CN117044032A

CN117044032A - 波导元件

Info

Publication number: CN117044032A
Application number: CN202280015795.6A
Authority: CN
Inventors: 近藤顺悟; 谷健太郎; 浅井圭一郎; 冈田直刚
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2021-03-29
Filing date: 2022-01-25
Publication date: 2023-11-10
Also published as: DE112022000898T5; US20230411818A1; JPWO2022209224A1; WO2022209224A1; JP7319472B2

Abstract

本发明提供一种电信号的延迟小、在较宽频率范围内传播损耗小、且能够简便便宜地制造的波导元件。本发明的实施方式所涉及的波导元件具备：电介质部，其是在陶瓷材料的基板周期性地形成空穴而成的；低介电常数部，其具有比电介质部的介电常数小的介电常数；以及支撑基板，其设置于电介质部的下部，对电介质部进行支撑。该波导元件对频率为30GHz以上且20THz以下的电磁波进行引导，传播损耗的绝对值达到1dB/cm以下的电磁波的频率范围为50GHz以上。

Description

波导元件

技术领域

本发明涉及波导元件。

背景技术

作为电光元件之一，正在开发波导元件。波导元件可期待在光波导、下一代高速通信、传感器、激光加工、太阳能发电等广泛领域中的应用及展开。例如，作为成为下一代高速通信的关键的毫米波～太赫兹波的波导，正在开发波导元件。作为这样的波导元件的一例，提出了使用由半导体材料形成的二维光子晶体板坯的技术(专利文献1)。但是，这样的波导元件存在如下问题，即，由于电信号的延迟大，传播的电磁波的频率范围窄(很难实现宽频带波导元件)，并且，为了形成光子晶体而使用半导体工艺，所以，制造方法复杂，成本高。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特许第6281868号

发明内容

本发明的主要目的在于，提供一种电信号的延迟小、在较宽频率范围内传播损耗小、且能够简便便宜地制造的波导元件。

本发明的实施方式的波导元件具备：电介质部，该电介质部是在陶瓷材料的基板周期性地形成空穴而成的；低介电常数部，该低介电常数部具有比该电介质部的介电常数小的介电常数；以及支撑基板，该支撑基板设置于该电介质部的下部，对该电介质部进行支撑。该波导元件对频率为30GHz以上且20THz以下的电磁波进行引导，传播损耗的绝对值达到1dB/cm以下的该电磁波的频率范围为50GHz以上。

1个实施方式中，上述空穴的周期P为50μm以上，该周期的偏差为P/100以上。

1个实施方式中，上述空穴的直径d为P/100以上。

1个实施方式中，上述波导元件的标准化频率P/λ为0.05～0.3。此处，λ为上述电磁波的波长。

1个实施方式中，上述陶瓷材料为多晶或非晶质。

1个实施方式中，上述陶瓷材料选自石英玻璃、氮化铝、氧化铝、碳化硅、氧化镁以及尖晶石。

1个实施方式中，上述波导元件还具备使上述电介质部和上述支撑基板实现一体化的接合部，通过该电介质部的下表面、该支撑基板的上表面以及该接合部而规定出空腔，该空腔作为上述低介电常数部而发挥作用。

1个实施方式中，上述波导元件还具备有源元件，该有源元件能够进行电磁波的发送、接收以及放大中的至少任一者，且该有源元件支撑于上述支撑基板。

1个实施方式中，上述波导元件还具备：线缺陷的第一波导，该第一波导由上述基板中未形成空穴的部分规定；以及第二波导，该第二波导在电磁波的传播路径中位于上述有源元件与上述第一波导之间，能够对电磁波进行引导。

1个实施方式中，上述波导元件还具备：线缺陷的波导，该波导由上述基板中未形成空穴的部分规定；以及谐振器，该谐振器由上述基板中未形成空穴的部分规定，且该谐振器在电磁波的传播路径中位于上述有源元件与上述波导之间，能够对电磁波进行引导。

发明效果

根据本发明的实施方式，通过在陶瓷材料的基板形成没有形成光子带隙的空穴图案，能够实现电信号的延迟小、且在较宽频率范围内传播损耗小的(即，宽频带的)波导元件。此外，该波导元件中，空穴周期充分小于电磁波的波长，以使其不会产生衍射效果，不过，通过使用介电常数比半导体小的陶瓷材料，使其不需要利用半导体工艺来形成精密的空穴图案，并且，通过采用没有形成光子带隙的空穴图案，能够容许空穴图案的某种程度的偏差，因此，能够利用极其简便且便宜的制造方法来制作波导元件。

附图说明

图1是本发明的1个实施方式的波导元件的概要立体图。

图2是与使用由半导体形成的有效介电包层的波导元件以及使用由陶瓷材料形成的光子晶体的波导元件进行比较来说明本发明的实施方式的波导元件中的电磁波的频率与传播损耗之间的关系的一例的曲线图。

图3是本发明的另一实施方式的波导元件的概要立体图。

图4是图3的波导元件的AA′截面图。

图5是图3的波导元件的BB′截面图。

图6是本发明的再一实施方式的波导元件的概要立体图。

图7是图6的波导元件的AA′截面图。

图8是用于说明图6的波导元件中的电磁波的传播路径的概要说明图。

具体实施方式

以下，对本发明的实施方式进行说明，不过，本发明不限定于这些实施方式。

A.波导元件的概要

图1是本发明的1个实施方式的波导元件的概要立体图。图示例的波导元件100具备：电介质部10，其是在陶瓷材料的基板周期性地形成空穴12而成的；低介电常数部80，其具有比电介质部10的介电常数小的介电常数；以及支撑基板30，其设置于电介质部10的下部，对电介质部10进行支撑。通过设置支撑基板，能够提高波导元件的强度。结果，能够使电介质部的厚度变薄。图示例的波导元件100可以进一步具备：例如接合部20，其使电介质部10和支撑基板30实现一体化；以及空腔(空气部)，其是由电介质部10的下表面、支撑基板30的上表面以及接合部20而规定出的。这种情况下，空腔(空气部)能够作为低介电常数部80而发挥作用。没有设置接合部的情况下，可以在支撑基板形成空腔(空气部)。在支撑基板还可以形成有半导体电路、电磁波振荡器等零部件。

对于本发明的实施方式的波导元件，代表性地，能够作为对毫米波～太赫兹波进行引导的波导而发挥作用。应予说明，所谓毫米波，代表性的为频率30GHz～300GHz左右的电磁波；所谓太赫兹波，代表性的为频率300GHz～20THz左右的电磁波。因此，代表性地，波导元件能够作为对频率为30GHz以上且20THz以下的电磁波进行引导的波导而发挥作用。

对于本发明的实施方式的波导元件，代表性地，传播损耗的绝对值达到1dB/cm以下的电磁波的频率范围为50GHz以上。换言之，该波导元件能够作为在较宽频率范围内传播损耗小的所谓的宽频带波导元件而发挥作用。这样的宽频带特性可以如下实现：代表性地，由陶瓷材料形成电介质部10；和/或、将电介质部10中的空穴12的周期性的图案设为没有形成光子带隙(禁带)的空穴图案(即，设为并非光子晶体的构成)。应予说明，这样的电介质部有时称为有效介电包层(EMC)。图2是与使用由半导体形成的有效介电包层的波导元件以及使用由陶瓷材料形成的光子晶体的波导元件进行比较来说明本发明的实施方式的波导元件中的电磁波的频率与传播损耗之间的关系的一例的曲线图。由图2可知，对于本发明的实施方式的波导元件，传播损耗的绝对值达到1dB/cm以下(传播损耗为－1dB/cm以上)的电磁波的频率范围为约50GHz～约300GHz(即，范围为约250GHz)。另一方面，对于使用由半导体形成的有效介电包层的波导元件，该范围为约205GHz(约95GHz～约300GHz)；对于使用由陶瓷材料形成的光子晶体的波导元件，该范围为约45GHz(约255GHz～约300GHz)。像这样，本发明的实施方式的波导元件(陶瓷材料/EMC模式)与半导体/EMC模式以及陶瓷材料/光子晶体模式相比，能够实现显著的宽频带化。应予说明，图2为一例，本发明的实施方式中，通过适当地设计空穴12的周期性的图案，能够在毫米波～太赫兹波的规定区域内实现如上所述的宽频带化。根据本发明的实施方式，即便是如上所述的频率区域(约50GHz～约300GHz)以外的区域、例如90GHz～400GHz的频率区域、例如400GHz～700GHz的频率区域、例如900GHz～1.5THz的频率区域、例如1THz～3THz的频率区域内，也能够使传播损耗的绝对值达到1dB/cm以下的电磁波的频率范围为例如50GHz以上、例如50GHz～300GHz、例如400GHz～600GHz。应予说明，本说明书中，“频率区域”是指：例如图2的曲线图的横轴上的规定区域(如果是毫米波～太赫兹波，则可以为比曲线图更靠高频率侧)，“频率范围”是指：例如图2的曲线图中传播损耗达到基准线以上的频率范围。

对于本发明的实施方式的波导元件，标准化频率P/λ可以为例如0.05～0.3，可以为例如0.05～0.025，可以为例如0.1～0.03，可以为例如0.1～0.025。此处，P为空穴12的间距，λ为电磁波的波长。关于空穴的间距P，在下文中说明电介质部的B项中进行说明。如果标准化频率P/λ为这样的范围，则电磁波不会在周期空穴发生衍射，周期空穴有效地作为低介电常数部而发挥作用。其相当于光纤中所称的包层。在光子晶体的情况下，传播常数的波长分散特性大幅度变化，群折射率变大。因此，信号脉冲的传播速度小，延迟问题显著。另一方面，在EMC模式的情况下，能够使有效介电常数(折射率)变小，因此，群速度不会变小，能够抑制延迟。

对于本发明的实施方式的波导元件，所输出的电磁波的光点尺寸(横向)可以为例如350μm～1000μm，可以为例如450μm～800μm，可以为例如500μm～700μm。如果光点尺寸为这样的范围，则容易与天线、振荡器、波导管的电场对准，能够使它们与波导元件的结合变得容易。

本说明书中“波导元件”包含：形成有至少1个波导元件的晶片以及将该晶片切断而得到的芯片这两者。

以下，对波导元件的构成要素具体地进行说明。

B.电介质部

如上所述，电介质部10是在陶瓷材料的基板周期性地形成空穴12而成的。本发明的实施方式中能够使用的陶瓷材料的介电常数(实部)小且介电常数(虚部)小，因此，能够使在电介质部内传播的电信号的延迟、损耗变小。1个实施方式中，基板由陶瓷材料(例如陶瓷粉末)的烧结体构成。由于烧结体为多晶，所以，能够使基板内的各向异性变小，因此，能够显著地抑制由该各向异性所引起的依赖于波导元件内的位置的特性(代表性的为介电常数)的偏差，结果，能够抑制例如依赖于波导元件内的位置或方向的传播损耗。从该观点出发，陶瓷材料优选为多晶或非晶质，更优选为非晶质。非晶质能够抑制由多晶特有的晶界所带来的散射，因此，能够使各向异性进一步变小，使用陶瓷材料的效果能够进一步变得显著。通过使用多晶或非晶质的陶瓷材料，能够使例如0.5THz以下的频率处的介电常数的复项(表示损耗)变小，且能够使其偏差变小。此外，对于单晶体，多数情况下会产生介电常数的复项在低频区域(例如0.5THz以下)突发性地大幅度变动的纹波，不过，通过使用多晶或非晶质的陶瓷材料，能够显著地抑制这样的纹波。应予说明，可以使用例如太赫兹时域分光法来测定复介电常数。

以往，对于波导元件，在EMC模式以及光子晶体模式的情况下，多数使用半导体。这是因为：通过利用光刻及蚀刻等半导体工艺，能够形成精密的空穴图案。这样的精密的空穴图案特别适合于光子晶体模式。但是，半导体材料的介电常数较大，因此，在光子晶体内传播的电信号的延迟较大。此外，半导体材料为单晶体，各向异性较大，依赖于波导元件内的电磁波传播的方向或偏波的特性的偏差(代表性的为介电常数)较大。另一方面，陶瓷材料(特别是烧结体)具有介电常数及各向异性均较小的优点，但是，由于无法利用半导体工艺，所以存在很难形成精密的空穴图案的问题。此处，本发明的实施方式中，采用EMC模式，由此，周期空穴作为衍射光栅发挥作用不是目的，不需要形成光子带隙，因此，容许空穴图案的精度具有某种程度的偏差。因此，本发明的实施方式中，陶瓷材料的问题实质上不会带来不良影响，由于能够仅利用优点，所以，使用陶瓷材料的效果显著。应予说明，在下文的C项中，对电介质部的形成方法进行说明。

电介质部(实质上为陶瓷材料)的100GHz～10THz处的介电常数优选为10.0以下，更优选为3.7～10.0，进一步优选为3.8～9.0。如果介电常数过大，则有时传播的电信号的延迟变大。

电介质部(实质上为陶瓷材料)的电阻率优选为100kΩ·cm以上，更优选为300kΩ·cm以上，进一步优选为500kΩ·cm以上，特别优选为700kΩ·cm以上。如果电阻率为这样的范围，则电磁波不会对电子传导带来影响，能够在材料中以低损耗传播。该现象的详细情况尚不明确，不过，可推测：如果电阻率较小，则电磁波与电子结合，电磁波的能量被电子传导夺取而损耗。从该观点出发，电阻率越大越理想。电阻率可以为例如3000kΩ(3MΩ)·cm以下。

电介质部(实质上为陶瓷材料)的介电损耗(tanδ)在使用的频率下优选为0.01以下，更优选为0.008以下，进一步优选为0.006以下，特别优选为0.004以下。如果介电损耗为这样的范围，则能够使波导中的传播损耗变小。介电损耗越小越理想。介电损耗可以为例如0.001以上。

电介质部(实质上为基板)的弯曲强度优选为50MPa以上，更优选为60MPa以上。如果弯曲强度为这样的范围，则基板不易变形，因此，空穴直径、空穴周期变得稳定，能够实现特性变化小的波导元件。弯曲强度越大越理想。弯曲强度可以为例如700MPa以下。

电介质部(实质上为基板)的热膨胀系数(线膨胀系数)优选为10×10^－6/K以下，更优选为8×10^－6/K以下。如果热膨胀系数为这样的范围，则能够良好地抑制基板的热变形(代表性的为翘曲)。

电介质部(实质上为基板)只要能够实现如上所述的特性即可，可以由任意的适当陶瓷材料形成。作为陶瓷材料，例如可以举出：石英玻璃、氮化铝(AlN)、氧化铝(Al₂O₃)、碳化硅(SiC)、氧化镁(MgO)以及尖晶石(MgAl₂O₄)。

电介质部(实质上为基板)的厚度优选为10μm～1mm，更优选为0.2mm～0.8mm。如果厚度为这样的范围，则能够实现薄型且具有足够机械强度的波导元件。此外，能够使传播损耗变小。

电介质部10中，如上所述，在基板周期性地形成有空穴12。作为空穴的形状，只要能够对毫米波～太赫兹波的电磁波进行引导即可，可以采用任意的适当形状。作为空穴的形状的具体例，可以举出：大致球状、椭圆球状、大致圆柱状、多棱柱状(俯视呈例如三角形、四边形、五边形、六边形、八边形)、不规则形状。空穴可以为贯通孔，例如大致球状的空穴可以多个连通。

空穴的尺寸优选为10μm～0.8mm，更优选为50μm～0.6mm，进一步优选为70μm～0.4mm。如果空穴尺寸为这样的范围，则能够在毫米波带、太赫兹波带实现良好的波导。另外，即便形成周期空穴结构，从机械强度及长期可靠性的任一观点出发，也能够实现稳定的波导元件。

关于基板的气孔率，气孔尺寸1μm以上的气孔优选为0.5ppm～3000ppm，更优选为0.5ppm～1000ppm，进一步优选为0.5ppm～100ppm。如果气孔率为这样的范围，则能够致密化，进而，通过与上述的将空穴尺寸设为规定范围的效果的协同效应，即便形成周期空穴结构，从机械强度及长期可靠性的任一观点出发，也能够实现稳定的波导元件。此外，具有如下优点，即，由于还能够使粒径变小，所以，空穴的形状不会产生偏差，能够均匀化，从而能够宽频带化。此外，如果气孔率超过3000ppm，则有时波导的传播损耗变大。在使用陶瓷材料的烧结体的技术中，很难使气孔率小于0.5ppm。应予说明，本说明书中，“气孔”是指：基板(陶瓷材料)本身具有的气泡(微细孔)，与形成为周期性的图案的空穴12不同。

所谓气孔或空穴的尺寸，在气孔或空穴为大致球状的情况下其为直径，在气孔或空穴为大致圆柱状的情况下其为俯视时的直径，在气孔或空穴为其他形状的情况下其为与气孔或空穴内接的圆的直径。例如，可以利用光CT(Computed Tomograohy)或透过率测定器来确认气孔或空穴的有无。例如，可以利用扫描型电子显微镜(SEM)来测定气孔或空穴的尺寸。应予说明，关于空穴，由于尺寸比较大，所以，也可以利用实体显微镜或激光形状测定器来进行测定。

如上所述，空穴12可以形成为周期性的图案。代表性地，空穴12以形成有规律的格子的方式进行排列。作为格子的形态，只要能够对毫米波～太赫兹波进行引导即可，可以采用任意的适当形态。作为代表例，可以举出：三角格子、正方形格子。

空穴的格子图案可以根据目的及待引导的电磁波的波长来适当设定。图示例中，直径d的空穴以周期P形成正方形格子。该正方形格子图案形成于波导元件的两侧，在未形成格子图案的中央部形成有主要的波导16。应予说明，本发明的实施方式中，由于没有形成光子带隙，所以，形成有格子图案的部分也能够对电磁波进行引导。主要的波导16的宽度相对于空穴周期P而言可以为例如1.01P～3P(图示例中为2P)。波导方向上的空穴的列(以下有时称为格子列)的数量可以在光波导各自的那侧为3列～10列(图示例中为5列)。

空穴周期P优选为50μm以上，更优选为50μm～1mm，进一步优选为0.2mm～0.8mm。空穴周期P的偏差优选为P/100(0.01P)以上，更优选为0.05P～0.3P。如上所述，本发明的实施方式中，采用EMC模式，由此不需要形成光子带隙，因此，容许空穴图案的精度(代表性的为空穴周期)具有某种程度的偏差。

1个实施方式中，空穴周期P可以与烧结体(基板)的厚度相同。空穴的直径d相对于空穴周期P而言优选为P/100(0.01P)以上，更优选为0.7P～0.96P，进一步优选为0.8P～0.94P。如果空穴的直径d和空穴周期P为这样的关系，则能够兼具有降低有效介电常数和保持机械强度的效果。

格子图案的宽度优选为10P以上，更优选为12P～20P。应予说明，格子图案的宽度是指：波导的一侧的格子图案中的最外侧的格子列与波导的另一侧的格子图案中的最外侧的格子列之间的距离。因此，像图示例那样，波导的一侧的格子图案的宽度为4P以上。

通过将空穴的直径d、空穴周期P、格子列的数量、1个格子列中的空穴的数量、基板的厚度、陶瓷材料的种类(实质上为折射率、介电常数、电阻率等)、线缺陷部分的宽度等进行适当组合并调整，可以得到所期望的波导特性。应予说明，图示例中，主要的波导16为带状(直线状)，不过，通过变更格子图案，能够形成规定的形状(因此，规定的波导方向)的波导。例如，波导可以在相对于波导元件的长边方向或短边方向而具有规定角度的方向(倾斜方向)上延伸，也可以在规定的地点弯曲(波导方向可以在规定的地点发生变化)

C.电介质部的形成方法

以下，对电介质部(形成有空穴的陶瓷材料的基板)的制作方法简单地进行说明。1个实施方式中，可以利用粉末烧结法(实质上为浆料浇铸成型)的近净成型来制作电介质部。以下，作为电介质部的制作方法的一例，对粉末烧结法(实质上为浆料浇铸成型)的近净成型进行说明。应予说明，根据陶瓷材料的种类，可以利用由通常的烧结制作的晶片的机械加工或激光加工来形成电介质部。

首先，准备具有与格子图案对应的突起部的成型模具。利用突起部，可以在得到的烧结体形成空穴。因此，突起部的形状、尺寸等可以根据待形成于得到的烧结体的空穴的形状、尺寸等而进行设计。1个实施方式中，可以利用突起部形成贯通孔。

接下来，使包含陶瓷材料的粉末、规定的分散剂以及分散介质的浆料流入于上述成型模具中。分散剂可以根据陶瓷材料而适当选择。分散剂的代表例为有机化合物，更详细的为树脂。分散介质可以为水系，也可以为有机溶剂系。作为水系分散介质，例如可以举出：水、水溶性醇。作为有机溶剂系分散介质，例如可以举出：石蜡、甲苯、石油醚。例如，将陶瓷材料的粉末、分散剂、分散介质、以及根据需要添加的其他成分(例如添加剂)进行混合来制备浆料。作为混合机构，例如可以举出：球磨罐、均化器、分散器。

接下来，使所流入的浆料在成型模具内固化。进而，将固化物脱模，以规定的条件进行烧结，由此能够得到具有规定的空穴图案的陶瓷材料的烧结体(电介质部)。代表性地，用于得到烧结体的烧成包括：烧成工序、以及根据需要在烧成工序前进行的预烧工序。预烧温度优选为1000℃以上且小于1250℃，更优选为1000℃～1200℃。如果预烧温度为这样的范围，则能够得到透明性优异的烧结体。烧成温度优选为1500℃～1700℃。关于烧成时的升温速度，在1000℃以上优选为20℃/分钟以上，在1200℃以上优选为20℃/分钟以上，更优选为25℃/分钟以上。如果升温速度为这样的范围，则能够抑制得到的烧结体变形。1个实施方式中，在烧成前进行脱脂。脱脂温度优选为300℃～800℃。应予说明，上述预烧可以兼用作脱脂。通过在1200℃以下进行脱脂，能够抑制结晶相析出。

通过将陶瓷材料的种类、浆料中的陶瓷材料的浓度、分散剂的种类及添加量、添加剂的种类、数量、组合及添加量、以及烧成条件等进行适当组合，能够得到所期望的烧结体(电介质部)。

陶瓷材料的烧结体的蚀刻、机械加工均较为困难，与此相对，通过如上所述在烧结前形成空穴图案，能够在陶瓷材料的烧结体简便且以低成本形成规定的空穴图案。此外，如上所述，本发明的实施方式中，采用EMC模式，由此不需要形成光子带隙，因此，容许空穴图案的精度具有某种程度的偏差。因此，本发明的实施方式中，陶瓷材料的烧结体的问题实质上不会带来不良影响，能够仅利用优点，因此，其效果显著。结果，能够简便且以低成本得到电信号的延迟小、传播损耗小、且在整个元件具有均匀特性的波导元件。若将基板材料的相对介电常数设为ε，则适合于利用这样的方法制造的波导元件的频率优选为125/√εGHz～15000/√εGHz。

D.支撑基板

作为支撑基板30，可以采用任意的适当构成。作为构成支撑基板30的材料的具体例，可以举出：硅(Si)、玻璃、硅铝氧氮陶瓷(Si₃N₄－Al₂O₃)、多铝红柱石(3Al₂O₃·2SiO₂、2Al₂O₃·3SiO₂)、氮化铝(AlN)、氮化硅(Si₃N₄)、氧化镁(MgO)、氧化铝(Al₂O₃)、尖晶石(MgAl₂O₄)、蓝宝石、石英玻璃、水晶、氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)、氧化镓(Ga₂O₃)。优选为硅、氮化镓、碳化硅、氧化锗。如果是这样的材料，则以毫米波～太赫兹波的前端(例如天线基板)使用的情况下，能够与放大器、混合器等半导体电路实现一体化。应予说明，构成支撑基板30的材料的线膨胀系数越接近于构成电介质部(实质上为基板)10的材料的线膨胀系数越理想。如果是这样的构成，则能够抑制波导元件的热变形(代表性的为翘曲)。优选为，构成支撑基板30的材料的线膨胀系数相对于构成电介质部(实质上为基板)10的材料的线膨胀系数而言在50％～150％的范围内。从该观点出发，支撑基板可以为与电介质部(实质上为基板)10相同的材料。

E.接合部

接合部20介于电介质部10与支撑基板30之间，使它们实现一体化。接合部20构成为形成空腔80时的蚀刻剩余部分。代表性地，接合部20将上层和下层直接接合而使电介质部10和支撑基板30实现一体化。通过利用直接接合使电介质部10和支撑基板30实现一体化，能够良好地抑制波导元件的剥离。

本说明书中“直接接合”是指：未夹有粘接剂，2个层或基板(此处为上层和下层)接合。直接接合的形态可以根据被彼此接合的层的构成而适当地设定。例如，直接接合可以按以下的步骤来实现。在高真空腔体内(例如1×10^－6Pa左右)，对上层及下层各自的接合面照射中和束。由此，各接合面活化。接下来，在真空气氛内，使已活化的接合面彼此接触，于常温进行接合。该接合时的载荷可以为例如100N～20000N。1个实施方式中，在利用中和束进行表面活化时，向腔体导入非活性气体，从直流电源向配置于腔体内的电极施加高电压。如果是这样的构成，则电子因电极(正极)与腔体(负极)之间产生的电场而进行运动，从而生成非活性气体的原子和离子的射束。到达栅极的射束中的离子射束在栅极被中和，因此，中性原子的射束从高速原子射束源射出。构成射束的原子种类优选为非活性气体元素(例如氩(Ar)、氮(N))。利用射束照射进行活化时的电压为例如0.5kV～2.0kV，电流为例如50mA～200mA。应予说明，直接接合的方法不限定于此，也可以应用利用FAB(Fast Atom Beam)或离子枪的表面活化法、原子扩散法、等离子体接合法等。上层及下层可以分别根据目的而采用任意的适当构成。

F.低介电常数部

代表性地，低介电常数部80如上所述可以构成为空腔(空气部)。代表性地，可以如上所述利用蚀刻将上层及下层除去来形成低介电常数部(空腔)80。空腔的宽度优选大于主要的波导16的宽度。低介电常数部(空腔)80优选为从波导16延伸至至少第3列格子列。电磁波不仅在波导内传播，电磁波的一部分有时扩散至波导附近的格子列，因此，通过在这样的格子列的正下方设置空腔，能够抑制传播损耗。从该观点出发，低介电常数部(空腔)80更优选从波导16延伸至第5列，特别优选以与空穴形成部的整个区域重叠的方式延伸。通过将上层及下层的构成、掩膜、蚀刻样式等适当组合，能够以高效的步骤且高精度形成空腔。或者，如上所述，在没有设置接合部的情况下，可以在支撑基板形成空腔(空气部)。本发明的实施方式中，由于构成波导的电介质部由陶瓷材料形成，所以，低介电常数部优选为空气部。通过将低介电常数部设为空气部，能够使包层的有效介电常数变小。结果，即便使周期空穴的数量变少，也能够以低损耗传播电磁波，因此，能够实现波导元件的小型化。

如上所述，低介电常数部的介电常数比电介质部小。低介电常数部的100GHz～10THz处的介电常数优选为11以下，更优选为2～10，进一步优选为3～8。

G.波导元件的另一实施方式

以下，对波导元件的另一实施方式进行说明。

如图3～图8所示，1个实施方式的波导元件可以具备有源元件，该有源元件能够实现频率为30GHz以上且20THz以下的电磁波的发送、接收以及放大中的至少任一者，且该有源元件支撑于支撑基板。

这样的波导元件中，使有源元件和电介质部实现一体化，从而能够进行晶片工艺，因此，能够减少特性偏差，从而能够提高波导元件的生产率。因此，能够实现便宜的波导元件。

具备被支撑于支撑基板的有源元件的波导元件中，具备将基板中形成的线缺陷的波导与有源元件之间以能够实现电磁波传播的方式相连的构成。

图3～图5所示的波导元件101具备：线缺陷的第一波导，其形成于基板中；以及第二波导(代表性的为图示例的共面波导)，其在电磁波的传播路径中位于有源元件与第一波导之间，能够对电磁波进行引导。1个实施方式中，第二波导能够将由有源元件发送来的电磁波引导到第一波导。

图示例的波导元件101具备：电介质部90，其是在陶瓷材料的基板周期性地形成空穴12而成的；支撑基板30，其设置于电介质部90的下部而对电介质部90进行支撑；有源元件40，其支撑于支撑基板30；以及共面型电极图案50。

电介质部90具备：EMC部分90a，其是在陶瓷材料的基板周期性地形成空穴12而成的；线缺陷的波导16，其被规定为EMC部分90a(陶瓷材料的基板)中未形成空穴12的部分；以及除EMC部分90a以外的其他部分90b。代表性地，在其他部分90b未形成空穴12。应予说明，其他部分90b中，为了抑制电磁波的泄漏、浮动容量，可以形成与空穴12不同的周期、或者单独存在的空穴。这种情况下，可以为在空穴内形成导电膜而使电介质部90的上表面和相反面短路的所谓的针孔。针孔可以完全填满导体膜材料。

1个实施方式中，支撑基板30具有凹部31。凹部31自支撑基板30的上表面朝向下方凹陷。代表性地，凹部31朝向波导16的波导方向上的一方而敞开。电介质部90的下表面和支撑基板30的凹部31规定出空腔81。据此，波导元件101具备空腔81。空腔81作为低介电常数部且是下部包层而发挥作用。通过波导元件具备空腔，能够稳定地抑制在波导内传播的电磁波从波导漏出。

代表性地，空腔81在陶瓷材料的基板的厚度方向上与波导16重叠。空腔81的宽度与低介电常数部(空腔)80同样地说明。空腔81更优选像图示例那样以与EMC部分90a的整个区域重叠的方式延伸。

1个实施方式中，陶瓷材料的基板(电介质部90)和支撑基板30通过接合部20而被直接接合。图示例中，接合部20介于电介质部90中的其他部分90b与支撑基板30中的除凹部31以外的部分之间，使陶瓷材料的基板和支撑基板30实现一体化。

有源元件40被支撑于支撑基板30，代表性地，植入于支撑基板30的上表面的除凹部31以外的部分。作为有源元件40，例如可以举出：共振隧穿二极管、肖特基势垒二极管、CMOS收发器、InP HEMT。

图示例中，有源元件40为共振隧穿二极管。有源元件40能够发送(能够生成、放射)电磁波。有源元件40具备第一元件电极41和2个第二元件电极42。第一元件电极41和2个第二元件电极42分别在波导16的波导方向上延伸。2个第二元件电极42在与波导16的波导方向正交的方向上彼此空开间隔地配置。第一元件电极41配置于2个第二元件电极42之间。

共面型电极图案50配置于陶瓷材料的基板中的除EMC部分90a以外的部分(即，其他部分90b)上。共面型电极图案50和位于共面型电极图案50的下部的其他部分90b构成作为第二波导的一例的共面波导。

共面型电极图案50在波导方向上与波导16并列。共面型电极图案50具备：信号电极51，其在波导16的波导方向上延伸；以及俯视呈コ字状的接地电极52，其朝向波导16而敞开。信号电极51配置于接地电极52的内侧，相对于接地电极52而空开间隔地配置。据此，在信号电极51与接地电极52之间形成有在波导16的波导方向上延伸的空隙部(狭缝)。信号电极51借助导通孔43而与有源元件40的第一元件电极41电连接。接地电极52借助2个导通孔44而与有源元件40的第二元件电极42电连接。

应予说明，第二波导不限定于共面波导，例如也可以构成为微带波导、波导管集成型波导。

接下来，对波导元件101中的电磁波的传播进行说明。

当对共面型电极图案50施加电压时，在信号电极51与接地电极52之间产生电场。另外，当对有源元件40施加电压时，有源元件40发送电磁波。由有源元件40发送的电磁波经由导通孔43而朝向信号电极51传播后，与在信号电极51与接地电极52之间形成的电场结合，在陶瓷材料的基板中朝向线缺陷的波导16传播。像这样，由有源元件40发送的电磁波先被传播到共面波导，之后被传播到线缺陷的波导16。

图6～图8所示的波导元件102具备谐振器17，该谐振器17位于有源元件40与波导16之间，能够对电磁波进行引导。代表性地，谐振器17为被规定为陶瓷材料的基板中未形成空穴的部分的模式间隙闭合型谐振器。谐振器17周围的空穴图案以使其产生光子带隙的方式适当设计。谐振器17能够接收由有源元件40发送的电磁波，且能够将接收到的电磁波向波导16送出。

详细而言，波导元件102所具备的电介质部91具备：EMC部分91a，其以上述周期形成有空穴12；线缺陷的波导16，其被规定为EMC部分91a(陶瓷材料的基板)中未形成空穴12的部分；光子晶体部分91b，其以与EMC部分91a不同的周期形成有空穴12；模式间隙闭合型谐振器17，其被规定为光子晶体部分91b(陶瓷材料的基板)中未形成空穴12的部分；以及电介质部91中的其他部分91c。

光子晶体部分91b中，空穴12的空穴周期P可以满足例如以下的关系。

(1/7)×(λ/n)≤P≤1.4×(λ/n)

此处，λ为被导入于波导的电磁波的波长(μm)，n为陶瓷基板的折射率。折射率εr与介电常数的1/2次方成正比例，因此，上式的“n”可以置换为“(εr)^1/2”。

陶瓷材料的基板由石英玻璃构成的情况下，光子晶体部分91b的标准化频率P/λ超过0.3，EMC部分91a的标准化频率P/λ为0.3以下。

谐振器17被光子晶体部分91b包围，能够接收由有源元件40发送的电磁波，且能够将接收到的电磁波向波导16送出。谐振器17在波导16的波导方向上与波导16并列，且与波导16连续。谐振器17的宽度(与波导16的波导方向正交的方向上的尺寸)大于波导16的宽度。图示例中，谐振器17形成为由3列空穴列包围。

1个实施方式中，波导元件102具备绝缘层23，该绝缘层23位于陶瓷材料的基板(电介质部91)与支撑基板30之间。作为绝缘层23的材料，例如可以举出上述的陶瓷材料，优选可以举出石英玻璃。

图示例中，陶瓷材料的基板(电介质部91)和绝缘层23通过接合部21而被直接接合，支撑基板30和绝缘层23通过接合部22而被直接接合。接合部21介于陶瓷材料的基板与绝缘层23之间，使陶瓷材料的基板和绝缘层23实现一体化。接合部22介于绝缘层23与支撑基板30之间，使绝缘层23和支撑基板30实现一体化。

另外，图示例的绝缘层23具有朝向波导16的波导方向上的一方而敞开的俯视呈コ字状。电介质部91的下表面、支撑基板30的上表面以及绝缘层23规定出空腔82。空腔82也可以通过电介质部91的下表面、位于支撑基板30的上表面的接合部22以及绝缘层23来规定。据此，波导元件102具备空腔82。

代表性地，空腔82在陶瓷材料的基板的厚度方向上与波导16及谐振器17重叠，空腔82的宽度(与波导16的波导方向正交的方向上的尺寸)大于谐振器17的宽度。空腔82更优选像图示例那样以与电介质部91中的空穴形成部的整个区域重叠的方式延伸。

接下来，对波导元件102中的电磁波的传播进行说明。

波导元件102所具备的有源元件40中，当被施加电压时，第一元件电极41作为天线而发挥作用，从而电磁波从第一元件电极41朝向谐振器17发送。到达谐振器17的电磁波由谐振器17接收后，经由谐振器17与波导16的连续部分而从谐振器17向波导16送出。之后，电磁波被传播到波导16。

另外，模式间隙闭合型谐振器能够接收电磁波，且能够将接收到的电磁波送出，因此，能够作为接收或发送特定频率的电磁波的天线而发挥作用。另外，作为天线，不限定于模式间隙闭合型谐振器。即便是不具有未形成空穴的部分的光子晶体结构，也能够针对特定的频率而捕捉从外部入射的电磁波。该效果也能够可逆地射出电磁波。因此，即便是不具有未形成空穴的部分的光子晶体结构，也能够作为天线而发挥作用。例如，利用由2个不同的晶胞形成的能谷光子晶体结构也能够构成天线。此外，若在光子晶体部分91b的下表面形成导电层(镜面)，则特定频带因其间的间隙而扩展，能够构成发送、接收宽频带的电磁波的天线。

图3～图8中，有源元件发挥出发送(生成、放射)电磁波的功能，示出了由有源元件发送的电磁波经由第二波导或谐振器而与线缺陷波导结合的例子，不过，在这些图中，还容易设想如下实施方式，即，有源元件发挥出接收电磁波的功能，线缺陷波导中引导的电磁波经由第二波导或谐振器而与有源元件结合。

实施例

以下，通过实施例而对本发明具体地进行说明，不过，本发明并不受这些实施例的限定。

＜实施例1＞

利用粉末烧结法(实质上为浆料浇铸成型)的近净成型，制作波导元件的电介质部。具体如下。在具有与空穴图案对应的突起部的成型模具中，将非晶质石英的微粉末、通过预烧成而分解或者挥发的亲水性分散剂(有机化合物)以及分散介质(水)充分混合，制备水分为15重量％～30重量％的近净成型用浆料。将该浆料浇铸到成型模具中，利用有机化合物的化学反应使浆料固化。将固化物自成型模具脱模，于高温进行烧成，由此制作在烧结体形成有周期性的空穴图案的电介质部。成型模具以考虑烧成收缩率而在烧成后得到所期望的尺寸的方式进行设计。所制作的电介质部的尺寸为35mm×10mm，厚度为0.5mm，设为空穴直径0.27mm、空穴周期0.3mm的三角格子图案。通过在中央部设置没有形成空穴的部分，形成宽度0.6mm的主要波导。为了测定该波导的传播损耗，制作波导长度为10mm、30mm以及50mm的3个电介质部。构成电介质部的基板的电阻率为1MΩ·cm。

接下来，作为支撑基板，使用厚度525μm的高阻硅，利用干法蚀刻，形成宽度0.5mm、长度10mm、30mm以及50mm(与主要波导的长度对应)、深度0.25mm的沟，以使得电介质部的与主要波导对应的部分成为中空。

接下来，将电介质部和硅基板于常温进行直接接合，制作主要波导的长度不同的3个波导元件。将得到的波导元件进行以下的评价。将结果示于表1。

(1)传播损耗

将频率75GHz、200GHz、275GHz的RF信号发生器及发送天线与波导元件的输入侧连接，将接收天线及RF信号接收器与该波导元件的输出侧连接，利用RF信号接收器测定RF功率。根据3个波导元件的测定结果，计算出传播损耗(dB/cm)。

(2)电信号的延迟

对频率275GHz时的RF信号接收器中的相位进行测定，根据波导长度不同的波导元件的相位的差异，计算出传送时间(ps)。

(3)光点尺寸

使频率275GHz的RF信号接收器与波导元件连接，在波导的输出端，使用刀口法，测定横向(水平方向)上的光点尺寸。

(4)频带特性

利用电磁波解析进行计算。将结果示于图2。表1中示出以传播损耗的绝对值为1dB/cm以下进行传播的频率范围。

＜比较例1＞

使用高阻硅代替石英玻璃来制作电介质部。具体如下。准备4英寸、厚度0.3mm的高阻硅晶片。在该晶片(基板)上，利用对准机，在抗蚀剂中形成周期空穴部的图案，通过干法蚀刻形成周期空穴。之后，将晶片切断，制作电介质部。电介质部的尺寸与实施例1同样地为35mm×10mm，设为空穴半径0.072mm、空穴周期0.16mm的三角格子图案。通过在中央部设置没有形成空穴的部分，形成宽度0.36mm的波导。波导的长度与实施例1同样地为10mm、30mm以及50mm。本比较例中，没有进行电介质部和支撑基板的复合化，以电介质部(硅基板)的单一层的形式制作波导元件。如上制作主要波导的长度不同的3个波导元件。将得到的波导元件进行与实施例1同样的评价。将结果示于表1。

＜比较例2＞

将空穴直径设为0.316mm，将空穴周期设为0.45mm，并且，通过在中央部设置没有形成空穴的部分来形成宽度0.464mm的波导，除此以外，与实施例1同样地制作电介质部。得到的电介质部为形成有光子带隙的光子晶体。除此以外的步骤与实施例1相同，制作波导的长度不同的3个光子晶体元件。将得到的光子晶体元件进行与实施例1同样的评价。将结果示于表1。应予说明，表中的“PC”是指光子晶体。

[表1]

由表1可知，关于本发明的实施例的波导元件(陶瓷材料/EMC模式)，电信号的延迟小，且在较宽频率范围内传播损耗小。半导体/EMC模式的比较例1的电信号的延迟非常大，陶瓷材料/光子晶体模式的比较例2的传播损耗小的频率范围非常小。此外，对于本发明的实施例的波导元件，周期空穴图案的形成不需要半导体工艺，因此，能够以简便的步骤且便宜地制造。

产业上的可利用性

本发明的实施方式的波导元件能够用于光波导、下一代高速通信、传感器、激光加工、太阳能发电等广泛的领域，特别是能够很好地用作毫米波～太赫兹波的波导。这样的波导元件能够用于例如天线、带通滤波器、耦合器、延迟线(相位器)或隔离器。

符号说明

10电介质部

12空穴

16波导

20接合部

30支撑基板

40有源元件

80低介电常数部

100波导元件

101波导元件

102波导元件。

Claims

1.一种波导元件，其中，具备：

电介质部，该电介质部是在陶瓷材料的基板周期性地形成空穴而成的；

低介电常数部，该低介电常数部具有比所述电介质部的介电常数小的介电常数；以及

支撑基板，该支撑基板设置于所述电介质部的下部，对所述电介质部进行支撑，

所述波导元件对频率为30GHz以上且20THz以下的电磁波进行引导，

传播损耗的绝对值达到1dB/cm以下的所述电磁波的频率范围为50GHz以上。

2.根据权利要求1所述的波导元件，其中，

所述空穴的周期P为50μm以上，该周期的偏差为P/100以上。

3.根据权利要求1或2所述的波导元件，其中，

所述空穴的直径d为P/100以上。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的波导元件，其中，

标准化频率P/λ为0.05～0.3，此处，λ为所述电磁波的波长。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的波导元件，其中，

所述陶瓷材料为多晶或非晶质。

6.根据权利要求5所述的波导元件，其中，

所述陶瓷材料选自石英玻璃、氮化铝、氧化铝、碳化硅、氧化镁以及尖晶石。

7.根据权利要求1至6中的任一项所述的波导元件，其中，

所述波导元件还具备使所述电介质部和所述支撑基板实现一体化的接合部，

通过该电介质部的下表面、该支撑基板的上表面以及该接合部而规定出空腔，

该空腔作为所述低介电常数部而发挥作用。

8.根据权利要求1至7中的任一项所述的波导元件，其中，

所述波导元件还具备有源元件，该有源元件能够进行电磁波的发送、接收以及放大中的至少任一者，且该有源元件支撑于所述支撑基板。

9.根据权利要求8所述的波导元件，其中，

所述波导元件还具备：

线缺陷的第一波导，该第一波导由所述基板中未形成所述空穴的部分规定；以及

第二波导，该第二波导在电磁波的传播路径中位于所述有源元件与所述第一波导之间，能够对电磁波进行引导。

10.根据权利要求8所述的波导元件，其中，

所述波导元件还具备：

线缺陷的波导，该波导由所述基板中未形成所述空穴的部分规定；以及

谐振器，该谐振器由所述基板中未形成所述空穴的部分规定，且该谐振器在电磁波的传播路径中位于所述有源元件与所述波导之间，能够对电磁波进行引导。