JP2013246320A - 半導体光素子、及び光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】表面に光導波路が形成され、焦電性を有する第１の基板と、該第１の基板に絶縁性の接着層を介して接続される第２の基板とを備える半導体光素子であって、内部に発生する焦電効果を抑制する半導体光素子及び光モジュールの提供。
【解決手段】本発明に係る半導体光素子は、上表面に光導波路が形成され、電気光学効果を有するとともに焦電性である、第１の基板と、前記第１の基板の下表面と、絶縁性の接着層を介して、上表面が接続される、第２の基板と、を備える半導体光素子であって、前記第１の基板の前記下表面に第１の導電性膜が形成され、前記第１の基板の少なくとも一の側面及び該側面に対応する前記第２の基板の側面に、第２の導電性膜が形成され、前記第１の導電性膜は、前記第２の導電性膜と、電気的に接続される、ことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、電気光学効果を有するとともに焦電性である基板を備え、該基板の表面に光導波路が形成される、半導体光素子、及び光モジュールに関する。

例えば光通信系において、電気光学効果を有する基板の表面に光導波路が形成される、半導体光素子が用いられる。基板には、高い電気光学効果が得られる結晶（電気光学結晶）が用いられ、電気光学結晶の材料として、例えば、ニオブ酸リチウム（Lithium Niobate：以下、ＬＮと記す）、タンタル酸リチウム（Lithium Tantalate：以下、ＬＴと記す）、又は、ニオブ酸タンタル酸リチウム（Lithium Niobate-Tantalate：以下、ＬＮＴと記す）などが適している。電気光学効果を有する基板の表面に光導波路が形成される半導体光素子の一例として、特許文献１に光変調器が開示されている。

特開２００７−１０１６４１号公報 特開平０７−１４０４３０号公報

電気光学結晶の材料として適しているＬＮ、ＬＴ、ＬＮＴなどは、焦電性（Pyroelectric）物質であり、焦電効果を有している。ここで、焦電効果とは、温度変化により結晶の表面に静的な電荷が発生する現象であり、かかる電荷を焦電電荷という。変調基板１１０が焦電性を有する場合、安定的な素子特性を実現するためには、変調基板１１０の表面に発生する焦電電荷をキャンセルし、実効的な電荷の発生が抑制されるのが望ましい。特許文献２には、光導波路が形成される基板の上表面と、電極との間に、導電性膜を形成することにより、基板の上表面に発生する焦電電荷をキャンセルする技術が開示されている。基板の上表面に焦電電荷が発生する場合に、かかる電荷を打ち消す電荷を導電性膜に発生させることが可能であり、焦電電荷の対策として有効である。

ここで、本発明に先立って、発明者らは本発明の比較例に係る半導体光素子について検討している。以下に、当該比較例に係る半導体光素子にについて説明する。

図６は、本発明の比較例に係る半導体光素子の概略断面図である。半導体光素子の一例として、基板表面に光導波路が形成されている導波路型マッハツェンダー（ＭＺ）変調素子が、図６に示されている。変調基板１１０には、電気光学結晶が用いられている。変調基板１１０の上表面に、２本の導波路１１３，１１４が形成されている。２本の導波路１１３，１１４の上側に、変調基板１１０の上表面全域に亘って、バッファ層１２２と導電性膜１２３が順に積層されている。導電性膜１２３の上側のうち、一方の導波路１１３の上方となる領域に信号電極１１７が、他方の導波路１１４の上方となる領域に接地電極１１９が、それぞれ形成されている。信号電極１１３の接地電極１１９側とは反対側に、さらに、他の接地電極１１８が形成されている。

変調基板１１０は比較的薄く加工されるので、機械的強度が弱くなってしまう。それゆえ、機械的強度を向上させるために、変調基板１１０の下表面に補強基板１２１が接着層１２８によって貼り合わされ、固定されている。ここで、補強基板１２１に、変調基板１１０と同じ電気光学結晶が用いられている。なお、貼り合わされた変調基板１１０及び補強基板１２１の両側面と、補強基板１２１の下表面とに、導電性膜１２４，１２７がそれぞれ形成されている。また、半導体光素子を駆動する場合に、変調基板１１０に発生する電界が図６に電界線１４０として示されている。

ここで、貼り合わされた変調基板１１０及び補強基板１２１を、基板全体と呼ぶこととすると、内部に生じる誘電分極により、基板全体の表面に焦電電荷が発生する。前述の通り、基板全体の側面に導電性膜１２４が形成され、基板全体の下表面（補強基板１２１の下表面）に導電性膜１２７が形成されていることにより、基板全体の表面に発生する焦電電荷をキャンセルし、実効的な電荷の発生が抑制される。

しかし、素子特性のさらなる向上が望まれており、そのためには、素子全体の焦電効果の影響をより低減させることが望ましい。発明者らは、当該比較例に係る半導体光素子において、焦電効果の発生の起源を調べ、変調基板１１０と補強基板１２１の接合箇所に発生する焦電電荷の影響が無視できないとの見地を得ることとなった。

図７は、当該比較例に係る半導体光素子の焦電効果を示す概略断面図である。ここでは、変調基板１１０の上表面に、正の焦電電荷が発生する場合について示している。この場合、前述の通り、当該正の焦電電荷を打ち消すように負の電荷が、変調基板１１０の上表面の上方に（近傍に）形成される導電性膜１２３に発生している。図７には、打ち消された正と負の電荷が、電子対１４２として示されている。同様に、補強基板１２１の下表面に発生する負の電荷を打ち消すように正の電荷が、補強基板１２１の下表面に形成される導電性膜１２７に発生しており、打ち消された正と負の電荷が、電子対１４３として示されている。なお、基板全体の側面に焦電電荷が発生する場合も、導電性膜１２４によりキャンセルされる。

変調基板１１０の下表面及び補強基板１２１の上表面は、焦電電荷が発生する面である。当該２つの面は接着層１２８を介して接している。接着層１２８には絶縁性の接着剤が用いられるのが一般的であり、２つの面に発生する焦電電荷を打ち消す電荷が供給されない。よって、温度が変化する際に、当該２つの面で焦電電荷が発生し、この電荷による電界が変調基板１１０の内部に残存するために、電気光学効果によって導波路を伝搬する光の位相が変化してしまい、動作特性が不安定となってしまう。図７には、変調基板１１０の下表面に発生する負の焦電電荷１４５と、補強基板１２１の上表面に発生する正の焦電電荷１４６とが、それぞれ示されている。

２つの面で発生する焦電電荷をキャンセルするために、接着層１２８に導電性の接着剤を用いることが考えられる。かかる場合は、接着層１２８に焦電電荷を打ち消す電荷を発生することができ、実効的な電荷の発生を抑制することが出来る。しかし、製造工程において、補強基板１２１は、ウェハをチップに分割する前に接着層１２８によって固定されるので、ウェハの貼り合わせ（ラミネーション）に適合する接着剤を用いる必要がある。ウェハは、例えば、外径φが５０ｍｍ〜１２５ｍｍであるので、気泡が少なくて厚みが薄い接着層を実現するためには、低粘度で塗れ性に優れる接着剤を用いる必要がある。しかしながら、導電性の接着剤とは、例えば、銀（Ａｇ）またはカーボン（Ｃ）のフィラーを混合させた樹脂であるため、塗れ性が悪く広い面積において薄い接着層を実現することが困難である。

本発明は、かかる課題を鑑みてなされてものであり、本発明の目的は、表面に光導波路が形成され、焦電性を有する第１の基板と、該第１の基板に絶縁性の接着層を介して接続される第２の基板とを備える半導体光素子であって、内部に発生する焦電効果を抑制する半導体光素子及び光モジュールの提供とする。

（１）上記課題を解決するために、本発明に係る半導体光素子は、上表面に光導波路が形成され、電気光学効果を有するとともに焦電性である、第１の基板と、前記第１の基板の下表面と、絶縁性の接着層を介して、上表面が接続される、第２の基板と、を備える半導体光素子であって、前記第１の基板の前記下表面に第１の導電性膜が形成され、前記第１の基板の少なくとも一の側面及び該側面に対応する前記第２の基板の側面に、第２の導電性膜が形成され、前記第１の導電性膜は、前記第２の導電性膜と、電気的に接続される、ことを特徴とする。

（２）上記（１）に記載の半導体光素子であって、前記第２の基板は、前記第１の基板と熱膨張係数が略等しくてもよい。

（３）上記（１）又は（２）に記載の半導体光素子であって、前記第２の基板の前記上表面に第３の導電性膜が形成され、前記第３の導電性膜は、前記第２の導電性膜と、電気的に接続されてもよい。

（４）上記（１）又は（２）に記載の半導体光素子であって、前記第２の基板は、前記第１の基板より、電気伝導性が高くてもよい。

（５）上記（３）に記載の半導体光素子であって、前記第１の基板の材料及び前記第２の基板の材料は、ともに、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、又はニオブ酸タンタル酸リチウムのいずれかであってもよい。

（６）上記（４）に記載の半導体光素子であって、前記第１の基板の材料は、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、又はニオブ酸タンタル酸リチウムのいずれかであり、前記第２の基板の材料は、ブラックニオブ酸リチウム、ブラックタンタル酸リチウム、又はブラックニオブ酸タンタル酸リチウム、のいずれかであってもよい。

（７）上記（４）に記載の半導体光素子であって、前記第１の基板の材料及び前記第２の基板の材料は、ニオブ酸リチウム及びブラックニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム及びブラックタンタル酸リチウム、又は、ニオブ酸タンタル酸リチウム及びブラックニオブ酸タンタル酸リチウム、のいずれかの組み合わせであってもよい。

（８）上記（１）乃至（７）のいずれかに記載の半導体光素子であって、前記光導波路は、ＬＮ変調器として機能してもよい。

（９）上記（１）乃至（８）のいずれかに記載の半導体光素子であって、前記第１の基板の上表面に、前記光導波路を覆って、バッファ層及び第４の導電性膜が順に積層され、前記第４の導電性膜の上側に所定の形状の電極が形成され、前記第４の導電性膜は、前記第２の導電性膜と、電気的に接続されてもよい。

（１０）上記（１）乃至（３）のいずれに記載の半導体光素子であって、前記第１の基板の両側面及び前記第２の基板の両側面に、前記第２の導電性膜が形成され、前記第２の基板の下表面に、前記第２の導電性膜と電気的に接続される、第５の導電性膜が形成されてもよい。

（１１）本発明に係る光モジュールは、上記（１）乃至（１０）のいずれかに記載の半導体光素子と、該半導体光素子を導電性の接着材により固定して搭載する、導電性のパッケージと、を備える、光モジュールであって、前記第１の導電性膜は、前記パッケージと電気的に接続されてもよい。

本発明により、表面に光導波路が形成され、焦電性を有する第１の基板と、該第１の基板に絶縁性の接着層を介して接続される第２の基板とを備える半導体光素子であって、内部に発生する焦電効果を抑制する半導体光素子及び光モジュールが提供される。

本発明の第１の実施形態に係る半導体光素子の概略上面図である。 本発明の第１の実施形態に係る半導体光素子の概略断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る半導体光素子主要部断面を模式的に示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る半導体光素子の焦電効果を示す概略断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る半導体光素子の焦電効果を示す概略断面図である。 本発明の比較例に係る半導体光素子の概略断面図である。 本発明の比較例に係る半導体光素子の焦電効果を示す概略断面図である。

以下に、図面に基づき、本発明の実施形態を具体的かつ詳細に説明する。なお、実施形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、以下に示す図は、あくまで、実施形態の実施例を説明するものであって、図の大きさと本実施例記載の縮尺は必ずしも一致するものではない。また、以下の実施の形態では、特に必要なときを除き、同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体光素子１の概略上面図である。当該実施形態に係る半導体光素子１は、導波路型ＭＺ変調素子（ＬＮ変調器）である。半導体光素子１は、変調基板１０（第１の基板）を備え、変調基板１０の上表面に光導波路が形成されている。変調基板１０には、電気光学結晶が用いられており、変調基板１０は、電気光学効果を有するとともに焦電性である。長距離高速光ファイバ通信を実現するために、電気のデータ信号を光信号を変調するための光変調器が必要であり、当該実施形態に係る半導体光素子は、長距離伝送用に用いる光変調器に最適である。

入力光信号５１が外部より、半導体光素子１の光導波路の入力端に入射する。入射される光信号は、入力導波路１１を伝播し、入力分岐導波路１２より２本の導波路１３，１４に分岐される。２本の導波路１３，１４の出力側が、出力分岐導波路１５に接続されており、さらに、出力導波路１６を伝搬して、光導波路の出力端より出力光信号５２が外部へ出射される。上記光導波路からなる光回路よりＭＺ型光干渉系が構成されており、光導波路はＬＮ変調器として機能している。

ＭＺ型光干渉系を用いた光変調器を実現するために、半導体光素子１に、電気信号を印加する電極が備えられる。電極の設置箇所は電気光学結晶の種類によるが、ここでは、変調基板１０にＺカットのＬＮ（以下、Ｚ−ＬＮと記す）を用いているが、これに限定されることがないのは言うまでもない。なお、通常のＬＮはＬｉＮｂＯ_３を指すが、これに限定されることはなく、ＬｉＮｂＯ_ｘやＬｉＮｂ_ｙＯ_ｘといった化学量論的（stoichiometric）なＬＮであってもよい。すなわち、本明細書においてＬＮとは化学量論的なものも含んでいるし、以下に説明するＬＴやＬＮＴなどの他の物質についても同様である。

変調基板１０にＺ−ＬＮを用いる場合、変調基板１０の上表面のうち、一方の導波路１３の上方となる領域を含んで信号電極１７が形成されており、信号電極１７を挟んで両側に、接地電極１８，１９が形成されている。接地電極１９は、他方の導波路１４の上方となる領域を含んで形成され、接地電極１８は、一方の導波路１３に対して他方の導波路１４とは反対側に形成される。なお、信号電極１７及び接地電極１８は、外部回路と接続するために、両端は屈曲して、図の下側の縁へ延伸している。信号電極１７及び接地電極１８，１９でＲＦ電極を構成しており、電気信号は当該ＲＦ電極より印加され、光信号と同じ方向に伝搬する。なお、光導波路及び電極の形状により、半導体光素子１は、光強度変調器、位相変調器、スクランブラなど様々なＬＮ変調器として用いることが出来る。また、本発明に係る半導体光素子１は、ＬＮ変調器といった外部変調器に最適であるが、これに限定されることはなく、本発明は光導波路を備える半導体光素子に広く適用できるのは言うまでもない。

図２は、当該実施形態に係る半導体光素子１の概略断面図である。図２には、半導体光素子１の図１のＩＩ−ＩＩ線による断面が示されている。図２に示す通り、半導体光素子１は、変調基板１０（第１の基板）と補強基板２１（第２の基板）とを備え、変調基板１０の下表面と、補強基板２１の上表面が、エポキシなどの絶縁性の接着層２８を介して貼り合わされている（接続されている）。ここで、貼り合わされた変調基板１０及び補強基板２１を基板全体と呼ぶこととする。本発明の主な特徴は、変調基板１０の下表面に導電性膜２５（第１の導電性膜）が形成され、導電性膜２５が導電性膜２４（第２の導電性膜）に電気的に接続されていることにある。当該実施形態に係る半導体光素子１では、補強基板２１の上表面に導電性膜２６（第３の導電性膜）が形成され、導電性膜２６が導電性膜２４に電気的に接続されていることをさらに特徴としている。

変調基板１０に用いられる結晶がＬＮである場合、変調基板１０の上表面の所定の領域に、例えば、チタン（Ｔｉ）を熱拡散させるか、または、プロトンを交換させることにより、光導波路が形成されている。ここでは、２本の導波路１３，１４が示されている。さらに、変調基板１０の上表面全体に、光導波路を覆って、バッファ層２２と導電性膜２３（第４の導電性膜）が、順に積層されている。ＲＦ電極が光導波路の上に直接形成される場合、光の吸収が大きくなるため損失が増加する。バッファ層２２は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）によって形成されており、光の吸収が小さく（透明）である。信号電極１７及び接地電極１８，１９が光導波路の上表面に直接形成される場合には、光と金属の相互作用によって光が減衰し、出力される光信号の光損失が大きくなってしまう。しかし、バッファ層２２が光導波路とＲＦ電極との間に配置されることにより、光損失が抑制される。また、バッファ層２２によって、信号電極１７に電気信号（変調信号）を印加する際に、電気信号の進行速度を、導波路１３を伝搬する光の進行速度と合わせることが出来、インピーダンス整合をとることが出来る。さらに、導電性膜２３の上表面に、図１にそれぞれ示す所定の形状の信号電極１７及び接地電極１８，１９が形成されている。これらＲＦ電極は、例えば、Ｔｉ、金（Ａｕ）、及びＡｕのメッキが、導電性膜２３の上表面より順に積層されることにより形成される。

基板全体の両側面に、導電性膜２４が形成され、基板全体の下表面すなわち補強基板２１の下表面に、導電性膜２７（第５の導電性膜）が形成されている。ここで、導電性膜２３，２４，２５，２６，２７は、多結晶シリコン（Ｐｏｌｙ−Ｓｉ、Ｐ（燐）がドープされたｐ型シリコン（Ｓｉ）、又は、Ｂ（ホウ素）がドープされたｎ型Ｓｉなどによって形成されており、導電性を有する。なお、本明細書において、「導電性を有する」物質とは、良導体に限定されることなく、基板に発生する焦電電荷を抑制するための電荷を供給する程度に電気伝導性があればよい。なお、図１に示す半導体光素子１の光信号の入力側（左側）及び出力側（右側）の端面に、導電性を有する反射抑制膜（ＡＲ膜）（図示せず）が形成されている。基板表面に、導電性膜２３，２４，２７及びＡＲ膜が形成されていることにより、導電性膜２３，２４，２７（及びＡＲ膜）は互いに電気的に接続される。さらに、基板全体の内部に形成される導電性膜２５，２６も、導電性膜２４と接しており、これら導電性膜及びＡＲ膜はすべて互いに電気的に接続される。

ここで、半導体光素子１の動作原理を説明する。外部より入射される入力光信号５１は、入力導波路１１を伝播し、入力分岐導波路１２より２本の導波路１３，１４に分岐される。分岐比は入力分岐導波路１２の構造に依るが、通常は２本の導波路１３，１４それぞれに均等に分岐される構造が用いられ、この場合、２本の導波路１３，１４それぞれに入力光信号５１の半分が伝搬する。分岐された光信号が出力分岐導波路１５により合成される際に光の干渉が起きる。２本の導波路１３，１４より出力される光信号の位相が一致する場合（すなわち、両者よりそれぞれ伝搬する光信号の位相差Δφ＝０）、建設的干渉が起きて出力導波路１６へ強い強度の光信号が出力分岐導波路１５より出力される。これに対して、２本の導波路１３，１４より出力される光信号の位相が互いに反転している場合（Δφ＝π）、相殺的干渉が起きて出力導波路１６へ出射される光が消光される。従って、Δφを変化させることにより、外部へ出射する出力光信号５２を変化させることができる。一般に、光導波路が電気光学結晶で形成されている場合、外部より電圧を電気光学結晶に印加することにより、電気光学結晶の電気光学効果より、電気光学結晶を伝搬する光信号の位相を変化させることが出来る。

図３は、当該実施形態に係る半導体光素子１主要部断面を模式的に示す図である。信号電極１７に電圧Ｖを印加した場合に発生する電界が図３に電界線４０として示されている。ここで、図３の上下方向をＺ方向として、下向きを＋Ｚ方向とする。図３に示す通り、電界線４０は、導波路１３を＋Ｚ方向で通過し、導波路１４を−Ｚ方向で通過している。結晶の屈折率ｎが外部からの電界Ｅにより変化することが電気光学結晶の特徴（電気光学効果）であり、電気光学定数γを用いると、屈折率ｎと電界Ｅの関係はｎ＝γＥの式で表される。Δφ∝ｎ＝γＥのため、外部から電圧Ｖを印加することによって光信号の変調を実現することができる。外部から印加される電圧がデータ信号である場合、データ信号が光信号に変調され、光伝送を実現することができる。

図４は、当該実施形態に係る半導体光素子１の焦電効果を示す概略断面図である。ここでは、図７と同様に、変調基板１０の上表面に、正の焦電電荷が発生する場合について示している。前述の通り、本願発明の特徴は、変調基板１０の下表面に導電性膜２５が形成され、導電性膜２５が導電性膜２４に電気的に接続されていることにある。変調基板１０の上表面に発生する正の焦電電荷に対応して、変調基板１０の下表面に負の焦電電荷が発生する。しかし、当該負の焦電電荷を打ち消すように正の電荷が、導電性膜２５に発生している。また、前述の通り、当該実施形態に係る半導体光素子１では、補強基板２１の上表面に導電性膜２６が形成され、導電性膜２６が導電性膜２４に電気的に接続されていることをさらに特徴としている。変調基板１０の下表面に発生する負の焦電電荷に対応して、補強基板２１の上表面に正の焦電電荷が発生する。しかし、当該正の焦電電荷を打ち消すように負の電荷が、導電性膜２６に発生している。変調基板１０と補強基板２１の接合箇所において、打ち消された正と負の電荷が、図４には、電子対４１として示されている。

当該実施形態に係る半導体光素子１において、接着層２８には絶縁性の接着剤が用いられており、導電性膜２５，２６が形成されていないとすると、変調基板１０の下表面及び補強基板２１の上表面に発生する焦電電荷を打ち消す電荷が供給されない。しかし、当該実施形態に係る半導体光素子１では、導電性膜２５，２６が形成され、それぞれ導電性膜２４と電気的に接続されており、例えば、信号電極１７，接地電極１８，１９などを介して、外部より、当該２つの面に発生する焦電電荷を打ち消す電荷が供給され、当該２つの面に発生する焦電電荷がキャンセルされ、実効的な電荷の発生が抑制される。

同様に、変調基板１０の上表面の上方に（近傍に）形成される導電性膜２３に、変調基板１０の上表面に発生する正の焦電電荷を打ち消すように、負の電荷が発生する。導電性膜２３に、信号電極１７及び接地電極１８，１９と接しているので、信号電極１７と接地電極１８，１９とがそれぞれ短絡しない程度に、導電性膜２３の抵抗は高く、かつ、焦電電荷を打ち消す電荷を供給できる程度に、導電性膜２３の抵抗は低い（電気伝導性は高い）のが望ましい。さらに、補強基板２１の下表面に形成される導電性膜２７に、補強基板２１の下表面に発生する負の焦電電荷を打ち消すように、正の電荷が発生する。また、基板全体の両側面に形成される導電性膜２４に、当該両側面に発生する焦電電荷を打ち消すように、電荷が発生する。基板全体の上表面及び下表面において、打ち消された正と負の電荷が、図４には、電子対４２，４３としてそれぞれ示されている。

当該実施形態に係る半導体光素子１では、基板全体表面に発生する焦電電荷のみならず、基板全体の内部に発生する焦電電荷が打ち消される構造をしていることにより、基板全体より発生する実効的な電荷が抑制されている。基板全体の内部において焦電電荷に起因して発生する電界が抑制されるので、よって、温度が変化する場合であっても、導波路を伝搬する光の位相のずれが抑制され、安定的な変調動作が実現する。

なお、補強基板２１の上表面に発生する焦電電荷を十分にキャンセルする観点からは導電性膜２６が形成されているのが望ましいが、必ずしも必要ではない。導電性膜２６が形成されないとしても、補強基板２１の上表面の近傍に配置される導電性膜２５が、補強基板２１の上表面に発生する焦電電荷を打ち消すことが出来、本発明の効果を奏している。また、導電性膜２５，２６は、接着層２８の表面に発生する電荷を打ち消すことも可能である。

変調基板１０は、一般的に厚みが０．２〜０．５ｍｍのウェハにより作製される。ダイシング後の、変調基板１０の一般的な寸法は、長さが２０〜９０ｍｍであり幅が０．５〜３ｍｍであるので、細長い形状となっている。厚みが薄い変調基板１０の機械的強度を補強するために、変調基板１０に補強基板２１が貼り合わされる。この場合、変調基板１０が温度変化する際に、補強基板２１との接着をより安定化させるためには、補強基板２１の熱膨張係数が変調基板１０の熱膨張係数に出来る限り近づけるのが望ましい。ここでは、変調基板１０の材料はＺ−ＬＮであり、Ｚ−ＬＮの熱膨張係数がおよそ１５ｐｐｍと大きい値であるので、補強基板２１の材料もＺ−ＬＮであることにより、変調基板１０の熱膨張係数と補強基板２１の熱膨張係数とを一致させることが出来ている。変調基板１０の材料と補強基板２１の材料は、ともにＸカットのＬＮであってもよいし、ともにＬＴ、又は、ともにＬＮＴであってもよい。しかし、変調基板１０と補強基板２１の熱膨張係数が略等しいのであれば、変調基板１０と補強基板２１とは同じ電気光学結晶の同じ結晶カットで形成されていることに限定されることはない。ここで、本明細書において、「熱膨張係数が略等しい」とは、補強基板２１の熱膨張係数が、変調基板１０の熱膨張係数に対して、±１０％の差の範囲にあることをいい、さらに、±５％の差の範囲にあるのが望ましい。

さらに、当該実施形態に係る半導体光素子１の基板全体の両側面に導電性膜２４が形成されるとしたが、外部より導電性膜２５，２６へ電荷をより安定的に供給するためである。しかし、電荷が十分に移動する場合には、一方の側面にのみ導電性膜が形成されていてもよいし、ＡＲ膜のみで電荷が十分に移動する場合は、基板全体の両側面のいずれにも導電性膜が形成されていなくてもよい。ここで、基板全体の一方の側面とは、変調基板１０の一の側面及び該側面に対応する補強基板２１の側面である。ここで、導電性膜２３は、前述の通り、信号電極１７と接地電極１８，１９とがそれぞれ短絡しない程度に、導電性膜２３の抵抗は高い必要がある。これを満たしていれば、導電性膜２３は、電荷が供給出来る程度に電気伝導性が高い他の物質で形成されてもよい。さらに、他の導電性膜２４，２５，２６，２７は、導電性膜２３のような制限もなく、電荷が供給出来る程度に電気伝導性が高い他の物質で形成されてもよく、より安定的な電荷供給の観点では、より高い電気伝導性を有する物質が望ましい。

［第２の実施形態］
図５は、本発明の第２の実施形態に係る半導体光素子１の焦電効果を示す概略断面図である。当該実施形態に係る半導体光素子１は、補強基板３１の構成が異なることを除いて、第１の実施形態に係る半導体光素子１と同じ構造をしている。

当該実施形態に係る補強基板３１に、ブラックＬＮ（以下、ＢＬＮと記す）を用いている。ＢＬＮの熱膨張係数は、ＬＮの熱膨張係数とほぼ等しい。なお、ＢＬＮは、通常のＬＮから酸素除去された物質であり、例えば真空中、窒素ガス中、不活性ガス中のいずれかの環境下で、４５０℃〜７５０℃の温度によりＬＮをアニール処理することによって、ＬＮより酸素を除去することができる。ＬＮより酸素を除去することにより、ＬＮの色が透明から不透明な黒色に変化し、ＢＬＮはＬＮより高い電気伝導性を有する。ＢＬＮは、欠陥が多い結晶になるため、変調基板１０に用いることが適切ではないが、焦電電荷による静的電荷の発生が抑制されるので、補強基板３１に用いることに適している。ＢＬＮの抵抗率は、例えば、室温２５℃において、９×１０^９〜１×１０^１３（Ｏｈｍ・ｃｍ）といった広い範囲のいずれかであれば望ましく、少なくとも、通常のＬＮの抵抗率（典型的には１．３×１０^１４（Ｏｈｍ・ｃｍ）より低ければよい。すなわち、少なくとも、通常のＬＮより電気伝導性が高ければよい。さらに、ＬＮの抵抗率より１／１００以下（１００倍以上の電気伝導性）を有しているのが望ましい。なお、ＢＬＮは、酸素除去されたＬＮに限定される必要はなく、Ｆｅ（鉄）などが添加されたＬＮなどであってもよい。

補強基板３１にＢＬＮを用いていることにより、補強基板３１の焦電性は抑制されており、補強基板３１の表面に発生する焦電電荷は抑制される。よって、図５には、補強基板３１の表面に焦電電荷は図示されていない。基板全体の内部には、変調基板１０の下表面に焦電電荷が発生するが、第１の実施形態と同様に、当該焦電電荷を打ち消す電荷が、導電性膜２５に発生している。変調基板１０の下表面において、打ち消された正と負の電荷が、図５には、電子対４４として示されている。また、補強基板３１は高い電気伝導性を有してるので、補強基板３１の下表面には導電性膜は形成されていない。

当該実施形態に係る半導体光素子１では、第１の実施形態と同様に、基板全体の内部に発生する焦電電荷が打ち消される構造をしていることにより、基板全体より発生する実効的な電荷が抑制されている。補強基板２１に高い電気伝導性を有する材料を用いることにより、さらに基板全体の焦電効果の抑制が実現しており、顕著な効果を奏している。基板全体の内部において焦電電荷に起因して発生する電界が抑制されるので、よって、温度が変化する場合であっても、導波路を伝搬する光の位相のずれが抑制され、より安定的な変調動作が実現する。

補強基板３１の材料は、ＢＬＮに限定されることはなく、変調基板１０の熱膨張係数と略等しく、変調基板１０より高い電気伝導性を有していればよい。補強基板３１の材料は、ＢＬＮの他、ブラックＬＴ（以下、ＢＬＴと記す）であってもいいし、ブラックＬＮＴ（以下、ＢＬＮＴ）であってもよい。さらに、変調基板１０がＬＮで形成される場合は、補強基板３１がＢＬＮで形成されるのが望ましく、変調基板１０がＬＴで形成される場合は、補強基板３１がＢＬＴで形成されるのが望ましく、変調基板１０がＬＮＴで形成される場合は、補強基板３１がＢＬＮＴで形成されるのが望ましい。ここで、変調基板１０の材料及び補強基板３１の材料を、ＬＮ及びＢＬＮ、ＬＴ及びＢＬＴ、又は、ＬＮＴ及びＢＬＮＴのいずれかの組み合わせが望ましいとしたのは、熱膨張係数が実質的に同一とみなせるほど近いからである。

［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態に係る光モジュールは、第１又は第２の実施形態に係る半導体光素子１と、導電性のパッケージとを備える光モジュール（図示せず）である。半導体光素子１は、導電性の接着材によりパッケージに固定して搭載される。第１の実施形態に係る半導体光素子１では、補強基板２１の下表面に導電性膜２７が形成されており、また、第２の実施形態に係る半導体光素子１では、補強基板３１が高い電気伝導性を有していることにより、半導体光素子１に形成される導電性膜は、パッケージと電気的に接続されている。よって、変調基板１０の下表面に形成される導電性膜２５に、外部よりパッケージを介して、より安定的に電荷が供給され、本発明の効果はさらに高まる。

以上、本発明に係る半導体光素子及び光モジュールについて説明した。本発明は、上記に説明した半導体光素子及び光モジュールに限定されることなく、上表面に光導波路が形成され、電気光学効果を有するとともに焦電性である第１の基板と、第１の基板に貼り合わされる第２の基板とを備える、半導体光素子又はそれを備える光モジュールに広く適用することが出来る。

１ 半導体光素子、１０ 変調基板、１１ 入力導波路、１２ 入力分岐導波路、１３，１４ 導波路、１５ 出力分岐導波路、１６ 出力導波路、１７ 信号電極、１８，１９ 接地電極、２１ 補強基板、２２ バッファ層、２３，２４，２５，２６，２７ 導電性膜、２８ 接着層、３１ 補強基板、４０ 電界線、４１，４２，４３，４４ 電子対、５１ 入力光信号、５２ 出力光信号、１１０ 変調基板、１１３，１１４ 導波路、１１７ 信号電極、１１８，１１９ 接地電極、１２１ 補強基板、１２２ バッファ層、１２３，１２４，１２７ 導電性膜、１２８ 接着層、１４０ 電界線、１４２，１４３ 電子対、１４５ 負の焦電電荷、１４６ 正の焦電電荷。

Claims (11)

1. 上表面に光導波路が形成され、電気光学効果を有するとともに焦電性である、第１の基板と、
   前記第１の基板の下表面と、絶縁性の接着層を介して、上表面が接続される、第２の基板と、
   を備える半導体光素子であって、
   前記第１の基板の前記下表面に第１の導電性膜が形成され、
   前記第１の基板の少なくとも一の側面及び該側面に対応する前記第２の基板の側面に、第２の導電性膜が形成され、
   前記第１の導電性膜は、前記第２の導電性膜と、電気的に接続される、
   ことを特徴とする、半導体光素子。
2. 請求項１に記載の半導体光素子であって、
   前記第２の基板は、前記第１の基板と熱膨張係数が略等しい、
   ことを特徴とする、半導体光素子。
3. 請求項１又は２に記載の半導体光素子であって、
   前記第２の基板の前記上表面に第３の導電性膜が形成され、
   前記第３の導電性膜は、前記第２の導電性膜と、電気的に接続される、
   ことを特徴とする、半導体光素子。
4. 請求項１又は２に記載の半導体光素子であって、
   前記第２の基板は、前記第１の基板より、電気伝導性が高い、
   ことを特徴とする、半導体光素子。
5. 請求項３に記載の半導体光素子であって、
   前記第１の基板の材料及び前記第２の基板の材料は、ともに、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、又はニオブ酸タンタル酸リチウムのいずれかである、
   ことを特徴とする、半導体光素子。
6. 請求項４に記載の半導体光素子であって、
   前記第１の基板の材料は、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、又はニオブ酸タンタル酸リチウムのいずれかであり、
   前記第２の基板の材料は、ブラックニオブ酸リチウム、ブラックタンタル酸リチウム、又はブラックニオブ酸タンタル酸リチウム、のいずれかである、
   ことを特徴とする、半導体光素子。
7. 請求項４に記載の半導体光素子であって、
   前記第１の基板の材料及び前記第２の基板の材料は、ニオブ酸リチウム及びブラックニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム及びブラックタンタル酸リチウム、又は、ニオブ酸タンタル酸リチウム及びブラックニオブ酸タンタル酸リチウム、のいずれかの組み合わせである、
   ことを特徴とする、半導体光素子。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の半導体光素子であって、
   前記光導波路は、ＬＮ変調器として機能する、
   ことを特徴とする、半導体光素子。
9. 請求項１乃至８のいずれかに記載の半導体光素子であって、
   前記第１の基板の上表面に、前記光導波路を覆って、バッファ層及び第４の導電性膜が順に積層され、前記第４の導電性膜の上側に所定の形状の電極が形成され、
   前記第４の導電性膜は、前記第２の導電性膜と、電気的に接続される、
   ことを特徴とする、半導体光素子。
10. 請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体光素子であって、
    前記第１の基板の両側面及び前記第２の基板の両側面に、前記第２の導電性膜が形成され、
    前記第２の基板の下表面に、前記第２の導電性膜と電気的に接続される、第５の導電性膜が形成される、
    ことを特徴とする、半導体光素子。
11. 請求項１乃至１０のいずれかに記載の半導体光素子と、
    該半導体光素子を導電性の接着材により固定して搭載する、導電性のパッケージと、を備える、光モジュールであって、
    前記第１の導電性膜は、前記パッケージと電気的に接続される、
    ことを特徴とする、光モジュール。

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