Terwijl 5G evolueert naar 6G, de vraag naar AI-computing exponentieel groeit en AR-brillen van concept naar massaproductie gaan, verandert een stille materiaalrevolutie de fotonische chipindustrie opnieuw vorm. Centraal in deze transformatie staat Thin-Film Lithium Niobate (TFLN/LNOI) – een baanbrekend materiaal dat markten van biljoenen dollars met elkaar verbindt, waaronder optische communicatie en consumentenelektronica.

Met een sterk industrieel momentum en een sterke productieschaal leiden Chinese bedrijven nu deze cruciale mondiale race.

1. Van lithiumniobaat tot dunnefilminnovatie: een materiaalplatform opnieuw uitgevonden

In geïntegreerde fotonica wordt lithiumniobaat (LiNbO₃) wordt al lang erkend als een fundamenteel functioneel materiaal. Als klassiek ferro-elektrisch monokristallijn oxide combineert het op unieke wijze meerdere fysieke effecten binnen één kristalsysteem:

• Uitstekende optische transparantie

• Sterk elektro-optisch effect

• Piëzo-elektrische eigenschappen

• Akoestisch-optische interactie

• Foto-elastische en fotorefractieve effecten

Deze zeldzame combinatie maakt lithiumniobaat tot een echt “multifunctioneel platform” voor elektro-optische, akoesto-optische en niet-lineaire optische apparaten.

Traditioneel bulklithiumniobaat lijdt echter aan een zwak brekingsindexcontrast, waardoor optische opsluiting en grootschalige integratie worden beperkt. Apparaten blijven vaak op millimeter-tot-centimeterschaal – incompatibel met de moderne vereisten voor de dichtheid van fotonische chips.

De doorbraak van de dunne film

Thin-Film Lithium Niobate (TFLN), ook bekend als Lithium Niobate on Insulator (LNOI), transformeert dit landschap.

Door een sub-micron lithiumniobaatlaag te hechten op een isolator met een lage brekingsindex (meestal SiO₂) bovenop een substraat, wordt een structuur gevormd die lijkt op SOI (Silicon-on-Insulator):

Apparaatlaag – Begraven oxide – Substraat

Deze ‘dunnefilmrevolutie’ levert twee grote voordelen op:

1. Hoge optische opsluitingvia een sterk LiNbO₃–SiO₂-brekingsindexcontrast, waardoor:

   • Golfgeleiders op nanofotonische schaal

   • Kleinere buigradii

   • Dramatisch hogere integratiedichtheid

2. CMOS-compatibele schaalbare productie, waardoor lithiumniobaat kan worden geïntegreerd met volwassen fotonische halfgeleiderplatforms.

Kortom, TFLN behoudt de krachtige materiaaleigenschappen van lithiumniobaat en lost tegelijkertijd de beperkingen op het gebied van grootte en integratie op, waardoor het een ideaal materiaal is voor de volgende generatie fotonische chips.

2. Drievoudige groeimotoren: 6G, AI Computing en AR Smart Glasses

De snelle opkomst van TFLN is nauw verbonden met drie convergerende megatrends:

• 5G → 6G-communicatie-upgrades

• Explosieve vraag naar AI-datacenters

• Massale acceptatie van slimme AR-brillen

Naarmate de productie van wafers met een grote diameter en de verwerking van dunne films volwassener worden, neemt de vraag naar optische communicatie, RF-apparaten en consumentenelektronica toe.

China is uitgegroeid tot een belangrijk mondiaal productiecentrum. Volgens gegevens uit de sector is China goed voor ongeveer 42% van de mondiale lithiumniobaatcapaciteit, wat sterke voordelen biedt in belangrijke productiesegmenten.

Bedrijven zoals:

• NANOLN

• TDK-bedrijf

• Sumitomo-metaalmijnbouw

geven actief vorm aan het concurrentielandschap op het gebied van de levering van dunnefilmlithiumniobaatwafels en apparaatinnovatie.

3. Twee snelgroeiende markten: AR-brillen en optische communicatie

(1) AR-bril: maakt het volgende personal computing-platform mogelijk

AR-brillen worden algemeen beschouwd als het personal computerapparaat van de volgende generatie. TFLN pakt verschillende kritische commercialiseringsknelpunten aan.

Ultrasnelle elektro-optische modulatoren

In AR-systemen wordt TFLN gebruikt in full-color laserbesturingsmodules (optische modulators), waardoor het volgende wordt geleverd:

• Elektro-optische respons <100 ps

• 10× snellere kleurwisseling

• Native ondersteuning voor 4K+ video met hoge resolutie

Traditionele bulklithiumniobaatmodulatoren werken op nanosecondenniveau, terwijl siliciummodulatoren moeite hebben met breedbandprestaties op hoge snelheid. TFLN biedt de prestatiesprong die nodig is voor premium AR-displays.

Geavanceerde optische golfgeleiders

TFLN-golfgeleiders bieden ook:

• Gezichtsveld (FOV) > 50° (vs. 30–40° voor glazen golfgeleiders)

• Ultralaag optisch verlies (≈0,027 dB/cm bij 1550 nm)

• Apparaatdikte < 0,3 mm

Deze voordelen maken lichtere, dunnere en helderdere AR-brillen mogelijk, essentieel voor de adoptie door consumenten.

Naarmate de wereldwijde AR-leveringen toenemen, zal de vraag naar hoogwaardige modulators en golfgeleiders snel toenemen.

(2) Optische communicatie: het doorbreken van de 800G / 1,6T-knelpunt

Gedreven door AI-datacenters en cloudinfrastructuur maakt de sector van optische modules een transitie door van 400G/800G naar 1,6T en hoger.

Bij deze snelheden worden elektro-optische modulatoren het knelpunt van het systeem.

TFLN biedt doorslaggevende voordelen:

• Bandbreedte > 100 GHz

• Lage halvegolfspanning (Vπ ≈ 1,9 V)

• Hoge lineariteitvoor geavanceerde modulatieformaten (bijv. 80 Gbaud 16-QAM)

• Stabiele ondersteuning voor 400 Gbps per golflengte en hoger

Vergeleken met siliciumfotonica-oplossingen demonstreert TFLN:

• Hoger bandbreedteplafond

• Lager energieverbruik (~11 W versus 13–14 W in 800G-modules)

• Verminderde thermische beheerlasten

• Lagere totale eigendomskosten op schaal

Deze kenmerken positioneren TFLN als een leidende kandidaat voor 1,6T en toekomstige 3,2T optische architecturen.

4. Materiaalvergelijking: waarom TFLN leidt

Dunnefilmlithiumniobaat combineert:

• Hoge elektro-optische efficiëntie

• Ultrahoge bandbreedte

• Schaalbare wafelverwerking

• Betrouwbare massaproductie

Er zijn maar weinig concurrerende materialen die dit evenwicht tegelijkertijd bereiken.

5. Concurrentielandschap: mondiale spelers en de opkomst van China

Chinese leiders

NANOLN
Een pionier op het gebied van dunnefilm-lithiumniobaatwafels met een grote diameter, die grootschalige massaproductie realiseert en al lang bestaande internationale technologische barrières doorbreekt.

TDK-bedrijf
Ontwikkelde dunne-filmgroei van lithiumniobaat op standaard halfgeleiderwafels, waardoor toepassingen werden uitgebreid naar AR/VR-displaymodules.

Internationale concurrenten

Sumitomo-metaalmijnbouw
Langdurige expertise in lithiumniobaatkristallen met hoge uniformiteit en hoogwaardige optische toepassingen.

Conclusie: een strategisch materiaal voor het fotonische tijdperk

Dunnefilm-lithiumniobaat is meer dan een stapsgewijze verbetering: het vertegenwoordigt een structurele upgrade in de fotonische materiaalkunde.

Door te combineren:

• Uitzonderlijke elektro-optische prestaties

• Halfgeleider-compatibele integratie

• Schaalbaarheid naar 800G/1.6T+ optische modules

• Cruciale ondersteunende rollen in AR-smartbrillen

TFLN bevindt zich op het kruispunt van AI-computing, 6G-netwerken en meeslepende consumentenelektronica.

Nu fotonische chips fundamenteel worden voor de digitale economie, komt dunnefilm-lithiumniobaat naar voren als de echte ‘onzichtbare kampioen’ die de volgende generatie optische innovatie aandrijft.