(57)【要約】【課題】ニオブ酸リチウム膜の膜厚を例えば１μｍ以上に厚くした場合であってもクラックが発生しにくい誘電体薄膜付き基板を提供する。【解決手段】単結晶基板２と、単結晶基板２の主面２ａにエピタキシャル形成されたｃ軸配向のニオブ酸リチウムからなる誘電体薄膜３とを備える。誘電体薄膜３は、第１の結晶と、ｃ軸を中心に第１の結晶を１８０°回転させた第２の結晶とを含む双晶構造を有し、Ｘ線回折法による極点測定において、第１の結晶に対応する第１の回折強度と第２の結晶に対応する第２の回折強度の比が０．５以上、２．０以下である。これにより、ニオブ酸リチウム膜の内部に蓄積する歪みが緩和されやすくなることから、膜厚の増加に伴うクラックの発生を抑制することが可能となる。【選択図】図１
2018016428.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶基板と、
前記単結晶基板の主面にエピタキシャル形成されたｃ軸配向のニオブ酸リチウムからなる誘電体薄膜と、を備え、
前記誘電体薄膜の膜厚は１０００ｎｍ以上であり、
前記誘電体薄膜は、第１の結晶と、ｃ軸を中心に前記第１の結晶を１８０°回転させた第２の結晶とを含む双晶構造を有し、
Ｘ線回折法による極点測定において、前記第１の結晶に対応する第１の回折強度と前記第２の結晶に対応する第２の回折強度の比が０．５以上、２．０以下であることを特徴とする誘電体薄膜付き基板。
【請求項２】
Ｘ線回折法による極点測定において、前記第１の回折強度と前記第２の回折強度の比が０．８以上、１．２５以下であることを特徴とする請求項１に記載の誘電体薄膜付き基板。
【請求項３】
前記単結晶基板は、前記主面がｃ面であるサファイア単結晶基板であることを特徴とする請求項１又は２に記載の誘電体薄膜付き基板。
【請求項４】
前記Ｘ線回折法により測定された（００６）反射のロッキングカーブの半値幅が０．３°以上、０．６°以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の誘電体薄膜付き基板。
【請求項５】
前記第１の結晶と前記第２の結晶の境界に粒界が存在しないことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の誘電体薄膜付き基板。
【請求項６】
前記ニオブ酸リチウム膜の膜厚が１３００ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の誘電体薄膜付き基板。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の誘電体薄膜付き基板を用いた光変調素子。
【請求項８】
サファイア単結晶基板と、
前記サファイア単結晶基板の主面にエピタキシャル形成されたｃ軸配向のニオブ酸リチウムからなる誘電体薄膜と、を備え、
前記誘電体薄膜の膜厚は１０００ｎｍ以上であり、且つ、長さ１０μｍ以上のクラックが存在する領域の割合が３０％以下であり、
前記誘電体薄膜は、第１の結晶と、ｃ軸を中心に前記第１の結晶を１８０°回転させた第２の結晶とを含む双晶構造を有することを特徴とする誘電体薄膜付き基板。
【請求項９】
前記誘電体薄膜に長さ１０μｍ以上のクラックが存在しないことを特徴とする請求項８に記載の誘電体薄膜付き基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光変調素子や光導波路に用いることが可能な誘電体薄膜付き基板に関する。また、本発明は、このような誘電体薄膜付き基板を用いた光変調素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
インターネットの普及に伴い通信量は飛躍的に増大しており、光ファイバ通信の重要性が非常に高まっている。光ファイバ通信は、電気信号を光信号に変換し、光信号を光ファイバにより伝送するものであり、広帯域、低損失、ノイズに強いという特徴を有する。【０００３】
電気信号を光信号に変換する方式としては、半導体レーザによる直接変調方式と光変調器を用いた外部変調方式が知られている。直接変調は光変調器が不要で低コストであるが、高速変調には限界があり、高速で長距離の用途では外部光変調方式が使われている。【０００４】
光変調器としては、ニオブ酸リチウム単結晶基板の表面付近にＴｉ（チタン）拡散により光導波路を形成した光変調器が実用化されている。４０Ｇｂ／ｓ以上の高速の光変調器が商用化されているが、全長が１０ｃｍ前後と長いことが大きな欠点になっている。【０００５】
これに対して、特許文献１〜４には、サファイア単結晶基板上にエピタキシャル成長によってｃ軸配向のニオブ酸リチウム膜を形成し、ニオブ酸リチウム膜をリッジ型に加工してなるリッジ型光導波路を用いたマッハツェンダ型光変調器が開示されている。ニオブ酸リチウム膜を用いた光変調器は、ニオブ酸リチウム単結晶基板を用いた光変調器と比較して、大幅な小型化、低駆動電圧化を実現している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１４−６３４８号公報
【特許文献２】特開２０１５−１４７１６号公報
【特許文献３】特開２０１５−１１８３７１号公報
【特許文献４】特開２０１５−２３０４６６号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】J. Appl. Phys., Vol. 90, No. 10, 15 November 2001 LiNbO3 thick films grown on sapphire by using a multistep sputtering process
【非特許文献２】Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 41 (2002) pp. L 275-L 277 Preparation of Twin- and Crack-Free LiNbO3 Films by Pulsed Laser Ablation Using Nucleation Process at High Temperature
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、非特許文献１及び２に報告されているように、サファイア単結晶基板上に十分な膜厚を有するニオブ酸リチウム膜を形成することは容易ではなく、条件によっては数百ｎｍ程度の厚さに成膜するとニオブ酸リチウム膜にクラックが発生してしまうことがあった。【０００９】
したがって、本発明の目的は、単結晶基板上にニオブ酸リチウム膜が形成されてなる誘電体薄膜付き基板であって、ニオブ酸リチウム膜の膜厚を例えば１μｍ以上に厚くした場合であってもクラックが発生しにくい誘電体薄膜付き基板を提供することである。【００１０】
また、本発明の他の目的は、このような誘電体薄膜付き基板を用いた光変調素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らが鋭意検討した結果、ニオブ酸リチウム膜におけるクラックの発生は、ニオブ酸リチウムの双晶構造と関係があることが判明した。具体的には、双晶を構成する２種類の結晶の混合比に偏りが大きいと、ニオブ酸リチウム膜の内部に蓄積する歪みが緩和されず、その結果、膜厚の増加に伴うクラックの発生が顕著となることが判明した。【００１２】
本発明は、このような技術的知見に基づき成されたものであり、本発明による誘電体薄膜付き基板は、単結晶基板と、前記単結晶基板の主面にエピタキシャル形成されたｃ軸配向のニオブ酸リチウムからなる誘電体薄膜と、を備え、前記誘電体薄膜の膜厚は１０００ｎｍ以上であり、前記誘電体薄膜は、第１の結晶と、ｃ軸を中心に前記第１の結晶を１８０°回転させた第２の結晶とを含む双晶構造を有し、Ｘ線回折法による極点測定において、第１の結晶に対応する第１の回折強度と第２の結晶に対応する第２の回折強度の比が０．５以上、２．０以下であることを特徴とする。【００１３】
また、本発明による光変調素子は、このような誘電体薄膜付き基板を用いたことを特徴とする。【００１４】
本発明によれば、第１の結晶に対応する第１の回折強度と第２の結晶に対応する第２の回折強度の比が０．５以上、２．０以下であり、双晶を構成する２種類の結晶のバランスが確保されていることから、ニオブ酸リチウム膜の内部に蓄積する歪みが緩和されやすくなる。これにより、膜厚の増加に伴うクラックの発生を抑制することが可能となる。本発明において、単結晶基板としては、主面がｃ面であるサファイア単結晶基板を用いることができる。これによれば、長さ１０μｍ以上のクラックが存在する領域の割合を３０％以下とすることができる。【００１５】
本発明においては、Ｘ線回折法による極点測定において、前記第１の回折強度と前記第２の回折強度の比が０．８以上、１．２５以下であることが好ましい。これによれば、双晶を構成する２種類の結晶の混合比がほぼ同一であることから、より安定性の高い誘電体薄膜を得ることが可能となる。このため、ニオブ酸リチウム膜の膜厚を例えば１３００ｎｍ以上に成膜しても、クラックフリーとすることが可能となる。【００１６】
本発明において、前記Ｘ線回折法により測定された（００６）反射のロッキングカーブの半値幅は、０．３°以上、０．６°以下であることが好ましい。これによれば、第１及び第２の結晶がそれぞれ単結晶により近い場合と比べて、クラックの発生を効果的に防止することが可能となる。【００１７】
本発明において、前記第１の結晶と前記第２の結晶の境界には粒界が存在しないことが好ましい。これによれば、粒界の存在による散乱などが生じないことから、伝搬損失を低減することが可能となる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、膜厚の厚いクラックフリーなニオブ酸リチウム膜を備えた誘電体薄膜付き基板およびこれを用いた光変調素子を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明の一実施形態による誘電体薄膜付き基板１の構造を示す略断面図である。
【図２】図２は、誘電体薄膜付き基板１を用いた光導波路素子１００の構成を示す平面図である。
【図３】図３は、図２に示した光導波路素子１００のＡ−Ａ'線の断面図である。
【図４】図４は、誘電体薄膜付き基板１を用いたマッハツェンダ型の光変調素子２００Ａの平面図である。
【図５】図５は、図４に示した光変調素子２００ＡのＢ−Ｂ'線の断面図である。
【図６】図６は、誘電体薄膜付き基板１を用いたマッハツェンダ型の光変調素子２００Ｂの平面図であり、（ａ）は光導波路のみ図示し、（ｂ）は進行波電極を含めた光変調素子２００Ｂの全体を図示している。
【図７】図７は、マルチモード干渉分岐導波路１５０の特性の一例を示すグラフである。
【図８】図８は、誘電体薄膜付き基板１を用いたマッハツェンダ型の光変調素子２００Ｃの平面図であり、図８（ａ）は光導波路のみ図示し、図８（ｂ）は進行波電極を含めた光変調素子２００Ｃの全体を図示している。
【図９】図９はＸ線回折法による極点測定の結果を示す図であり、（ａ）は比較例による結果を示し、（ｂ）は実施例による結果を示す。
【図１０】ニオブ酸リチウム膜の表面を高分解能透過型電子顕微鏡によって観察した写真である。
【図１１】サファイア単結晶基板とニオブ酸リチウム膜のｃ軸の角度のずれを示す図である。
【図１２】ニオブ酸リチウム膜の膜厚とＶπＬとの関係を示すグラフである。
【図１３】電極長Ｌ＝１４ｍｍである場合におけるニオブ酸リチウム膜の膜厚とＶπとの関係を示すグラフである。
【図１４】測定領域Ｓの位置を説明するための模式図である。
【図１５】実施例３の結果を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本発明の対象は以下の実施形態に限定されるものではない。また以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれると共に、その構成要素は、適宜組み合わせることが可能である。また説明図は模式的なものであり、説明の便宜上、厚みと平面寸法との関係は、本実施形態の効果が得られる範囲内で実際の構造とは異なっていても良いこととする。
【００２１】
図１は、本発明の一実施形態による誘電体薄膜付き基板１の構造を示す略断面図である。
【００２２】
図１に示すように、本実施形態による誘電体薄膜付き基板１は、単結晶基板２と、単結晶基板２の主面２ａにエピタキシャル形成されたニオブ酸リチウムからなる誘電体薄膜３とを備える。
【００２３】
単結晶基板２としては、ニオブ酸リチウムより屈折率が低いものであれば特に限定されないが、ニオブ酸リチウム膜をエピタキシャル膜として形成させることができる基板である必要があり、サファイア単結晶基板もしくはシリコン単結晶基板であることが好ましく、サファイア単結晶基板であることが特に好ましい。ニオブ酸リチウム膜はさまざまな結晶方位の単結晶基板に対して、ｃ軸配向のエピタキシャル膜として形成されやすいという性質を持っているため、単結晶基板の結晶方位は特に限定されない。ｃ軸配向のニオブ酸リチウム膜は３回対称の対称性を有しているので、下地である単結晶基板２も同じ対称性を有していることが望ましく、単結晶基板２としてサファイア単結晶基板を用いる場合は主面２ａがｃ面、シリコン単結晶基板を用いる場合は主面２ａが（１１１）面であることが好ましい。
【００２４】
誘電体薄膜３は、単結晶基板２の主面２ａにエピタキシャル形成されたｃ軸配向のニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）を主成分とする。ニオブ酸リチウムは大きな電気光学定数を有し、光変調器等の光学デバイスの構成材料として最も好適である。ニオブ酸リチウム膜の組成は、ＬｉｘＮｂＡｙＯｚである。Ａは、Ｌｉ、Ｎｂ、Ｏ以外の元素を表している。ｘは０．５〜１．２であり、好ましくは、０．９〜１．０５である。ｙは、０〜０．５である。ｚは１．５〜４であり、好ましくは２．５〜３．５である。Ａの元素としては、Ｋ、Ｎａ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｃｅなどがあり、２種類以上の組み合わせでも良い。
【００２５】
誘電体薄膜３を構成するニオブ酸リチウム膜は、ＬｉＮｂＯ３の単相であることが好ましい。つまり、ＬｉＮｂ３Ｏ８、Ｌｉ３ＮｂＯ４などの異相を含まないことが好ましい。
【００２６】
誘電体薄膜３の厚さは１μｍ以上である必要があり、２μｍ以下であることが好ましい。これは、本実施形態による誘電体薄膜付き基板１の用途としては光変調素子が最も好適であり、この場合、ＶπＬを十分に低減するためには、誘電体薄膜３の厚さが１μｍ以上必要だからである。一方、誘電体薄膜３の厚さが２μｍを超えると、サファイアなどからなる単結晶基板２との熱膨張率差や、格子定数の不整合などに起因してクラックが発生するおそれが高まる反面、誘電体薄膜３の膜厚をそれ以上に厚くしても、ＶπＬはほとんど低減しないからである。
【００２７】
誘電体薄膜３は、単結晶基板２の主面２ａにエピタキシャル成長によって成膜されたエピタキシャル膜である。ここで、エピタキシャル膜とは、下地の基板もしくは下地膜の結晶方位に対して、そろって配向している膜のことである。膜面内をＸ−Ｙ面とし、膜厚方向をＺ軸としたとき、結晶がＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向にともにそろって配向しているものである。例えば、第１に２θ−θＸ線回折による配向位置でのピーク強度の確認と、第２に極点の確認を行うことで、エピタキシャル膜を証明できる。
【００２８】
具体的には、第１に２θ−θＸ線回折による測定を行ったとき、目的とする面以外の全てのピーク強度が目的とする面の最大ピーク強度の１０％以下、好ましくは５％以下である必要がある。例えば、ニオブ酸リチウムのｃ軸配向エピタキシャル膜では、（００Ｌ）面以外のピーク強度が、（００Ｌ）面の最大ピーク強度の１０％以下、好ましくは５％以下である。（００Ｌ）は、（００１）や（００２）などの等価な面を総称する表示である。
【００２９】
第２に、極点測定において、極点が見えることが必要である。前述の第１の配向位置でのピーク強度の確認の条件においては、一方向における配向性を示しているのみであり、前述の第１の条件を得たとしても、面内において結晶配向がそろっていない場合には、特定角度位置でＸ線の強度が高まることはなく、極点は見られない。ＬｉＮｂＯ３は三方晶系の結晶構造であるため、単結晶におけるＬｉＮｂＯ３（０１４）の極点は３つとなる。ニオブ酸リチウム膜の場合、ｃ軸を中心に１８０°回転させた結晶が対称的に結合した、いわゆる双晶の状態にてエピタキシャル成長することが知られている。この場合、３つの極点が対称的に２つ結合した状態になるため、極点は６つとなる。
【００３０】
誘電体薄膜３のｃ軸は、単結晶基板２のｃ軸と一致していることが好ましく、両者のずれが５°以下であることが好ましい。ｃ軸のずれが５°以下であれば、光変調素子に利用する場合において実用上の問題は生じない。
【００３１】
誘電体薄膜３を構成するニオブ酸リチウム膜は、第１の結晶と、ｃ軸を中心に第１の結晶を１８０°回転させた第２の結晶とを含む双晶構造を有している。ここで、第１の結晶とは、面内方位が下地である単結晶基板２の面内方位と同じ結晶であり、第２の結晶とは、面内方位が下地である単結晶基板２の面内方位に対して１８０°回転した結晶を指す。第１の結晶と第２の結晶の割合（Ａ：Ｂ）は互いに近いほど好ましく、
Ａ：Ｂ＝１：２〜２：１
であることが好ましい。換言すれば、一方の結晶（例えば第１の結晶）に対する他方の結晶（例えば第２の結晶）の割合が、０．５以上、２以下であることが好ましい。さらに換言すれば、含有量の多い方の結晶に対する含有量の少ない方の結晶の比は、０．５以上、１．０以下であることが好ましい。
【００３２】
従来、光変調素子などに用いるニオブ酸リチウム膜は、双晶比率がほぼ０もしくは無限大となる構造、すなわち、単結晶に近いほど望ましいと考えられていた。しかしながら、双晶構造を持たない完全な単結晶を形成することは困難であり、単結晶に近い膜を実現できたとしても、１μｍ以上の膜厚でクラックの無い膜は実現できなかった。そして、本発明者らの研究によれば、２種類の結晶のうち一方の割合を多くしてできるだけ単結晶に近くするよりも、２種類の結晶の割合をできるだけ均等にする方が、応力が緩和され、膜全体が安定することが判明した。このような知見に基づき、本実施形態においては、第１の結晶と第２の結晶の割合（Ａ：Ｂ）を上記の範囲としている。これにより、ニオブ酸リチウム膜を平面視で複数の領域に区切った場合、長さ１０μｍ以上のクラックが存在する領域の割合を３０％以下とすることができる。
【００３３】
第１の結晶と第２の結晶の割合がクラックの発生に影響を及ぼす理由は不明であるが、サファイアとニオブ酸リチウムは格子定数や熱膨張率が異なっており、歪みが発生しやすい構造であるため、ニオブ酸リチウム膜が単結晶に近い場合はこの歪みを緩和することが難しく、クラックが発生しやすくなるものと推定される。これに対し、双晶構造で２つの結晶がほぼ均等に混ざっている場合は、歪みを緩和する効果が得られ、クラックの発生が抑制されるものと推定される。
【００３４】
第１の結晶と第２の結晶の割合は、Ｘ線回折法による極点測定によって確認することができる。そして、第１の結晶に対応する第１の回折強度と第２の結晶に対応する第２の回折強度の比を算出すれば、第１の結晶と第２の結晶の割合が判明する。したがって、第１の回折強度と第２の回折強度の比が０．５以上、２．０以下であれば、第１の結晶と第２の結晶の割合（Ａ：Ｂ）が上記の範囲内であることが分かる。
【００３５】
ここで、第１の結晶と第２の結晶の割合（Ａ：Ｂ）は１：１であることが好ましいが、２種類の結晶の割合を完全に均等にすることもまた困難である。しかしながら、一方の結晶（例えば第１の結晶）に対する他方の結晶（例えば第２の結晶）の割合が、０．８以上、１．２５以下であれば、２種類の結晶の割合がほぼ均等であるとみなすことができるため、この範囲に制御することが特に好ましい。
【００３６】
第１の結晶及び第２の結晶は、それぞれがほぼ単結晶に近い構造を有しているが、完全な単結晶に近すぎると、逆に誘電体薄膜３にクラックが発生しやすくなる。このため、Ｘ線回折法により測定された（００６）反射のロッキングカーブの半値幅は０．３°以上、０．６°以下の範囲であることが好ましい。（００６）反射のロッキングカーブの半値幅がこの範囲内であれば、光学的には第１の結晶及び第２の結晶をそれぞれほぼ単結晶とみなすことができる一方、クラックの発生を抑制することが可能となる。
【００３７】
第１の結晶と第２の結晶は、粒界を介することなく互いに接合されていることが好ましい。第１の結晶と第２の結晶の境界に粒界が存在すると、境界面において光の散乱が生じるため、光変調素子などに用いた場合に伝搬損失が増大するからである。これに対し、第１の結晶と第２の結晶の境界に粒界が存在しない場合には、両者の屈折率が同じであることから、散乱が生じることはなく、単結晶である場合と同等の光学特性を得ることができる。
【００３８】
上述の通り、誘電体薄膜３は、単結晶基板２の主面２ａにエピタキシャル成長によって成膜することができる。成膜条件については特に限定されないが、上記の特徴を有するエピタキシャル膜を成膜するためには、スパッタリング装置を用いてターゲットと単結晶基板２を同軸に配置し、成膜速度を３００〜１８００ｎｍ／ｈに制御することが好ましい。非特許文献１では、成膜速度を遅くする（９０ｎｍ／ｈ）ことで単結晶に近い膜を実現しているが、本実施形態では、あえて成膜速度を速くすることで、双晶構造を有する膜厚１μｍ以上の誘電体薄膜３をクラックフリーで成膜している。尚、成膜速度を高めるためには、スパッタリング時における印加パワーを高めたり、ターゲットと単結晶基板２の距離を短くしたりする方法が挙げられる。
【００３９】
但し、本発明において誘電体薄膜３の成膜方法については特に限定されず、スパッタリング法以外に、真空蒸着法、パルスレーザーアブレーション（ＰＬＤ）法、化学蒸着法（ＣＶＤ）、ゾルゲル法などを用いて成膜しても構わない。しかしながら、スパッタリング法を用いれば、成膜後に特別な処理を施すことなく、成膜したままの状態で単分域構造を得ることができる。これは、スパッタリング時に印加される熱（４５０〜７００℃）とセルフバイアスによる電界が分極処理を兼ねているためである。分極に分布があると、電気光学効果が低下する要因となるが、単分域構造とすれば、単結晶である場合と同様の電気光学係数を得ることができる。
【００４０】
誘電体薄膜３の成膜方法としてスパッタリング法を用いる場合、ターゲットの組成は目標の膜組成となるように決定する。例えば、Ｌｉ／（Ｌｉ＋Ｎｂ）＝４８％〜５１％の範囲の組成を持つターゲットを用い、成膜条件を調整することで、Ｌｉ／（Ｌｉ＋Ｎｂ）＝４８％〜５０％のニオブ酸リチウム膜が得られる。具体的には、純度３Ｎ以上のＬｉ２ＣＯ３とＮｂ２Ｏ５を主原料として焼結により作製されたニオブ酸リチウムターゲットを用いることができる。ターゲットの形状は特に限定されないが、膜厚分布を十分に小さくするためには、単結晶基板２のおおよそ２倍以上の平面サイズとすることが好ましい。成膜は、同一条件（シングルステップ）で行っても構わないし、条件を途中で変更（マルチステップ）しても構わない。
【００４１】
次に、本実施形態による誘電体薄膜付き基板１の応用例について説明する。
【００４２】
＜応用例１＞
図２は、誘電体薄膜付き基板１を用いた光導波路素子１００の構成を示す平面図である。また、図３は、図２に示した光導波路素子１００のＡ−Ａ'線の断面図である。
【００４３】
図２及び図３に示す光導波路素子１００は、誘電体薄膜付き基板１に含まれる誘電体薄膜３をリッジ状（凸型形状）に加工した構成を有している。リッジ部４は、目的とする光がＴＭ基本モードで伝搬する部分である。このような光導波路素子１００を作製するためには、誘電体薄膜付き基板１を用意し、誘電体薄膜３をエッチング加工することによりリッジ部４を形成すれば良い。そして、本実施形態による誘電体薄膜付き基板１は、誘電体薄膜３の膜厚が例えば１μｍ以上と厚いことから、ＴＭ基本モードの伝搬損失を低減することが可能となる。
【００４４】
＜応用例２＞
図４は、誘電体薄膜付き基板１を用いたマッハツェンダ型の光変調素子２００Ａの平面図である。光変調素子２００Ａは、光導波路１０で形成されたマッハツェンダ干渉計に、電圧を印加して光導波路１０内を伝搬する光を変調するデバイスである。光導波路１０は、２本の光導波路１０ａ、１０ｂに分岐され、光導波路１０ａ、１０ｂ上には、それぞれ１本ずつ、すなわち、２本の第１電極７ａ、７ｂが設けられていて、デュアル電極構造となっている。
【００４５】
図５は、図４に示した光変調素子２００ＡのＢ−Ｂ'線の断面図である。なお光変調素子２００ＡのＡ−Ａ'線の断面図は図３に示した光導波路素子１００の断面図と同じである。本実施形態では、誘電体薄膜３に設けられた２つのリッジ部４によって光導波路１０ａ、１０ｂが形成されている。光導波路１０ａを構成するリッジ部４上にはバッファ層５を介して第１電極７ａが形成されており、光導波路１０ｂに対応するリッジ部４上にはバッファ層５を介して第１電極７ｂが形成されている。第２電極８ａ、８ｂ、８ｃは、第１電極７ａ、７ｂを介して互いに離間して設けられており、誘電体薄膜３のスラブ部（エッチングされた薄い部分）の上面と接して形成されている。誘電体層６は、バッファ層５の下面とリッジ部４の側面に接するように形成されている。
【００４６】
光変調素子２００Ａの動作原理について説明する。図４において、２本の第１電極７ａ、７ｂと、第２電極８ａ、８ｂ、８ｃを終端抵抗９で接続して、進行波電極として機能させる。第２電極８ａ、８ｂ、８ｃを接地電極とし、２本の第１電極７ａ、７ｂに対して絶対値が同じで正負の異なる位相がずれていない、いわゆる相補信号を光変調素子２００Ａの第１電極７ａ、７ｂの入力側１５ａ、１５ｂから入力する。ニオブ酸リチウム膜は電気光学効果を有しているので、光導波路１０ａ、１０ｂに与えられる電界によって光導波路（１０ａ、１０ｂ）の屈折率がそれぞれ＋Δｎ、−Δｎのように変化し、光導波路（１０ａ、１０ｂ）間の位相差が変化する。この位相差の変化により光変調素子２００Ａの出射側の光導波路１０ｃから強度変調された信号光が出力側１２に出力される。
【００４７】
＜応用例３＞
図６は、誘電体薄膜付き基板１を用いたマッハツェンダ型の光変調素子２００Ｂの平面図であり、（ａ）は光導波路のみ図示し、（ｂ）は進行波電極を含めた光変調素子２００Ｂの全体を図示している。
【００４８】
図６（ａ）に示すように、光変調素子２００Ｂは、マルチモード干渉分岐導波路１５０ａにより、光導波路１０が２本の光導波路１０ａ、１０ｂに分岐された後、マルチモード干渉分岐導波路１５０ｂにより、光導波路１０ｃに合波するマッハツェンダ干渉計となっている。図６（ｂ）に示すように、光導波路１０ａ、１０ｂ上には、それぞれ１本ずつ、すなわち、２本の第１電極７ａ、７ｂが設けられていて、デュアル電極構造となっている。光変調素子２００Ｂは、光導波路１０で形成されたマッハツェンダ干渉計に、電圧を印加して光導波路１０内を伝搬する光を変調するデバイスである。なお光変調素子２００ＢのＡ−Ａ'線の断面図は図３に示した断面図と同じであり、Ｂ−Ｂ'線の断面図は図５に示した断面図と同じである。
【００４９】
マルチモード干渉分岐導波路１５０ａ、１５０ｂは、ｍ＝０モードに対する伝搬損失よりもｍ＝１モードに対する伝搬損失が大きいという特性を有している。図７は、マルチモード干渉分岐導波路１５０ａ、１５０ｂの特性の一例を示すグラフであり、横軸はマルチモード干渉分岐導波路１５０ａ、１５０ｂの長さＬＭＭＩを示し、縦軸は信号の減衰量を示している。図７に示すように、マルチモード干渉分岐導波路１５０ａ、１５０ｂの長さＬＭＭＩを所定の値に設計することにより、ｍ＝０モードの成分をほとんど減衰させることなく、ｍ＝１モードの成分を大きく減衰させることが可能となる。図７に示す例では、長さＬＭＭＩを約９７μｍとすればこれを実現することができる。
【００５０】
したがって、このようなマルチモード干渉分岐導波路１５０ａ、１５０ｂを用いれば、図６（ａ）において光導波路１０から入射した光のうち、ｍ＝０モードの成分については減衰されることなく光導波路１０ａ，１０ｂに分波される一方、ｍ＝１モードの成分についてはマルチモード干渉分岐導波路１５０ａによって減衰され、光導波路１０ａ，１０ｂからはｍ＝１モードの成分はほとんど出力されない。このため、ＴＭのｍ＝０モードとｍ＝１モードが伝搬するマルチモードの導波路であっても、実質的にシングルモードのように取り扱うことが可能となる。
【００５１】
＜応用例４＞
図８は、誘電体薄膜付き基板１を用いたマッハツェンダ型の光変調素子２００Ｃの平面図であり、図８（ａ）は光導波路のみ図示し、図８（ｂ）は進行波電極を含めた光変調素子２００Ｃの全体を図示している。
【００５２】
図８（ａ）及び（ｂ）に示すように、この光変調素子２００Ｃは、互いに平行に設けられた第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂを有するマッハツェンダ型の光導波路１０と、第１の光導波路１０ａに沿って設けられた信号電極２７と、第２の光導波路１０ｂに沿って設けられた第１の接地電極２８と、信号電極２７から見て第１の接地電極２８と反対側に設けられた第２の接地電極２９とを備えている。
【００５３】
マッハツェンダ型の光導波路１０は、マッハツェンダ干渉計の構造を有する光導波路である。一本の入力光導波路１０ｉから分波部１０ｄによって分岐した第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂを有し、第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂは合波部１０ｅを介して一本の出力光導波路１０ｏにまとめられる。入力光Ｓｉは、分波部１０ｄで分波されて第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂをそれぞれ進行した後、合波部１０ｅで合波され、変調光Ｓｏとして出力光導波路１０ｏから出力される。
【００５４】
信号電極２７は平面視で第１及び第２の接地電極２８，２９間に位置している。信号電極２７の一端２７ｅは信号入力端であり、信号電極２７の他端２７ｇは終端抵抗２２を介して第１及び第２の接地電極２８，２９にそれぞれ接続されている。これにより、信号電極２７と第１及び第２の接地電極２８，２９はコプレーナ型進行波電極として機能する。信号電極２７及び第１の接地電極２８は二層構造であり、破線で示す信号電極２７の下層部２７ｂは第１の光導波路１０ａと平面視で重なっており、同じく破線で示す第１の接地電極２８の下層部２８ｂは第２の光導波路１０ｂと平面視で重なっている。
【００５５】
信号電極２７の一端２７ｅには電気信号（変調信号）が入力される。第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂはニオブ酸リチウムなどの電気光学効果を有する材料からなるので、第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂに与えられる電界によって第１及び第２の光導波路１０ａ，１０ｂの屈折率がそれぞれ＋Δｎ、−Δｎのように変化し、一対の光導波路間の位相差が変化する。この位相差の変化により変調された信号光が出力光導波路１０ｏから出力される。
【００５６】
このように、本実施形態による光変調素子２００Ｃは、１つの信号電極２７で構成されたシングル駆動型であるため、第１の接地電極２８の面積を十分に確保することができ、高周波で動作可能である。また信号電極２７を挟んで第１の接地電極２８と反対側に第２の接地電極２９を配置することで放射損失を低減でき、さらに良好な高周波特性を得ることができる。
【００５７】
以上説明したように、本実施形態による誘電体薄膜付き基板１を用いれば、高品質な光導波路や光変調素子を作製することができる。
【００５８】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【実施例１】
【００５９】
スパッタリング装置を用いて、実際に、サファイア単結晶基板上にニオブ酸リチウム膜からなる誘電体薄膜をエピタキシャル成長させた。ターゲットは、純度３Ｎ以上のＬｉ２ＣＯ３とＮｂ２Ｏ５を主原料として焼結により作製され、組成がＬｉ／（Ｌｉ＋Ｎｂ）＝５０％であるニオブ酸リチウムの焼結体を用いた。ターゲットの作製においては、粉材の焼結体を粉砕して調合をするために、耐磨耗性の高いＺｒＯ２材のボールミルを用いて、粉砕調合が行った。この際、ターゲット粉材には、粉砕時にボールミルが削れて数百ｐｐｍ程度のＺｒが混入される。この少量のＺｒの混入したニオブ酸リチウムターゲットにおいて成膜されたニオブ酸リチウム膜においても、エピタキシャル成長は可能であり、問題は発生しない。【００６０】
ターゲットのサイズは６インチとし、サファイア単結晶基板とターゲットとの距離は９０ｍｍとした。サファイア単結晶基板は、ターゲットと対向する主面がｃ面である３インチのサファイア単結晶基板を用いた。サファイア単結晶基板とターゲットは、同軸に配置した。【００６１】
そして、スパッタガスとして、ＡｒとＯ２の混合ガスを用い、Ｏ２比率を２０％〜５０％、ガス圧を０．６Ｐａに設定した。この条件で、９００Ｗのパワーを印加することによってスパッタリングを行った。サファイア単結晶基板の基板温度は４５０〜７００℃に設定し、サンプル毎に異なる基板温度に設定した。サンプルは１３種類である。成膜条件は、途中で変更せず、いわゆるシングルステップにて行った。【００６２】
その結果、サファイア単結晶基板の主面に、ｃ軸配向された双晶構造を有する膜厚１１００ｎｍ〜１９００ｎｍのニオブ酸リチウム膜をエピタキシャル形成することができた。成膜速度は、５００ｎｍ／ｈ〜６００ｎｍ／ｈであった。そして、１３個のサンプルについてクラックの有無を評価した結果、全てのサンプルにクラックが存在せず、クラックフリーのニオブ酸リチウム膜を形成できることが確認された。【００６３】
次に、成膜されたニオブ酸リチウム膜に対し、ラマン分光を用いてＬｉ比率を推定した。ラマン分光を用いたのは非破壊で評価するためであり、また、化学分析ではＬｉを精度良く分析するのが難しいからである。ラマンのピークの半値幅は、Ｌｉ比率にほぼ比例して変化することから、２種の組成のニオブ酸リチウム単結晶（Ｌｉ比率４８．５％と５０％）の半値幅と比較することで、膜のＬｉ比率を推定した。その結果、成膜条件により膜のＬｉ比率は、４７．５％〜４９．８％の範囲に収まった。これにより、ニオブ酸リチウム膜の結晶構造は、異相を含まないＬｉＮｂＯ３単相の単相であることが確認された。【００６４】
次に、Ｘ線回折法による極点測定を行うことによって、ニオブ酸リチウムの第１の結晶に対応する第１の回折強度と、ニオブ酸リチウムの第２の結晶に対応する第２の回折強度を測定した。その結果、第１の回折強度と第２の回折強度の比は、成膜条件により０．８〜１．２５の範囲であった。また、（００６）反射のロッキングカーブの半値幅は、０．３°〜０．６°であった。【００６５】
図９はＸ線回折法による極点測定の結果を示す図であり、（ａ）は比較例による結果を示し、（ｂ）は実施例による結果を示す。比較例においては、ガス圧を４Ｐａ、パワーを１８０Ｗに設定し、膜厚を１１００ｎｍとした。この場合、成膜速度は９０ｎｍ／ｈであった。【００６６】
図９（ａ）に示すように、比較例においては、第１の結晶を示す極点１，３，５の強度と、第２の結晶を示す極点２，４，６の強度に明確な差があり、前者の方が強かった。そして、第１の回折強度に対する第２の回折強度の比（＝第２の回折強度／第１の回折強度）を算出したところ、０．４５であった。また、ニオブ酸リチウム膜にはクラックが存在していた。なお、ガス圧を４Ｐａ、パワーを１８０Ｗに設定し、Ｏ２ガス比率、基板温度を変化させて成膜したところ、膜厚９００ｎｍまではクラックフリーを実現できたものの、膜厚１１００ｎｍ以上においてクラックフリーは実現できなかった。【００６７】
これに対し、図９（ｂ）に示すように、実施例の所定サンプルにおいては、第１の結晶を示す極点１，３，５の強度と、第２の結晶を示す極点２，４，６の強度がほぼ同じであり、第１の回折強度に対する第２の回折強度の比（＝第２の回折強度／第１の回折強度）は、０．９９であった。また、ニオブ酸リチウム膜にはクラックが存在しなかった。【００６８】
次に、実施例の所定サンプルによるニオブ酸リチウム膜の表面を高分解能透過型電子顕微鏡（ＨＲＴＥＭｉｍａｇｅ）によって観察した。結果を図１０に示す。図１０に示すように、ニオブ酸リチウム膜には２種類の結晶が明確に確認されたが、その界面には粒界などの界面層が存在しなかった。【００６９】
次に、実施例の各サンプルについて、走査型非線形誘電率顕微鏡（ＳＮＤＭ）を用いて誘電体の分極分布をナノスケールで観察した。その結果、各サンプルとも分極の向きが一様であり、単分域であることが確認された。【００７０】
次に、実施例の所定サンプルについて、サファイア単結晶基板とニオブ酸リチウム膜のｃ軸の角度のずれを評価した。結果を図１１に示す。図１１に示すように、両者のｃ軸のずれは外周に近いほど大きくなったが、最大でも約０．１２°であり、ほぼｃ軸が一致していることが確認された。【００７１】
次に、クラックのない実施例のサンプルを用いて実際に光変調素子を作製し、駆動電圧を評価することによって電気光学特性を求めた。電気光学係数ｒ３３は約３０ｐｍ／Ｖであり、ＬｉＮｂＯ３単結晶と同等の特性が得られた。また、プリズムカプラ法によりニオブ酸リチウム膜の屈折率を測定した結果、波長６３２．８ｎｍにおける屈折率は、ｎｏ＝２．２８８±０．０１、ｎｅ＝２．２００±０．０１であり、単結晶と同等の特性が得られた。さらに、プリズムカプラ法によりニオブ酸リチウム膜の伝搬損失を測定した結果、伝搬損失は測定精度限界である１ｄＢ／ｃｍ未満であった。つまり、双晶構造であっても、散乱損失が生じないことが確認された。【００７２】
このように、実施例によるニオブ酸リチウム膜は双晶構造ではあるものの、実用上は、単結晶とほぼ同じ特性が得られることが確認された。
【実施例２】
【００７３】
実施例１と同様の条件で、サファイア単結晶基板の主面に８００ｎｍ〜２０００ｎｍのニオブ酸リチウム膜をエピタキシャル成長させた後、実際に光変調素子を作製し、ニオブ酸リチウム膜の膜厚とＶπＬとの関係を測定した。測定波長は、光通信システムで使用される１５５０ｎｍとした。尚、Ｖπとは半波長電圧であり、光出力が最大となる電圧と最小となる電圧との差で定義され、駆動電圧を意味している。Ｌは、導波路上の電極の長さである。ＶπはＬと反比例の関係にあり、例えば、同一の値であるＶπとＬの積値について、Ｌが２倍になると、Ｖπは半分になる。そのため、ＶπとＬの積をとったＶπＬは、光変調器の性能を表す重要な指標である。光変調器は、ＶπＬが小さい低い程、小型または低駆動電圧であることを示している。【００７４】
ニオブ酸リチウム膜の膜厚とＶπＬとの関係を図１２に示す。また、電極長Ｌ＝１４ｍｍである場合におけるニオブ酸リチウム膜の膜厚とＶπとの関係を図１３に示す。電極長Ｌ＝１４ｍｍとしたのは、高周波特性を確保するためである。【００７５】
図１２及び図１３に示すように、ニオブ酸リチウム膜の膜厚が増加すると、ＶπＬの値及びＶπの値が急速に低下することが分かる。これは、膜厚が薄いと、ニオブ酸リチウム膜への光の閉じ込めが弱くなり、実効的に電気光学効果が小さくなるためである。実用特性としては、半波長電圧Ｖπを３Ｖ以下にする必要があるため、これを満たすためには、ニオブ酸リチウムの膜厚を１μｍ以上にする必要がある。【００７６】
但し、ニオブ酸リチウム膜の膜厚が一定以上に厚くなると、ＶπＬの値及びＶπの値は飽和し、それ以上の効果は得られなくなる。実際には、ニオブ酸リチウム膜の膜厚が１３００ｎｍ程度になるとＶπＬの値及びＶπの値があまり変化しなくなり、１６００ｎｍ程度でほぼ飽和することが確認された。したがって、ニオブ酸リチウム膜の膜厚を１３００ｎｍ以上とすれば、特性の良い光変調素子を得ることができ、１６００ｎｍ以上とすれば、最も特性の良い光変調素子を得ることが可能となる。
【実施例３】
【００７７】
実施例１において、サファイア単結晶基板の基板温度を５５０℃に設定したサンプルをサンプルＡとし、パワーを１８０Ｗ、ガス圧を４Ｐａ、基板温度を５５０℃に設定したサンプルをサンプルＢとし、パワーを１８０Ｗ、ガス圧を０．６Ｐａ、基板温度を６５０℃に設定したサンプルをサンプルＣとした。サンプルＡ、Ｂについては、ニオブ酸リチウム膜の膜厚を７００ｎｍ〜１９００ｎｍの範囲で複数作製した。サンプルＣについては、ニオブ酸リチウム膜の膜厚を７００ｎｍ〜１３００ｎｍの範囲で複数作製した。【００７８】
次に、Ｘ線回折法による極点測定を行うことによって、ニオブ酸リチウムの第１の結晶に対応する第１の回折強度と、ニオブ酸リチウムの第２の結晶に対応する第２の回折強度を測定した。その結果、第１の回折強度と第２の回折強度の比（弱い方の回折強度／強い方の回折強度）は、サンプルＡでは０．９９、サンプルＢでは０．４５、サンプルＣでは０．２０であった。【００７９】
次に、図１４に示すように、各サンプルの表面の中心点Ｐを基準として、Ｘ方向及びＹ方向に仮想線Ｌｘ，Ｌｙを定義し、中心点Ｐから仮想線Ｌｘ，Ｌｙに沿って１０ｍｍ間隔で測定領域Ｓを割り当てた。測定領域Ｓの数は全部で１３箇所である。そして、各測定領域Ｓに対し、光学顕微鏡を用いてクラックの有無を観察した。対物レンズの倍率は２０〜１００倍とし、視野内に長さ１０μｍ以上のクラックが存在するか否かを評価した。尚、観察は、ニオブ酸リチウム膜を成膜した後、７２時間以上経過してから行った。これは、成膜直後には存在しなかったクラックが時間の経過に伴って発生することがあるからである。なお、本発明者らが使用した顕微鏡では、対物レンズ倍率が２０倍で視野直径０．５ｍｍ程度、１００倍で視野直径０．１ｍｍ程度であった。【００８０】
結果を図１５に示す。図１５に示す個数は、クラックが発見された測定領域Ｓの個数であり、カッコ内の数値は、クラックが発見された測定領域Ｓの割合である。図１５に示すように、第１の回折強度と第２の回折強度の比が０．９９であるサンプルＡでは、ニオブ酸リチウム膜の膜厚が７００ｎｍ〜１９００ｎｍの範囲においてクラックが発見された測定領域Ｓの個数は０個（０％）であった。【００８１】
これに対し、第１の回折強度と第２の回折強度の比が０．４５であるサンプルＢでは、ニオブ酸リチウム膜の膜厚が厚くなるほどクラックが増加した。具体的には、膜厚が７００ｎｍ、９００ｎｍであればクラックが発見された測定領域Ｓの個数は０個（０％）であったが、膜厚が１１００ｎｍではクラックが発見された測定領域Ｓの個数は５個（３８％）となり、膜厚が１３００ｎｍ、１５００ｎｍではクラックが発見された測定領域Ｓの個数は９個（６９％）となり、膜厚が１７００ｎｍ、１９００ｎｍではクラックが発見された測定領域Ｓの個数は１３個（１００％）となった。このように、ニオブ酸リチウム膜の膜厚が１０００ｎｍ以上になると、クラックが存在する測定領域Ｓの割合は３０％を超えた。【００８２】
また、第１の回折強度と第２の回折強度の比が０．２０であるサンプルＣにおいても、ニオブ酸リチウム膜の膜厚が厚くなるほどクラックが増加した。具体的には、膜厚が７００ｎｍではクラックが発見された測定領域Ｓの個数は５個（３８％）となり、膜厚が９００ｎｍではクラックが発見された測定領域Ｓの個数は９個（６９％）となり、膜厚が１１００ｎｍ、１３００ｎｍではクラックが発見された測定領域Ｓの個数は１３個（１００％）となった。このように、ニオブ酸リチウム膜の膜厚が１０００ｎｍ以上になると、クラックが存在する測定領域Ｓの割合は１００％となった。【００８３】
これにより、第１の回折強度と第２の回折強度の比が１に近ければ、ニオブ酸リチウム膜の膜厚が１０００ｎｍ以上であっても、クラックの存在する測定領域Ｓの割合を３０％以下に抑えられることが確認された。
【符号の説明】
【００８４】
１        誘電体薄膜付き基板
２        単結晶基板
２ａ      主面
３        誘電体薄膜
４        リッジ部
５        バッファ層
６        誘電体層
７ａ，７ｂ，８ａ〜８ｃ    電極
９        終端抵抗
１０，１０ａ〜１０ｃ    光導波路
１０ｄ    分波部
１０ｅ    合波部
１０ｉ    入力光導波路
１０ｏ    出力光導波路
１２      出力側
１５ａ，１５ｂ    入力側
２２      終端抵抗
２７      信号電極
２７ｂ    下層部
２７ｅ    一端
２７ｇ    他端
２８，２９    接地電極
２８ｂ    下層部
１００    光導波路素子
１５０，１５０ａ，１５０ｂ    マルチモード干渉分岐導波路
２００Ａ，２００Ｂ，２００Ｃ    光変調素子
Ｌｘ，Ｌｙ    仮想線
Ｐ      中心点
Ｓ      測定領域
【図１】
2018016428.tif 000003
【図２】
2018016428.tif 000004
【図３】
2018016428.tif 000005
【図４】
2018016428.tif 000006
【図５】
2018016428.tif 000007
【図６】
2018016428.tif 000008
【図７】
2018016428.tif 000009
【図８】
2018016428.tif 000010
【図９】
2018016428.tif 000011
【図１０】
2018016428.tif 000012
【図１１】
2018016428.tif 000013
【図１２】
2018016428.tif 000014
【図１３】
2018016428.tif 000015
【図１４】
2018016428.tif 000016
【図１５】
2018016428.tif 000017
【国際調査報告】
2018016428.tif 000018
2018016428.tif 000019
2018016428.tif 000020
2018016428.tif 000021