薄膜铌酸锂：半导体产业的下一个突破点

薄膜铌酸锂：半导体产业的下一个突破点

在最近的浦江创新论坛上，众多顶尖专家深入探讨了薄膜铌酸锂在半导体产业中的应用前景。中国科学院院士祝世宁强调，薄膜铌酸锂因其低损耗、易调控、非线性等特性，在高速通信、精密感知、光计算等多个领域展现出巨大潜力。随着技术的不断进步，薄膜铌酸锂有望成为推动半导体产业跨越式发展的关键材料。

薄膜铌酸锂是一种具有革命性意义的新材料，其独特的物理特性使其在半导体领域展现出广阔的应用前景。薄膜铌酸锂具有超宽的光学透明窗口，以及优异的非线性、电光、声光、压电、热电和光折变等特性。这些特性使得薄膜铌酸锂在集成光子学、集成非线性光子学的研究中受到极大关注。

近年来，基于智能剥离技术，人们研发了新型的薄膜铌酸锂和相关器件的加工工艺，极大地缩小了铌酸锂功能器件的尺寸，使大规模高密度铌酸锂光子集成成为现实。新兴的薄膜铌酸锂因其出色的光学特性和多功能性，在当前的集成光子学、集成非线性光子学的研究中受到了极大的关注。截至目前，薄膜铌酸锂商业化刚满十年，这也是薄膜铌酸锂基集成光学迅猛发展的黄金十年。目前，铌酸锂集成器件已经实现远超传统极限的高效率非线性频率变换、超高速电光调制、高性能射频滤波、宽带光学频率梳、波长捷变激光器、高亮度量子光源等功能集成。基于这些丰富的高性能器件以及多功能器件的高密度集成，可在片上实现对光的产生、调控、频率变换、探测等操作，未来薄膜铌酸锂集成光芯片通过复杂集成回路将可望实现经典或量子光信息处理、光模拟及光计算芯片，并突破电子学瓶颈，原理概念如图1所示。为此，2017年美国哈佛大学发表了题为“现在该进入铌酸锂谷的时代了(Now entering，Lithium Niobate Valley)”的报道[20]。

在当前电子信息迈入光子信息的大趋势下，薄膜铌酸锂集成光子学将是下一代颠覆性技术之一。得益于薄膜铌酸锂高密度集成光子方案，当然再通过混合/异质集成，可将微波电子、核心光子功能、无源光学和其他技术结合到小型化片上系统中，从而实现高速复杂的光信息处理、高性能光电子甚至全光计算。这其中，非线性光学原理是实现全光信息处理(即“光控光”)的重要手段之一，但是光本身的抗干扰特性使得很难实现弱光下的光光相互转换。因此需要发展高性能的非线性光子学器件，通过微纳结构或者微腔进行光场局域增强，提高光与物质相互作用效率，从而达到弱光非线性的目的。由于薄膜铌酸锂的波导折射率对比度高达0.7，利用纳米波导即可以支持光导波模式传输。如此强的光场局域可以显著增加光场能量密度以及非线性强度，并为大规模集成和色散调控提供了独特的能力。薄膜铌酸锂已被视为具有光明前景的集成光子学平台，利用它可以突破很多传统非线性光学研究的局限。

薄膜铌酸锂技术的突破不仅体现在基础研究上，产业化进程也在加速推进。南智先进光电集成技术研究院（南智光电）近期启动了铌酸锂光子芯片产线，该产线配备了3.5亿元规模的设备，拥有5000平方米的超净间，覆盖了整个产业链的核心工艺，月产能达到一千片晶圆。这一进展标志着国内薄膜铌酸锂光子芯片产业化迈出了重要一步。

在应用方面，光库科技及其子公司展示了多款基于薄膜铌酸锂的产品，包括130 GBaud相干调制器和800 Gbps DR8调制器芯片等。这些产品展示了薄膜铌酸锂在高速光通信和数据中心应用中的潜力。光库科技还与Hyperlight联合主办了两场薄膜铌酸锂产业论坛，聚焦技术与应用的最新进展。

政策层面，广东省人民政府办公厅印发的《广东省加快推动光芯片产业创新发展行动方案（2024—2030年）》明确提出，要加大对高速光通信芯片、高性能光传感芯片、薄膜铌酸锂材料等方向的研发投入力度，着力解决产业链供应链的“卡点”“堵点”问题。方案还提出，到2030年要取得10项以上光芯片领域关键核心技术突破，打造10个以上“拳头”产品，培育10家以上具有国际竞争力的领军企业，建设10个左右国家和省级创新平台，培育形成新的千亿级产业集群。

薄膜铌酸锂作为新材料技术的代表，正成为推动中国半导体产业实现技术突破和自主可控的关键力量。其在集成光子学中的应用，不仅有助于解决中国半导体产业面临的“卡脖子”问题，还将推动整个产业向更高水平迈进。随着技术的不断进步和政策的大力支持，薄膜铌酸锂有望引领半导体产业实现新的飞跃。