从光通信到量子计算
夜晚的光纤世界，总有一些肉眼看不见的信号在闪烁。它们以光速穿行，从海底电缆到数据中心，再到你的手机屏幕，每一次“点赞”和“推送”背后，都是亿万次光的跃迁。而在这场无声的速度竞赛中，有一种材料正在悄悄成为主角——薄膜铌酸锂（Lithium Niobate on Insulator，LNOI）。
如果把信息传递比作一场交响乐，硅是稳重的钢琴，砷化镓是嘹亮的小号，而铌酸锂则像一位能“操控光线”的指挥家。它能让光的节奏加快、弯折、甚至在芯片上完成“舞步”般的调制。几十年前，铌酸锂只是科研实验室中做激光器和光学调制器的老材料；如今，当它被打磨成纳米级的薄膜，新的故事开始了——它正成为量子通信、5G光模块、光子芯片的“魔法基底”。
铌酸锂并不陌生。早在上世纪六十年代，它就被广泛用于光通信的电光调制器，被誉为“光学界的硅”。其高电光系数、宽透明窗口和优异的非线性特性，使其在光纤通信、激光和频率转换领域长期占据核心位置。
但进入量子计算时代，传统块体铌酸锂显得笨重而昂贵，难以在片上实现大规模集成。薄膜铌酸锂（LNOI）的出现改变了这一局面。研究人员通过剥离与键合工艺，将铌酸锂减薄至300–600纳米，并转移到绝缘衬底上。这不仅保留了材料的电光优势，还赋予其与硅光子工艺兼容的能力。对于量子芯片而言，这意味着LNOI不仅能实现单光子级的高速相移和干涉，还能成为实现量子逻辑门和纠缠操作的关键材料。
根据Yole Intelligence的预测，全球LNOI市场规模将在2024年达到6亿美元，到2030年预计突破30亿美元，其中超过30%应用于量子计算与通信。
薄膜铌酸锂的制造过程，堪称一场“微观手术”，需要经历基底制备、波导刻蚀、电极沉积、异质集成、封装与测试等过程，每一个环节都需要纳米级的精确控制。“硅工艺追求的是规模和成本，而铌酸锂工艺追求的是精度和良率。”一家代工厂的工艺总监指出，“它更像是定制级工艺，量产仍需时间。”
薄膜铌酸锂光子结构的工艺流程（《中国激光》创刊50周年|薄膜铌酸锂：机遇与挑战）
世界各国的步伐
目前中国大陆已在LNOI产业链上形成初步布局：
• 材料端：武汉光谷企业提供4–6英寸晶圆，部分进入科研验证。
• 科研端：清华、中科院物理所、上海交大在低损耗波导与器件方面接近国际前沿。
• 制造端：上海硅产业集团联合代工厂开展LNOI光子芯片流片。
• 应用端：国盾量子、光子芯片（苏州）等企业推动通信与计算落地。
一位量子芯片公司的项目经理指出：“硅光子用了二十年才成产业，LNOI的机会可能会更快， 因为量子技术的窗口期已经摆在我们眼前。”
美国与欧洲
• 耶鲁大学、哈佛大学：在LNOI波导与量子干涉实验上领先。
• 日本NTT：在调制器与频率转换方面经验深厚。
• 法国Soitec：全球主要 LNOI 基底供应商，已能批量提供6英寸晶圆。
• 荷兰QuiX Quantum：推出商用LNOI量子光子芯片。
一位欧洲材料公司高管在国际光子会议上坦言：“在科研上，美国和欧洲或许领先，但中国在产业化和市场规模上，完全可能实现后来居上。”
欧洲“ELENA项目-LNOI光子芯片全流程服务
铌酸锂市场：增长动力与挑战
增长动力
根据Research Nester预测，锂酸锂市场规模在2024年超过42.8亿美元，预计到2037年将超过104.4亿美元，在预测期内（即2025年至2037年）的复合年增长率将超过7.1%。预计到2025年，锂酸锂的行业规模将达到45.4亿美元。
铌酸锂市场的增长动力主要有以下几点：
•5G技术需求：5G网络需要铌酸锂等先进组件来实现超高速和更高性能。随着越来越多的国家和公司推出5G技术，对铌酸锂的需求持续增长，从而推动了铌酸锂市场的增长。今年底，全球5G用户将超过14.1亿。
• 光学应用：随着铌酸锂在光学应用中的应用日益广泛，其市场规模也在不断扩大。例如，调制器和开关就是由这种用途极为广泛的材料制成的。由于其特殊的特性，包括高光学损伤阈值和优异的电光系数，铌酸锂成为光学元件的首选。数据中心、电信和航空航天等领域对光学技术的日益依赖， 推高了对铌酸锂的需求，并推动了市场扩张。
• 医疗保健领域的应用：由于其卓越的特性，铌酸锂广泛应用于医疗保健行业，用于制造传感器和超声波换能器等尖端医疗设备。材料的高压电系数和生物相容性对于精确、安全的医疗器械开发至关重要。铌酸锂在医疗保健行业的应用也在不断扩大。人们对更精准、更有效的医疗设备的需求，能够增强患者护理并提高治疗效果，这加速了市场的增长。
LNOI市场趋势（Research Nester）
市场挑战
• 生产成本高：铌酸锂制造工艺复杂且成本高昂，导致生产成本较高。在某些应用领域，这可能会降低其与其他材料相比的竞争力。
• 来自替代材料的激烈竞争可能会阻碍铌酸锂市场的增长。
• 对环境恶化的担忧可能会阻碍市场增长。
基于薄膜铌酸锂的集成光子芯片示例（麦姆斯咨询）
未来展望
LNOI的未来不会是单一发展的故事，而是与其他技术的共舞：
• 与硅光子：形成“规模+ 性能”的最佳组合，推动量子芯片量产。
• 与超导/离子阱量子：促进跨平台混合量子系统。
• 与AI与数字孪生：通过智能优化工艺参数，提升良率与可重复性。
“硅光子像高速公路，而薄膜铌酸锂是精密的立交桥。没有它，量子信息的交通系统无法真正高效运行。”在一次光芯片的研讨会上，一位工程师这样形容。
未来十年，当量子计算真正走进商业世界，薄膜铌酸锂或许不再是“隐形基石”，而会被铭记为量子时代的关键材料。