步打开流量增长的空间。数据量的持续增长,高带宽通讯的需求不断增加,核心光网络向超高速和超远距离传输升级,对光通信骨干网的需求也在不断增加。光调制器是光通讯的重要环节,其中,电光调制器是现在通信产业的核心部件。电光调制器位于光发射环节,它将通信设备中的高速电子信号转化为光信号,进而实现信息在光纤中的远距离高速传输。

从实际应用来看,电光调制器的制备可分为硅基方案、磷化铟(InP) 方案和铌酸锂(LiNbO3)三种方案,三者相比较来说铌酸锂性能优势明显,能够充分满足传输距离长(100 公里以上)、容量大(100G 以上)的需求 ,主要用于100Gbps以上直至1.2Tbps的长距离骨干网相干通讯。铌酸锂虽然相较之硅基方案和磷化铟方案优势明显,但是传统铌酸锂基电光调制器的信号质量、带宽、半波电压、插入损耗等关键性能参数的提升逐渐遭遇瓶颈,并且技术革新要求其在端口密度越来越大的情况下不增加调制器臂长度的情况下减小调制电压,传统铌酸锂调制器的弊端凸显无疑。

传统铌酸锂电光调制器以体铌酸锂为材料,对光场的束缚能力差,其封装后的尺寸较大。

薄膜铌酸锂调制器(thin-film lithium niobate modulator)是一种基于铌酸锂(LiNbO3)材料制作的光学调制器。它利用铌酸锂具有的电光效应来实现光信号的调制。

薄膜铌酸锂调制器是将铌酸锂薄膜沉积在光纤或者其他光学波导上,形成一个光学调制器。当施加电场时,铌酸锂薄膜会发生折射率变化,从而改变光的传输特性,实现光信号的调制。相比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中。

薄膜铌酸锂调制器在光通信、光传感、激光雷达等领域都有广泛的应用。

铌酸锂调制器是相干通信光模块的必要组件 光信号调制是光模块的必要功能,但是调制器不是光模块中的必要器件。在短距 离场景下,可以采用内调整的方式替代独立的调制器;在中长距光通信场景中,特别 是相干通信中,调制器则是必要器件。目前行业内的主流电光调制器有三种,其基底分别采用硅、磷化铟和铌酸锂材料, 并且根据其优缺点不同,可适用于不同通信距离的应用场景。其中,铌酸锂电光调制器主要用在100Gbps以上的长距骨干网相干通讯和单波100/200Gbps的超高速数据中心中。

基于铌酸锂(LiNbO3)的调制器可以提供更低的光损耗和更高的最大调制频率: 基于硅基的调制器期限速率约为 60-90Gbaud,基于磷化铟(InP)调制器可达到 130Gbaud,而基于 LiNbO3 的调制器可能超过 130 Gbaud。基于这种优势,铌酸锂调制器在长途相干光传输和超高速数据中心的场景具备良好的竞争力。铌酸锂材料走向薄膜化后,在具备优秀光学性能的同时,还能做到小型化,可满足相干光模块、数通光模块日渐小型化的要求。

2021-2027年100G及以上相干DSP市场规模从8.47亿美元增长至21.35亿美元,6年CAGR为16.65%;薄膜铌酸锂调制器适配的 600G 及以上相干光模块 DSP 市场,有望从 2021 年 的 1.31 亿美元,增长至 2027 年的 9.92 亿美元,6 年 CAGR 为 40.06%,薄膜铌酸锂调制器行业具备较高的成长性。铌酸锂调制在 800G PAM4 市场有望实现突破,从 2022 年开始全球 800G 以太网光模块出货量有望超过 15 万片,并在 2023-2025 年快速增长。2023-2025 年 800G 以太网光模块全球市场份额分别达到 4.25/9.87/18.98 亿美元,分别同比增长 133%/132%/92%。(来源:LightCounting 的预测数据)。
免责声明:来源标记为网络的文章其原创性及文中陈述文字和内容未经协会证实,对本文以及其中全部或者部分内容、文字的真实性、完整性、及时性本站不作任何保证或承诺请读者仅作参考并请自行核实相关内容。

图解衍射光学元件(DOE)75年的发展

下面的路线图描绘了从 1948 年到 2023 年衍射光学元件75 年的发展历程,强调了关键的理论和技术突破,同时引用了这次非凡探险中的重要工作。....

02-26

黄玲玲:探照微纳光学世界的科学家

走近北京理工大学光电学院教授、第二十五届茅以升科学技术奖——北京青年科技奖获得者黄玲玲。....

01-04
中国光学光电子行业协会版权所有@2024
010-84321456/1457
coema@coema.org.cn
北京市朝阳区酒仙桥路四号中国电科十一所园区