摘要：随着5G/6G通信技术、大数据、人工智能等应用领域的快速发展，新一代光子芯片的需要日益增长。铌酸锂晶体凭借优异的电光、非线性光学和压电特性，成为光子芯片的核心材料，被称为光子时代的“光学硅”材料。近年来，铌酸锂单晶薄膜制备和器件加工技术取得突破，展现出尺寸更小

全文刊载于《前瞻科技》2025年第1期“新材料前沿：技术创新与未来展望”。

文章摘要

随着5G/6G通信技术、大数据、人工智能等应用领域的快速发展，新一代光子芯片的需要日益增长。铌酸锂晶体凭借优异的电光、非线性光学和压电特性，成为光子芯片的核心材料，被称为光子时代的“光学硅”材料。近年来，铌酸锂单晶薄膜制备和器件加工技术取得突破，展现出尺寸更小、集成度更高、超快电光效应、宽带宽、低功耗等优势，在高速电光调制器、集成光学、量子光学等领域应用前景广阔。文章介绍了光学级铌酸锂晶体、单晶薄膜制备技术的国内外研发进展和相关政策，以及其在光芯片、集成光学平台、量子光学器件等领域的最新应用。分析了铌酸锂晶体-薄膜-器件产业链的发展趋势及挑战，并针对未来布局提出建议。目前，中国在铌酸锂单晶薄膜、铌酸锂基光电器件领域与国际先进水平处于并跑阶段，但在高品质铌酸锂晶体材料产业化方面仍有较大差距。通过优化产业布局和加强基础研发，中国有望形成从材料制备到器件设计、制造和应用的完整的铌酸锂产业集群。

随着5G/6G通信技术、大数据、人工智能、光通信、集成光子学及量子光学等领域的迅速发展，对新一代光子芯片及其基础晶体材料的需求日益迫切。铌酸锂（LithiumNiobate, LN）是一种多功能晶体，具有压电、铁电、热释电、电光、声光、光弹、非线性等性质，是目前在光子学方面综合性能最好的晶体之一。铌酸锂在未来光学器件中的作用类似于硅基材料在电子器件中的作用，因此也被称为光子时代的“光学硅”材料。铌酸锂单晶薄膜（Lithium Niobate Thin Film, LNOI）是一种基于铌酸锂晶体的薄膜材料，具有优异的光电特性：①高电光系数。铌酸锂单晶薄膜具有优异的电光效应，适合高速光调制器。②低光学损耗。薄膜结构减少了光传播损耗，适用于高性能光电器件。③宽透明窗口。在可见光和近红外波段具有高透明度。④非线性光学特性。支持二次谐波产生（Secondary Harmonic Generation, SHG）等非线性光学效应。⑤与硅基集成兼容。可通过键合技术实现与硅基光电子器件的集成。近年来，国内外部署的很多研究项目将铌酸锂晶体及单晶薄膜作为重要发展方向（表1），尤其在微波光子芯片、光波导、电光调制器、非线性光学、量子器件等领域。

表1铌酸锂领域的重要科技事件

Table 1Important technological events lithium field

铌酸锂薄膜已成为新一代多功能集成光子信息处理芯片基底的重要候选材料。基于铌酸锂晶体材料的光学调制器，2026年的市场容量预测为367亿美元。与硅光调制器和磷化铟调制器相比，薄膜铌酸锂调制器具有高带宽、低插损、低功耗、高可靠性及高消光比等优点，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。中国在晶体材料、晶体薄膜、加工手段、器件、系统都是自主可控。目前国内多家厂商已发布800 Gbps薄膜铌酸锂方案光模块，下游客户已测试相应产品，未来1.6 T光模块的应用优势将更加明显。

1 铌酸锂晶体及单晶薄膜研究进展

铌酸锂单晶的物理化学性质在很大程度上取决于[Li]/[Nb]和杂质。同成分铌酸锂（Congruent Lithium Niobate, CLN）晶体缺锂，所以含有大量的Li空位和反位Nb点缺陷。近化学计量比铌酸锂（Stoichiomentric Lithium Niobate, SLN）的[Li]/[Nb]接近1∶1，虽然具有优异的性能，但制备难度大、生产成本高。铌酸锂单晶分为声学级和光学级。主要从事铌酸锂晶体生长的相关单位如表1所示，其中，主要从事光学级铌酸锂生长的是日本企业。目前，光学级铌酸锂晶片国产化率低于5%，严重依赖进口。日本株式会社山寿陶瓷（简称山寿陶瓷）8英寸铌酸锂晶体及晶片已产业化（图1（a））。国内，天通控股股份有限公司（简称天通股份）、中电科技德清华莹电子有限公司（简称德清华莹）分别于2000年、2019年制备出8英寸铌酸锂晶体及晶片，但是还没有产业化量产。在化学计量比及光学级铌酸锂方面，我国铌酸锂晶体生长企业与日本企业还存在约20年的技术差距。所以国内迫切需要在高品质的光学级铌酸锂晶体的生长理论及工艺技术方面取得突破。

图1铌酸锂晶体及单晶薄膜

Fig. 1Lithium niobate crystal and single-crystal thin film

国际上铌酸锂光子结构及光子芯片、器件的突破性进展主要得益于铌酸锂薄膜材料技术的发展与产业化。然而由于铌酸锂单晶脆性很大，要制备低缺陷、高品质的百纳米级薄膜（100~2 000 nm）的难度非常大。离子注入和直接键合技术将体块单晶剥离成纳米级铌酸锂单晶薄膜，使大规模铌酸锂光子集成成为可能。目前，国际上只有少数几个公司，包括济南晶正、法国Soitec SA公司、日本碍子株式会社等公司，掌握生产铌酸锂单晶薄膜的制备技术。济南晶正采用离子束切片及直接键合核心技术，在全球率先实现产业化，形成了全球领先的铌酸锂薄膜品牌（NanoLN），支撑了国际上90%以上的铌酸锂薄膜器件基础研究与研发。2023年，济南晶正推出了8英寸光学级铌酸锂薄膜（图1（b）），也是业内首家将8英寸X轴铌酸锂晶体制成铌酸锂薄膜的企业。济南晶正系列产品的物理性能、厚度均匀性、缺陷抑制与消除等关键指标均处于国际领先水平。铌酸锂晶体、单晶薄膜制备相关企业情况见表2。

表2铌酸锂晶体、单晶薄膜制备相关企业

Table 2Manufacturing companies of lithium niobate crystals and single-crystal thin films

2 铌酸锂的先进应用

相比传统的铌酸锂单晶材料，薄膜铌酸锂具有更小的尺寸、更低的成本、更高的集成度，并且可以在更广泛的温度和电场条件下稳定工作。这些优势使其在5G通信、量子计算、光纤通信和传感器等领域中具有广泛的应用前景，尤其在光电调制、光信号处理和高速数据传输中展现了巨大的潜力（表3）。

表3铌酸锂晶体及单晶薄膜的主要应用领域

Table 3Main application fields of lithium niobate crystal and single-crystal thin film

2.1 高速电光调制器

铌酸锂调制器以其高速率、低功耗、高信噪比等优点，广泛应用于超高速干线光通信网、海底光通信网、城域核心网等领域。大尺寸光刻技术、超低损耗波导加工工艺和异质集成等关键技术，推动了薄膜铌酸锂调制器的发展，使其得以支持800 Gbps和1.6 T高速光模块应用。相比磷化铟、硅光和传统的铌酸锂等材料，薄膜铌酸锂具备超高带宽、低功耗、低损耗、小尺寸，以及可实现晶圆级大批量生产等突出特点（表4），成为光电调制器的理想材料。全球薄膜铌酸锂调制器市场稳步增长，预计2029年全球市场总额将达到20亿美元，年复合增长率达41.0%。

表4光模块用基体材料性能对比

Table 4Performance comparison of substrate materials for optical modules

国际上，哈佛大学研究团队于2018年成功研制出100 GHz带宽的互补金属氧化物半导体（Complementary Metal OxideSemiconductor, CMOS）兼容集成马赫-曾德尔干涉仪（Mach-Zehnder Interferometer, MZI）电光调制器，而富士通光器件有限公司在2021年推出了全球首款商用200 GBaud薄膜铌酸锂调制器。国内进展同样显著，中山大学研究团队在2019年实现了硅与铌酸锂混合集成的电光调制器；宁波元芯光电子科技有限公司于2021年发布了全国产薄膜铌酸锂强度调制器产品；2022年，中山大学与华为公司合作，开发出世界首例基于铌酸锂薄膜的偏振复用相干光调制器芯片，铌奥光电的铌酸锂薄膜相干调制器芯片支持了260 GBaud DP-QPSK（Gigabaud Dual Polarization Quadrature Phase Shift Keying）信号100 km光纤传输；2023年，珠海光库科技股份有限公司（简称光库科技）展示了超高带宽和小体积的薄膜铌酸锂强度调制器产品；成都新易盛通信技术股份有限公司（简称新易盛）将该技术应用于800 Gbps光模块，功耗仅为11.2 W。薄膜铌酸锂在远距离传输、城域网和数据中心互联网络相干应用，以及数据中心和人工智能集群的四电平脉冲幅度调制（Pulse Amplitude Modulation 4, PAM-4）应用中展现出巨大的潜力，如光库科技的130 GBaud相干驱动调制器和800 Gbps PAM-4产品，以及由美国HyperLight公司、新易盛和美国Arista网络公司联合推出的PAM-4收发器。这些产品充分展示了薄膜铌酸锂技术在提升带宽和降低功耗方面的显著优势。目前，中国在该领域与国际先进水平处于并跑阶段。

2.2 铌酸锂集成光学平台

在铌酸锂集成光学平台上，实现了从频率梳到频率转换器和调制器的应用，而把激光器集成在铌酸锂芯片上是一个重大挑战。2022年，哈佛大学研究团队联合HyperLight和Freedom Photonics公司，在铌酸锂集成光学平台上实现了芯片级飞秒脉冲源和全球首个铌酸锂芯片全集成高功率激光器（图2（a））。该类铌酸锂片上激光器集成了高性能、即插即用（Plug-and-play）激光器，可显著降低未来通信系统的成本、复杂性和功耗，同时可以集成到更大的光学系统中，能够广泛应用于传感、原子钟、激光雷达、量子信息、数据电信等领域。进一步开发同时具有窄线宽、高稳定性、可高速调频性能的集成激光器也是业界的重要需求。2023年，瑞士联邦理工学院和IBM公司的研究人员在铌酸锂-氮化硅异质集成光学平台上实现了低损耗、窄线宽、高调制速率、稳定的激光输出，约10 GHz的重复率、1 065 nm的4.8 ps光脉冲、能量超过2.6 pJ、峰值功率超过0.5 W。

图2铌酸锂光子集成应用

Fig. 2Integrated lithium niobate photonic application

美国国家标准与技术研究院研究人员基于引入多段纳米光子集成薄膜铌酸锂波导，结合工程色散和啁啾准相位匹配，成功地产生了跨越紫外至可见光谱的连续频率梳频谱。香港城市大学研究团队开发的集成铌酸锂微波光子芯片，可运用光学进行超快模拟电子信号处理及运算，比传统电子处理器快1 000倍，具有67 GHz的超宽处理带宽和出色的计算精度。2025年，南开大学与香港城市大学研究团队合作，基于4英寸薄膜铌酸锂平台，成功研发了全球首款集成薄膜铌酸锂光子毫米波雷达，实现了厘米级距离、速度探测分辨率及逆合成孔径雷达二维成像的突破性进展（图2（b））。传统毫米波雷达通常需要多个分立部件协同工作，而通过片上集成技术，将雷达的核心功能全部集成到1块15 mm×1.5 mm×0.5 mm的芯片上，大幅减少了系统复杂度。该技术将应用在6G时代的车载雷达、机载雷达和智能家居等领域。

2.3 量子光学应用

在铌酸锂薄膜上集成了多种功能器件，如纠缠光源、电光调制器、波导分束器等。这种集成化的设计能够实现片上光量子态的高效产生和高速操控，使得量子芯片的功能更加丰富和强大，为量子信息的处理和传输提供了更高效的解决方案。斯坦福大学的研究人员将金刚石和铌酸锂组合在1块芯片上，金刚石的分子结构易于操纵，可容纳固定的量子比特，而铌酸锂可以改变穿过它的光的频率，实现对光的调制。这种材料的组合为量子芯片的性能提升和功能拓展提供了新的思路。光的压缩量子态的生成与操控是量子增强技术的核心基础，但其制备系统通常需要额外的大型光学元件。加州理工学院的研究团队基于铌酸锂材料成功研制出集成纳米光子学平台，实现在同一光学芯片上完成压缩态的生成与测量。这种在纳米光子学体系中实现亚光学周期压缩态的制备与表征技术，为发展可扩展量子信息系统提供了重要技术路径。

3 发展趋势及挑战

随着人工智能、大模型的发展，未来铌酸锂发展的增长点主要集中在高端光芯片领域（表5），具体包括突破高速光调制器、激光器和探测器等核心光芯片技术；推动铌酸锂薄膜在光芯片中的应用，提升器件性能；加强铌酸锂薄膜制备技术的研发，实现高质量薄膜的规模化生产；推动铌酸锂薄膜与硅基光电子器件的集成，降低成本。

表5铌酸锂光子学及其未来应用展望

Table 5Outlook of lithium niobate photonics and its applications

光学铌酸锂主要应用于光通信、光纤陀螺、超快激光器、有线电视等领域，最快进入成熟应用的方向可能是光通信。在光通信领域，铌酸锂调制器芯片及器件市场规模约100亿元。中国很多高品质光学级铌酸锂衬底需从日本进口。随着日本对中国半导体领域限制加大，铌酸锂衬底可能会出现在限制名单中。随着高速相干光传输技术不断从长途/干线下沉到区域/数据中心等领域，用于高速相干光通信的数字光调制器需求将持续增长，2024年全球高速相干光调制器出货量将达到200万端口。相应地，对铌酸锂衬底的需求也会大幅增加。

光学铌酸锂材料端量产的最大瓶颈是光学品质的一致性，包括晶体材料本身的组分、缺陷、微结构的一致性，以及电光学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing, CMP）工艺加工晶片的精度等。与国外相比，主要还是更深层次的晶体生长科学技术问题研究不足。高品质光学级LN生长亟待深入研究以理解其多尺度物理化学机制。例如，高温熔体中的团簇结构、固-液界面结构、界面离子输运，以及生长过程中的动态缺陷结构和形成机制、真实晶体生长过程的仿真模拟等。“如何突破大尺寸晶体材料的制备理论和技术？”位列2021年中国科协发布的10个前沿科学问题首位，说明大尺寸晶体材料制备方面的基础科学问题已经成为制约该行业快速发展的关键。

铌酸锂电光器件技术挑战主要为薄膜化、刻蚀及CMP工艺，存在脊型波导表面粗糙度高、加工良率低等难题；光学应用对晶片及器件加工要求高，高精度设备基本被国外设备垄断；铌酸锂单晶薄膜化带来的缺陷变化及对结构-性能关系的影响，如集成光学平台中铌酸锂薄膜直流漂移问题。

4 建议

（1）加强战略规划与政策引导，建立创新生态高地，实现集群效应。铌酸锂单晶薄膜在光电芯片、光子芯片、集成光子学器件等领域的应用前景广阔，政府建立战略规划与政策引导，构建以“铌酸锂谷”为核心生态圈、产业集聚区，鼓励培养初创公司，推动铌酸锂产业的快速发展与壮大。

（2）加强材料、器件和系统企业、科研院所的合作，形成协同创新生态。高校和科研机构提供理论研究和技术支持，企业则负责将研究成果转化为实际产品，推动铌酸锂技术的产业化应用。相关企业之间形成合作联盟，共同攻克技术难题，共享资源和市场。例如，在铌酸锂材料的生产、器件的制造及应用开发等方面，企业之间可以通过合作来提高效率、降低成本，增强市场竞争力。

（3）加强“第一性原理”，开拓颠覆性技术路径。以“第一性原理”为视角，紧抓原始技术与基础科学问题，实现铌酸锂晶体、薄膜到器件核心技术的研发，开拓颠覆性技术路径。例如，探索铌酸锂在量子技术中的应用，如量子计算、量子通信等。

（4）跨学科合作与技术融合，培养复合型人才。铌酸锂晶体、薄膜及器件研发需要物理学、化学、材料科学、电子工程、软件、人工智能等多学科的知识和技术，需要更多复合型人才。因此需要政府的人才引进政策 （如落户补贴、住房优惠）吸引更多国内外高端人才。就业市场促进人才的流动和企业的创新。

5 结束语

中国在铌酸锂单晶薄膜、先进器件等方面与国际先进水平处于并跑阶段，但在高品质晶体生长、器件产业、先进应用等方面还存在一些问题。例如：进一步提高铌酸锂单晶薄膜的均匀性和光学性能，实现更高品质因子和更低损耗的器件仍需进一步突破加工工艺与材料制备技术，开发更加精确的数值模拟和优化方法。未来需要推动铌酸锂薄膜光电子器件的大规模集成，降低成本，进一步拓展铌酸锂在集成光学、量子计算、生物传感等新兴领域的应用。中国在光电子产业链上具有完整的布局，有望形成具有国际竞争力的铌酸锂产业集群。

来源：前瞻科技杂志