铌酸锂晶体行业研究报告：AI革命催生新需求，国产替代推动新方向

AI对算力需求是加速光模块向800G以上迭代的主要推动力。光通信是算力网络的重要基础和坚实底座，800G光模块具有高速传输、高密度、低功耗和高可靠性的特点，可广泛适用于IDC数据中心、光通信骨干网等应用场景。因此AIGC的高速发展将加速光模块向800G及以上产品迭代。根据Lightcounting预测，800G光模块有望从2025年底开始主导市场。按照销售额口径统计，800G光模块的占比有望从2022年的7%上升至2025年的50%，达到16亿美元。 调制器为光模块核心部件之一，铌酸锂材料也是调制器的重要组成部分。调制器是光模块的重要组成部分之一，其主要功能是将电信号转化为可传输的光信号。 根据头豹研究院2022年6月报告，在中端光模块中，光器件成本占比约73%； 根据光库科技2020年8月公告，预计2023年薄膜铌酸锂调制器成本构成中，直接材料费比例达到59%，因而铌酸锂材料在调制器中也是重要组成部分之一。 薄膜铌酸锂调制器适配于高速率光模块，头部企业均有布局。常见的电光调制器按材料划分主要可以分为硅基调制器、磷化铟调制器和铌酸锂调制器。薄膜铌酸锂调制器具有尺寸小、带宽大的优点，适配于800G等高速率光模块场景。基于硅基的调制器速率约为60-90Gbaud，磷化铟（InP）调制器可达到130Gbaud，薄膜铌酸锂调制器已有产品速率可达到260Gbaud。因而随着后续800G、1.6T甚至更高速率光模块的推进，光/电单信道200 Gbit/s技术将会实现普及，铌酸锂技术路线未来可期。国内头部企业新易盛、联特科技等均有铌酸锂产品或产业布局，华为及其旗下哈勃投资已参股铌酸锂晶体及薄膜铌酸锂企业。 大尺寸铌酸锂晶体制备工艺难度较大，长晶的热场设计或是核心环节之一。由于下游器件向小型化、批量化、低成本方向发展，因而也要求铌酸锂晶体材料向大尺寸方向发展，对于大尺寸(6-10英寸)铌酸锂单晶生长来说，存在生长界面温场调控困难、继承性缺陷多、晶体热应力大等问题，极易导致晶体开裂，因而单晶生长过程中的热场设计或为最重要的环节之一。国内已有诸如天通凯巨（天通股份子公司）、南智芯材、德清华莹（央企中电科技控股、华为参股）等企业布局大尺寸产品。 大尺寸铌酸锂晶片市场被国外厂商垄断，国产替代未来可期。全球铌酸锂单晶行业主要企业为日本信越化学、日本住友金属、德国爱普科斯、德国Korth Kristalle、中国台湾兆远科技、中国大陆德清华莹和天通股份等。根据共研网数据统计，2021年国内铌酸锂企业产能主要集中在德清华莹和天通股份，约各占40%，而目前大尺寸铌酸锂晶片市场仍被国外厂商垄断，国产率低于5%。从各公司铌酸锂晶体产品指标对比看，如厚度偏差、翘曲度、透光范围等核心指标国内企业已接近国外第一梯队日本住友金属、德国Korth Kristalle等企业，国产替代值得期待。 预计2025年全球铌酸锂晶体市场规模有望达到35.0-40.4亿元。综合考虑声学级铌酸锂晶体在SAW滤波器下游应用以及光学级铌酸锂晶体在光模块以及光纤陀螺等下游的应用，根据保守和乐观两种假设测算，预计2025年全球铌酸锂晶体市场规模有望达到35.0-40.4亿元，2022-2025年CAGR17.9%-23.6%，其中光模块领域薄膜铌酸锂市场规模的占比将有望达到7.2%-19.6%。 投资建议：建议关注国内布局铌酸锂晶体材料的天通股份。 风险提示：滤波器、光模块需求不及预期、替代品技术路线快速发展迭代等。 投资聚焦 AI对算力需求是加速光模块向800G以上迭代的主要推动力。调制器为光模块核心部件之一，随着后续800G、1.6T甚至更高速率光模块的推进，光/电单信道200 Gbit/s技术将会实现普及，铌酸锂技术路线未来可期。国内头部企业新易盛、联特科技等均有铌酸锂产品或产业布局，华为及其旗下哈勃投资已参股铌酸锂晶体及薄膜铌酸锂企业。 我们的创新之处 详细拆分铌酸锂下游声学级和光学级领域应用，并预测未来铌酸锂晶体市场规模空间。 股价上涨的催化因素 1、下游需求如SAW滤波器以及800G、1.6T光模块产品高速增长。 2、薄膜铌酸锂技术路线大规模商用开启。 3、大尺寸铌酸锂晶体国产替代加速推进。 投资观点 目前大尺寸铌酸锂晶片市场仍被国外厂商垄断，国产率低于5%。综合考虑声学级铌酸锂晶体在SAW滤波器下游应用以及光学级铌酸锂晶体在光模块以及光纤陀螺等下游的应用，预计2025年全球铌酸锂晶体市场规模有望达到35.0-40.4亿元，2022-2025年CAGR17.9%-23.6%。建议关注国内布局铌酸锂晶体材料的天通股份。 1、算力需求增长催生800G光模块需求 算力是数字经济时代新生产力，已成为推动数字经济发展的核心力量、支撑数字经济发展的坚实基础，对推动科技进步、促进行业数字化转型以及支撑经济社会发展发挥重要的作用。 图1：先进计算机技术产业体系框架 根据中国信通院《中国算力发展指数白皮书(2021年)》测算，算力每投入1元，将带动3-4元的经济产出。在IDC、浪潮信息和清华大学联合编制的《2022-2023全球计算力指数评估报告》中，IDC通过对样本国家的IT支出与数字经济、GDP的投入产出比计算，IT支出每投入一美元资金可以拉动15美元的数字经济产出，拉动29美元的GDP产出。 图2：算力和实际收益的投入产出比 另外，《2022—2023全球计算力指数评估报告》也显示，十五个样本国家的计算力指数平均每提高1点，国家的数字经济和GDP分别增长3.6‰和1.7‰，并且预计该趋势在2023年到2026年继续保持。 图3：计算力指数与经济指数相关性分析 算力水平方面，据《中国算力发展指数白皮书（2022年）》，美国、中国、欧洲、日本在全球算力规模中的份额分别为34%、33%、14%和5%，全球基础算力竞争以美国和中国为第一梯队且差距在不断缩小。据中国信息通信研究院测算，2021年我国计算机设备算力总规模达到202EFlops，全球占比约为33%，保持50%以上的高速增长，高于全球增速；其中，基础算力、智能算力、超算算力规模分别为95EFlops、104EFlops、3EFlops，同比增速分别为24%、85%和30%。 图4：我国算力规模及其增速 人工智能受算力发展的直接影响，ChatGPT的推出引起全球范围内的广泛关注，AIGC表现出强劲的市场潜力。在IDC预测中，全球AI计算市场的规模将从2022年195.0亿美元增长到2026年的346.6亿美元，CAGR达到15.46%，其中生成式AI计算市场规模将从2022年的8.2亿美元增长到2026年的109.9亿美元。AI的快速发展推动算力需求快速上升。 图5：全球生成式AI计算市场规模预测 光通信则是算力网络的重要基础和坚实底座，预计这将进一步推动海外云巨头对于数据中心硬件设备的需求增长与技术升级。据Lightcounting预测，全球光模块的市场规模在未来5年将以CAGR11%保持增长，2027年将突破200亿美元。 800G光模块具有高速传输、高密度、低功耗和高可靠性的特点，可广泛适用于IDC数据中心、光通信骨干网等应用场景。AIGC的高速发展将进一步促进数据流量的持续增长和包括光模块在内的ICT行业的发展，加速光模块向800G及以上产品迭代。 图6：全球光模块细分市场规模及其预测 800G光模块是最新一代光传输系统的标配，拥有巨大的市场潜力。据行业知名研究机构LightCounting预测，800G光模块有望从2025年开始主导市场。 按照销售额口径统计，400G光模块的市场规模有望从2022年的11亿美元下降至2025年的8亿美元；800G光模块的市场规模有望从2022年的2亿美元上升至2025年的16亿美元，800G光模块的占比有望从2022年的7%上升至2025年的50%。 图7：全球光模块需求预测 2、调制器是光模块的核心部件之一 在光通信网络中，光模块是光纤通信系统中的核心器件，是交换机与设备之间传输的载体，主要用于光网络通信设备上如汇聚交换机、核心路由器、OLT、DSLAM等设备的光接口。 光模块是一个功能模块，是进行光电和电光转换的光电子配件，是光收发一体模块（Optical Transceiver）。光模块的主要作用是发送端把设备的电信号转换为光信号，接收端把光信号转换为设备的电信号，实现光电信号的转换。 图8：光模块工作原理图 光模块电子元器件主要由激光器、调制器、接收器和控制芯片等部分组成。 激光器是光模块中最重要的部分之一，其功率和稳定性直接决定了数据传输质量的好坏。调制器是光模块的另一个重要组成部分，其主要功能是将电信号转化为可传输的光信号，也就是将数字信号或模拟信号调制到激光器输出的光波中，实现数字光传输。接收器是光模块中用于接收光信号的元器件，其主要功能是将接收到的光信号转换为电信号，以供后续电子设备进行处理。接收器在接收光信号时，需要进行放大和滤波等处理，以提高信号的质量并降低噪声。 图9：光模块的构成 根据2022年6月头豹研究院数据，在中端光模块中，光器件成本占比约73%，电路芯片占比约18%。在光器件中，光发射组件和光接收组件合计占比约80%。根据2020年8月光库科技公告显示，预计2023年薄膜铌酸锂调制成本构成中，直接材料费比例最高，达到59%。 图10：光模块成本占比构成（2022年6月） 图11：薄膜铌酸锂调制器成本占比构成（预计2023年） 3、薄膜铌酸锂调制器具有尺寸小、带宽大的优点，适用于高速率光模块 3.1、各类调制器梳理 根据调制光的属性，光调制器可分为幅度调制器、偏振调制器、相位调制器、波长调制器等。根据光调制中所使用材料的光学特性，主要可以分为折射率调制器和吸收调制器这两类。根据不同工作原理，光学调制器可分为声光、电光、全光调制器等。 光通信行业中使用到的调制器一般是电光调制器，是现代通信产业的核心部件，通过将通信设备中的高速电子信号转化为光信号，在光纤中实现信息的远距离高速传输。光调制器的性能不仅决定了发射光信号的码率、质量和传输距离，也是光模块尺寸和功耗的决定性因素。因此，电光调制器是高速光通信链路核心器件之一。 目前，常见的电光调制器按材料划分主要可以分为硅基调制器、石墨烯调制器、磷化铟（Indium Phosphide，InP）调制器、聚合物调制器和铌酸锂（Lithium Niobate，LN）调制器等。 表1：调制器类型及其性能参数 硅基调制器是利用硅材料的等离子色散效应来实现对光场的调控，从而实现高速的电光转换。硅基调制器具有尺寸小、工艺兼容、制造成本低等优点。然而，受限于硅材料中载流子的迁移速度，硅基调制器的线性度较差，进而会影响整个微波光子系统的动态范围。除此之外，硅基调制器的消光比较小，因此不适用于长距离的通信场景。 图12：基于谐振环结构的硅基调制器结构示意图 对于石墨烯调制器而言，可以通过化学掺杂或外加偏置电压调控石墨烯中的载流子浓度，从而实现电控石墨烯的光吸收能力。但是，石墨烯调制器的能耗较大，同样不适用于长距离传输系统中，并且石墨烯调制器无法承受高功率电信号的驱动。 图13：环形腔型石墨烯光调制器示意图 InP（ 磷化铟 ） 调制器中的电光转换是由量子阱限制斯塔克效应（Quantum-Confined Stark Effect，QCSE）来实现的，其主要原理是通过控制外加电场的变化，引起载流子变化从而实现折射率变化，但同时伴随电致吸收。 由于InP属于III-V族材料，因此InP调制器可以实现与激光器和探测器的单片集成，但是面临电光调制带宽受载流子迁移速率的限制、调制线性度差、器件损耗较大的缺点。 图14：HHI设计的双驱LnP马赫曾德尔调制器 有机聚合物电光调制器是利用有机聚合物被极化以后，在外部电场的作用下，材料的折射率会随着电场的变化而发生变化，从而实现电光调制。尽管有机聚合物电光调制器的调制带宽较大，但是它