JP2020173479A - 電気光学素子のための複合基板 - Google Patents

Abstract

【課題】電気光学素子のための複合基板を開示する。【解決手段】この複合基板は、電気光学効果を有する電気光学結晶基板と、電気光学結晶基板が積層されているとともに、電気光学結晶基板よりも誘電率の低い低誘電率基板と、低誘電率基板と電気光学結晶基板との間に位置しており、電気光学結晶基板よりも屈折率の低い低屈折率層と、低誘電率基板と低屈折率層との間に位置しており、前記低誘電率基板を構成する元素と低屈折率層を構成する元素とで構成されたアモルファス層とを備える。この複合基板は、低屈折率層が成膜された電気光学結晶基板を、低誘電率基板へ直接接合することによって、製造することができる。【選択図】図２

Description

本明細書で開示する技術は、電気光学効果を利用する電気光学素子（例えば、光変調器）のための複合基板に関する。

例えば光変調器といった電気光学素子が知られている。電気光学素子は、電気光学効果を利用して、電気信号を光信号に変換することができる。電気光学素子は、例えば光電波融合通信に採用されており、高速かつ大容量な通信を実現するために、その開発が進められている。

例えば、特開２０１０−８５７８９号公報に、光変調器が開示されている。この光変調器は、電気光学効果を有する電気光学結晶基板を備えており、その内部に光導波路が形成されている。電気光学結晶基板には、電気光学結晶基板よりも誘電率の低い補強基板が接合されている。この補強基板は、電気光学結晶基板を機械的に補強するだけでなく、誘電損失を低減することによって、光変調器の高速動作や低電圧での駆動を容易とする。このような電気光学結晶基板と低誘電率基板とを組み合わせた複合基板は、光変調器だけでなく、様々な電気光学素子にも好適に採用することができる。

従来の複合基板では、電気光学結晶基板と低誘電率基板との間が、接着剤によって接合されている。このような構成であると、接着剤が経時的に劣化することによって、複合基板に剥離が生じることや、さらにこの剥離が原因でクラックといった損傷が生じることがある。このような問題を避けるために、接着剤を用いることなく、電気光学結晶基板と低誘電率基板とを直接接合することが考えられる。しかしながら、電気光学結晶基板と低誘電率基板とを直接接合すると、電気光学結晶基板と低誘電率基板との間には、電気光学結晶基板の元素と低誘電率基板の元素から構成されるアモルファス層が形成される。このアモルファス層は結晶性がなく、光学物性も双方の基板とは異なり、電気光学結晶基板とアモルファス層との間の界面も平坦ではない。このような平坦でない界面は、電気光学結晶基板を伝わる光を、散乱（例えば、乱反射や漏出）、吸収させるおそれがある。

従って、本明細書は、上述した問題を回避又は低減し得る複合基板及びその製造方法を提供する。

本明細書は、電気光学素子のための複合基板を開示する。この複合基板は、電気光学効果を有する電気光学結晶基板と、電気光学結晶基板が積層されているとともに、電気光学結晶基板よりも誘電率の低い低誘電率基板と、低誘電率基板と電気光学結晶基板との間に位置しており、電気光学結晶基板よりも屈折率の低い低屈折率層と、低誘電率基板と低屈折率層との間に位置しており、低誘電率基板を構成する元素と低屈折率層を構成する元素とで構成されたアモルファス層とを備える。

上記した複合基板は、次の製造方法によって製造することができる。この製造方法は、電気光学効果を有する電気光学結晶基板の主表面上に、電気光学結晶基板よりも屈折率の低い低屈折率層を成膜する工程と、低屈折率層が成膜された電気光学結晶基板の主表面に、電気光学結晶基板よりも誘電率の低い低誘電率基板を直接接合する工程とを備える。ここでいう直接接合とは、接合される二つの部材の間で原子が拡散し合い、それらの原子間で共有結合が形成される接合を意味する。

上記した製造方法によると、接着剤を必要とすることなく、電気光学結晶基板と低誘電率基板とが積層された複合基板を製造することができる。製造された複合基板では、直接接合に起因するアモルファス層が、低誘電率基板と低屈折率層との間に形成される。即ち、アモルファス層と電気光学結晶基板との間には低屈折率層が介在し、アモルファス層が電気光学結晶基板に接しない。従って、電気光学結晶基板を伝わる光が、アモルファス層やこのアアモルファス層と電気光学結晶基板との間の平坦でない界面で、散乱又は吸収されることがない。加えて、電気光学結晶基板に接する低屈折率層は、電気光学結晶基板よりも屈折率が低いことから、光ファイバにおけるクラッドのように、電気光学結晶基板を伝わる光の漏出を抑制することができる。この複合基板を用いることで、高速動作や低電圧での駆動を可能とする電気光学素子を製造することができる。

実施例の複合基板１０を模式的に示す斜視図。

実施例の複合基板１０の断面構造を模式的に示す図。

実施例の複合基板１０の製造方法の一工程を示す図。

実施例の複合基板１０の製造方法の一工程を示す図。

実施例の複合基板１０の製造方法の一工程を示す図。

複合基板１０の一変形例を示しており、電気光学結晶基板１２に電界を形成する電極３２、３４と、電気光学結晶基板１２内に設けられた光導波路領域３６が付加されている。

複合基板１０の一変形例を示しており、低誘電率基板１４とアモルファス層１８との間に第２低屈折率層２０が付加されている。

図７に示す変形例の複合基板１０の製造方法を示す図。

複合基板１０の一変形例を示しており、電気光学結晶基板１２の上面１２ａにリッジ部１３が形成されている。

複合基板１０の一変形例を示しており、図９に示す変形例と比較して、第１の電極４２及び第２の電極４４が付加されている。なお、この変形例では、電気光学結晶基板１２のｃ軸（ｃ−ａｘｉｓ）が、電気光学結晶基板１２に対して平行である。

複合基板１０の一変形例を示しており、図１０に示す変形例と比較して、低誘電率基板１４の下面１４ｂに沿って導電層２２が付加されている。

複合基板１０の一変形例を示しており、図１１に示す変形例と比較して、導電層２２に接合された支持基板２４が付加されている。

複合基板１０の一変形例を示しており、図９に示す変形例と比較して、第１の電極５２及び第２の電極５４が付加されている。なお、この変形例では、電気光学結晶基板１２のｃ軸（ｃ−ａｘｉｓ）が、電気光学結晶基板１２に対して垂直である。

複合基板１０の一変形例を示しており、図１３に示す変形例と比較して、低誘電率基板１４の下面１４ｂに沿って導電層２２が付加されている。

複合基板１０の一変形例を示しており、図１４に示す変形例と比較して、導電層２２に接合された支持基板２４が付加されている。

複合基板１０の一変形例を示しており、図９に示す変形例と比較して、リッジ部１３内に光導波路領域５６が付加されている。

複合基板１０の一変形例を示しており、図１３に示す変形例と比較して、リッジ部１３内に光導波路領域５６が付加されている。

複合基板１０の一変形例を示しており、図１４に示す変形例と比較して、リッジ部１３内に光導波路領域５６が付加されている。

複合基板１０の一変形例を示しており、図１５に示す変形例と比較して、リッジ部１３内に光導波路領域５６が付加されている。

複合基板１０の一変形例を示しており、低屈折率層１６が主体層１６ａと表面層１６ｂとを含む多層構造を有する。

図２０に示す複合基板１０の製造方法の一工程（直接接合）を説明する図。

複合基板１０の一変形例を示しており、第２低屈折率層２０が主体層２０ａと表面層２０ｂとを含む多層構造を有する。

図２２に示す複合基板１０の製造方法の一工程（直接接合）を説明する図。

本技術の一実施形態において、低屈折率層は、電気光学結晶基板よりも誘電率が低くてもよい。このような構成によると、低屈折率層における誘電損失を低減することができ、電気光学素子の高速動作や低電圧での駆動をさらに容易とすることができる。特に限定されないが、低屈折率層は、酸化シリコン、酸化タンタル、酸化アルミニウム、ガラス、フッ化マグネシウム及びフッ化カルシウムのうちの少なくとも一つで構成されることができる。

本技術の一実施形態において、複合基板は、低誘電率基板とアモルファス層との間に位置しており、電気光学結晶基板よりも屈折率の低い第２低屈折率層をさらに備えてもよい。この場合、アモルファス層は、低誘電率基板を構成する元素に代えて、低屈折率層を構成する元素と第２低屈折率層を構成する元素とで構成されているとよい。このような複合基板は、低屈折率層が成膜された電気光学結晶基板に、第２低屈折層が成膜された低誘電率基板を、直接接合して製造することができる。このとき、低屈折率層と第２低屈折率層との各材料が同一、又は構造が類似していると、高品質の直接接合を比較的に容易に行うことができる。

本技術の一実施形態において、電気光学結晶基板の表面には、リッジ部が形成されていてもよい。複合基板にリッジ部が予め形成されていると、リッジ型光導波路を必要とする電気光学素子の製造を、容易に行うことができる。なお、リッジ部に加えて、又は代えて、電気光学結晶基板には、不純物（例えばチタン又は亜鉛）がドーピングされた光導波路領域が形成されていてもよい。但し、不純物がドーピングされた光導波路領域は、不純物のドーピングによる屈折率の段差が小さく、光の閉じ込め効果が小さいので、光の近視野像（ニアフィールド径）は比較的に大きくなる。その結果、複合基板から製造される電気光学素子では、電界効率が低下することから、必要とされる駆動電圧が大きくなる。このため素子サイズも大きくなる。電気光学素子の低駆動電圧化や小型化の観点では、リッジ型光導波路の方が好ましい。

上記した実施形態において、電気光学結晶基板のｃ軸（即ち、結晶主軸）が、電気光学結晶基板に対して平行であってもよい。即ち、電気光学結晶基板は、ｘカットの基板であってもよい。この場合、複合基板は、リッジ部の一方の側面に設けられた第１の電極と、リッジ部の他方の側面に設けられ、リッジ部を挟んで第１の電極に対向する第２の電極とをさらに備えてもよい。これらの第１及び第２の電極は、複合基板から電気光学素子を製造するときに、リッジ型光導波路へ電気信号（即ち、電界）を加える電極として利用することができる。

あるいは、電気光学結晶基板のｃ軸（即ち、結晶主軸）が、電気光学結晶基板に対して垂直であってもよい。即ち、電気光学結晶基板は、ｚカットの基板であってもよい。この場合、複合基板は、リッジ部の頂上面に設けられた第１の電極と、電気光学結晶基板の表面のうちのリッジ部の部分を除いた範囲に設けられた第２の電極とをさらに備えてもよい。これらの第１及び第２の電極は、複合基板から電気光学素子を製造するときに、リッジ型光導波路へ電気信号（即ち、電界）を加える電極として利用することができる。

複合基板が第１の電極と第２の電極を有する実施形態では、第１の電極と電気光学結晶基板との間と、第２の電極と前記電気光学結晶基板との間との少なくとも一方に、電気光学結晶基板よりも屈折率の低い低屈折率膜が形成されていてもよい。このような構成によると、電気光学結晶基板と第１の電極（又は第２の電極）との間の界面において、電気光学結晶基板を伝わる光が電極で吸収や散乱されることを抑制することができる。

電気光学結晶基板がリッジ部を有する実施形態では、不純物を含有する光導波路領域が、リッジ部の長手方向に沿って形成されていてもよい。このような構成によると、リッジ部を変更することなく、不純物をドーピングする領域を変更することによって、所望の光導波路を容易に形成することができる。

本技術の一実施形態において、複合基板は、低誘電率基板に対して電気光学結晶基板とは反対側に位置する導電層をさらに備えてもよい。このような導電層は、複合基板から製造された電気光学素子において、低誘電率基板から電界が漏れ出ることを抑制することができる。

上記した実施形態において、複合基板は、導電層に接合された支持基板をさらに備えてもよい。このような構成によると、支持基板によって複合基板の機械的な強度を維持しながら、電気光学結晶基板及び低誘電率基板の厚みを小さくすることができる。複合基板から製造された電気光学素子では、電気光学結晶基板及び低誘電率基板の厚みが小さくなるほど、電気信号が複合基板内で共振する周波数（共振周波数）を高周波側にシフトすることができる。例えば、電気光学結晶基板及び低誘電率基板の合計の厚みが６０マイクロメートル以下であれば、共振周波数は３００ギガヘルツ以上となる。この場合、電気光学素子は、１００ギガヘルツといった高周波（いわゆるミリ波帯）の電気信号が基板共振によって減衰する問題を回避することができる。

以下では、本発明の代表的かつ非限定的な具体例について、図面を参照して詳細に説明する。この詳細な説明は、本発明の好ましい例を実施するための詳細を当業者に示すことを単純に意図しており、本発明の範囲を限定することを意図したものではない。また、以下に開示される追加的な特徴ならびに発明は、さらに改善された複合基板、並びにそれらの使用及び製造方法を提供するために、他の特徴や発明とは別に、又は共に用いることができる。

また、以下の詳細な説明で開示される特徴や工程の組み合わせは、最も広い意味において本発明を実施する際に必須のものではなく、特に本発明の代表的な具体例を説明するためにのみ記載されるものである。さらに、上記及び下記の代表的な具体例の様々な特徴、ならびに、独立及び従属クレームに記載されるものの様々な特徴は、本発明の追加的かつ有用な実施形態を提供するにあたって、ここに記載される具体例のとおりに、あるいは列挙された順番のとおりに組合せなければならないものではない。

本明細書及び／又はクレームに記載された全ての特徴は、実施例及び／又はクレームに記載された特徴の構成とは別に、出願当初の開示ならびにクレームされた特定事項に対する限定として、個別に、かつ互いに独立して開示されることを意図するものである。さらに、全ての数値範囲及びグループ又は集団に関する記載は、出願当初の開示ならびにクレームされた特定事項に対する限定として、それらの中間の構成を開示する意図を持ってなされている。

図面を参照して、実施例の複合基板１０とその製造方法について説明する。本実施例の複合基板１０は、例えば光変調器といった、各種の電気光学素子に採用することができる。図１に示すように、本実施例の複合基板１０は、いわゆるウエハの形態で製造され、電気光学素子の製造者へ提供される。一例ではあるが、複合基板１０の直径は、およそ１０センチ（４インチ）である。通常、一枚の複合基板１０から、複数の電気光学素子が製造される。なお、複合基板１０は、ウエハの形態に限定されず、様々な形態で製造され、提供されてもよい。

図１、図２に示すように、複合基板１０は、電気光学結晶基板１２を備える。電気光学結晶基板１２は、外部に露出する上面１２ａと、複合基板１０内に位置する下面１２ｂとを有する。電気光学結晶基板１２の一部又は全部は、複合基板１０から製造される電気光学素子において、光を伝える光導波路となる。電気光学結晶基板１２は、電気光学効果を有する材料の結晶で構成されている。詳しくは、電気光学結晶基板１２に電界が印加されると、電気光学結晶基板１２の屈折率が変化する。特に、電気光学結晶基板１２のｃ軸に沿って電界が印加されると、電気光学結晶基板１２の屈折率は大きく変化する。ここで、電気光学結晶基板１２のｃ軸は、電気光学結晶基板１２に平行であってもよい。即ち、電気光学結晶基板１２は、例えばｘカット又はｙカットの基板であってもよい。あるいは、電気光学結晶基板１２のｃ軸は、電気光学結晶基板１２に垂直であってもよい。即ち、電気光学結晶基板１２は、例えばｚカットの基板であってもよい。電気光学結晶基板１２の厚みＴ２は、特に限定されないが、例えば１マイクロメートル以上であって、５０マイクロメートル以下であってよい。

電気光学結晶基板１２を構成する材料は、特に限定されないが、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３：ＬＮ）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３：ＬＴ）、チタン酸リン酸カリウム（ＫＴｉＯＰＯ_４：ＫＴＰ）、ニオブ酸カリウム・リチウム（Ｋ_ｘＬｉ_{（１−ｘ）}ＮｂＯ_２：ＫＬＮ）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ_３：ＫＮ）、タンタル酸・ニオブ酸カリウム（ＫＮｂ_ｘＴａ_{（１−ｘ）}Ｏ_３：ＫＴＮ）、ニオブ酸リチウムとタンタル酸リチウムとの固溶体のいずれかであってよい。なお、電気光学結晶基板１２は、屈折率に加えて、又は代えて、他の光学定数を変化させる電気光学効果を有してもよい。

複合基板１０は、低誘電率基板１４をさらに備える。低誘電率基板１４は、複合基板１０内に位置する上面１４ａと、外部に露出する下面１４ｂとを有する。低誘電率基板１４には、その上面１４ａ側に、上述した電気光学結晶基板１２が積層されている。低誘電率基板１４は、電気光学結晶基板１２よりも誘電率の低い材料で構成されている。低誘電率基板１４の誘電率（比誘電率）は、特に限定されないが、５以下であるとよい。例として、低誘電率基板１４を構成する材料には、例えば石英やガラスが挙げられる。低誘電率基板１４の厚みＴ４も、特に限定されないが、電気光学結晶基板１２の厚みＴ２より大きくてもよい。電気光学結晶基板１２に隣接する低誘電率基板１４は、電気光学結晶基板１２へ電界が印加されたときに、誘電損失を低減することができる。従って、複合基板１０を用いることにより、高速動作や低電圧での駆動が可能な電気光学素子を製造することができる。

複合基板１０は、低屈折率層１６をさらに備える。低屈折率層１６は、電気光学結晶基板１２の下面１２ｂに沿って設けられており、低誘電率基板１４と電気光学結晶基板１２との間に位置している。低屈折率層１６は、電気光学結晶基板１２よりも低い屈折率を有する。これにより、電気光学結晶基板１２の下面１２ｂ（即ち、低屈折率層１６に接する界面）では、電気光学結晶基板１２を伝わる光が全反射されやすく、電気光学結晶基板１２から漏れ出すことが抑制される。低屈折率層１６を構成する材料は、特に限定されないが、例えば酸化シリコン、酸化タンタル、酸化アルミニウム、ガラス、フッ化マグネシウム及びフッ化カルシウムの一又は複数であってよい。低屈折率層１６の厚みＴ６も、特に限定されないが、例えば０．３マイクロメートル以上であって、１マイクロメートル以下であってもよい。一例ではあるが、本実施例における低屈折率層１６は、誘電損失の抑制や電気信号の実効誘電率を小さくし、効率よく光変調できるように、電気光学結晶基板１２よりも誘電体損（ｔａｎδ）又は誘電率が低い材料で構成されている。

複合基板１０は、アモルファス層１８をさらに備える。アモルファス層１８は、低誘電率基板１４と低屈折率層１６との間に位置している。アモルファス層１８は、アモルファス構造を有しており、低誘電率基板１４を構成する元素と、低屈折率層１６を構成する元素とで構成されている。アモルファス層１８の厚みＴ８は、特に限定されないが、０．５ナノメートル以上であって、１００ナノメートル以下であってよい。後述するように、複合基板１０は、低屈折率層１６が成膜された電気光学結晶基板１２に、低誘電率基板１４を直接接合することによって、製造することができる。アモルファス層１８は、この直接接合において生成される層であり、低屈折率層１６及び低誘電率基板１４の原子がそれぞれ拡散することによって形成される。従って、アモルファス層１８の上面１８ａ（即ち、低屈折率層１６に接する界面）、及び、アモルファス層１８の下面１８ｂ（即ち、低誘電率基板１４に接する界面）は、必ずしも平坦ではない。

一般に、直接接合に起因するアモルファス層は、その上下に位置する材料を構成する元素から構成され、結晶性がなく、外部から異なる元素が取り込まれることもあり、光学特性が上下に位置する材料と異なる。またアモルファス層の界面が平坦でなく、光学的に吸収や散乱が生じ得る。このため、仮に、アモルファス層１８が電気光学結晶基板１２へ直接接触していると、電気光学結晶基板１２を伝わる光が、アモルファス層１８によって減衰する。これに対して、本実施例の複合基板１０では、アモルファス層１８と電気光学結晶基板１２との間に影響されない厚みの低屈折率層１６が介在しており、アモルファス層１８が電気光学結晶基板１２に接していない。従って、電気光学結晶基板１２を伝わる光が、アモルファス層１８やこの上面１８ａで散乱されることがない。加えて、電気光学結晶基板１２に接する低屈折率層１６は、電気光学結晶基板１２よりも屈折率が低いことから、光ファイバにおけるクラッドのように、電気光学結晶基板１２を伝わる光の漏出を抑制し、光導波路伝搬することができる。

以上のように、本実施例の複合基板１０では、電気光学結晶基板１２に隣接して低誘電率基板１４が設けられているので、電気光学結晶基板１２へ電界が印加されたときに、誘電損失を低減することができる。また、電気光学結晶基板１２と低誘電率基板１４との間は、接着剤を用いることなく直接接合されているので、接着剤による誘電損失がなく、変質及び変形もないので信頼性も確保できる。そして、直接接合に起因するアモルファス層１８は、低屈折率層１６によって電気光学結晶基板１２から隔てられているので、電気光学結晶基板１２を伝わる光は、損失なく出力側へ伝搬されることができる。

次に、図３−図５を参照して、複合基板１０の製造方法について説明する。先ず、図３に示すように、電気光学結晶基板１２を用意する。電気光学結晶基板１２は、ｘカット又はｙカットの基板（ｃ軸が基板に平行）であってもよいし、分極反転部が形成される場合はｃ軸が基板の水平面と１０°以内の角度を成すオフセット基板であってもよい。あるいは、ｚカットの基板（ｃ軸が基板に垂直）であってもよい。次に、図４に示すように、電気光学結晶基板１２の下面１２ｂに、低屈折率層１６を成膜する。低屈折率層１６の成膜は、特に限定されないが、蒸着（物理蒸着又は化学蒸着）によって行うことができる。なお、電気光学結晶基板１２の下面１２ｂは、電気光学結晶基板１２の一方の主表面である。次に、図５に示すように、低誘電率基板１４を用意し、低屈折率層１６が成膜された電気光学結晶基板１２の下面１２ｂに、低誘電率基板１４を直接接合する。このとき、低誘電率基板１４と低屈折率層１６との間に、前述したアモルファス層１８が形成される。これにより、図１、図２に示す複合基板１０が製造される。

上記した直接接合について、具体的な手順や加工条件は特に限定されない。互いに接合される層又は基板の各材料に応じて、適宜定めることができる。一例ではあるが、本実施例の製造方法では、先ず、高真空チャンバー内（例えば、１×１０^−６パスカル程度）において、各接合面に中性化ビームを照射する。これより、各接合面が活性化される。次いで、真空雰囲気で、活性化された接合面同士を接触させ、常温で接合する。この接合時の荷重は、例えば、１００〜２００００ニュートンとすることができる。この製造方法において、中性化ビームによる表面活性化を行う際には、チャンバーに不活性ガスを導入し、チャンバー内に配置した電極へ、直流電源から高電圧を印加する。これにより、電極（正極）とチャンバー（負極）との間に生じる電界により、電子が運動して、不活性ガスによる原子とイオンのビームが生成される。グリッドに達したビームのうち、イオンビームはグリッドで中和されるので、中性原子のビームが高速原子ビーム源から出射される。ビームを構成する原子種は、不活性ガス元素（例えば、アルゴン（Ａｒ）、窒素（Ｎ）等）が好ましい。ビーム照射による活性化時の電圧は０．５〜２．０キロボルト、電流は５０〜２００ミリアンペアとすることができる。

図６に示すように、複合基板１０には、電気光学結晶基板１２に電界を形成するための電極３２、３４が、電気光学結晶基板１２の上面１２ａに設けられてもよい。電極３２、３４を構成する材料は、導電体であればよく、例えば金といった金属であってよい。電極３２、３４と電気光学結晶基板１２との間には、電極３２、３４のはがれ防止やマイグレーションを防止するために、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）等の層が介在してもよい。電極３２、３４の数、位置、形状については、特に限定されない。例えば、電極３２、３４の数については、複合基板１０から製造される電気光学素子の数や、各々の電気光学素子が必要とする電極３２、３４の数に応じて、適宜定めることができる。複合基板１０に電極３２、３４が予め設けられていると、電気光学素子の製造者は、複合基板１０から電気光学素子を容易に製造することができる。

加えて、又は代えて、電気光学結晶基板１２内には、不純物をドーピングすることによって、光導波路領域３６が設けられてもよい。電気光学結晶基板１２では、チタン又は亜鉛といった特定の不純物をドーピングすることで、屈折率を選択的に（即ち、局所的に）高めることができ、これによって光導波路領域３６を形成することができる。光導波路領域３６の数、位置、形状についても、特に限定されない。例えば、光導波路領域３６の数については、複合基板１０から製造される電気光学素子の数や、各々の電気光学素子が必要とする光導波路領域３６の数に応じて、適宜定めることができる。複合基板１０に光導波路領域３６が予め設けられていると、電気光学素子の製造者は、複合基板１０から電気光学素子を容易に製造することができる。

図７に示すように、複合基板１０には、第２低屈折率層２０がさらに設けられてもよい。第２低屈折率層２０は、低誘電率基板１４とアモルファス層１８との間に位置しており、電気光学結晶基板１２よりも屈折率の低い材料で構成されている。また、第２低屈折率層２０は、誘電損失を抑制するために、電気光学結晶基板１２よりも誘電率の低い材料で構成されてもよい。第２低屈折率層２０は、例えば、酸化シリコン、酸化タンタル、酸化アルミニウム、ガラス、フッ化マグネシウム及びフッ化カルシウムのうちの少なくとも一つで構成されることができる。第２低屈折率層２０は、低屈折率層１６と同じ材料で構成されてもよいし、異なる材料で形成されてもよい。

図８は、図７に示す複合基板１０の製造方法を示す。図８に示すように、第２低屈折率層２０を有する複合基板１０は、低屈折率層１６が成膜された電気光学結晶基板１２の下面１２ｂに、第２低屈折率層２０が成膜された低誘電率基板１４を直接接合すことによって、製造することができる。この製造方法によると、低屈折率層１６と第２低屈折率層２０との間に、図７に示すアモルファス層１８が形成される。ここで、低屈折率層１６と第２低屈折率層２０との材料が同一、又は構造が類似していると、高品質の直接接合を比較的に容易に行うことができる。

図９に示すように、電気光学結晶基板１２の上面１２ａには、リッジ部１３が形成されてもよい。リッジ部１３は、上面１２ａに沿って細長く延びる突出部である。リッジ部１３は、複合基板１０が製造される電気光学素子において、リッジ型光導波路を構成する。複合基板１０にリッジ部１３が予め形成されていると、リッジ型光導波路を必要とする電気光学素子の製造を、容易に行うことができる。リッジ部１３の幅Ｗは、特に限定されないが、１マイクロメートル以上であって、１０マイクロメートル以下であってよい。リッジ部１３の高さＴ１についても、特に限定されないが、電気光学結晶基板１２の厚みＴ２の１０パーセント以上であって、９５パーセント以下であってよい。リッジ部１３の数、位置、形状についても、特に限定されない。一例ではあるが、複合基板１０がマッハツェンダー型の電気光学変調器の製造に用いられるときは、少なくとも一部が平行に延びる二つのリッジ部１３が形成されるとよい。

図１０に示すように、リッジ部１３を有する複合基板１０には、第１の電極４２及び第２の電極４４がさらに設けられてもよい。ここで、電気光学結晶基板１２のｃ軸（ｃ−ａｘｉｓ）が、電気光学結晶基板１２に対して平行である場合、第１の電極４２はリッジ部１３の一方の側面１３ａに設けられるとよい。そして、第２の電極４４は、リッジ部１３の他方の側面１３ｂに設けられ、リッジ部１３を挟んで第１の電極４２に対向するとよい。このような構成によると、電気光学素子において光導波路となるリッジ部１３に対して、第１の電極４２及び第２の電極４４はｃ軸と平行に電界を印加することができる。第１の電極４２及び第２の電極４４を構成する材料は、導電体であればよく、例えば金といった金属材料であってよい。また、第１の電極４２と電気光学結晶基板１２や、第２の電極４４と電気光学結晶基板１２との間には、電気光学結晶基板１２よりも屈折率の低い低屈折率膜が設けられてもよい。このような低屈折率膜は、クラッド層として機能し、リッジ部１３を伝わる光の損失を抑制することができる。

図１１に示すように、複合基板１０には、低誘電率基板１４の下面１４ｂに沿って、導電層２２が設けられてもよい。このような導電層２２は、複合基板１０から製造された電気光学素子において、接地電極として使用されることができる。この場合、導電層２２は、第１の電極４２及び第２の電極４４によって印加された電界が、低誘電率基板１４の下面１４ｂから漏出することを抑制することができる。導電層２２を構成する材料は、導電体であればよく、例えば金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、プラチナ（Ｐｔ）、又は、それらのうちの少なくとも二つを含む合金の層を有してもよい。導電層２２は、単層構造であってもよいし、多層構造を有してもよい。導電層２２は、低誘電率基板１４と接触する下地層として、導電層２２のはがれやマイグレーションを防止するために、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）等の層を有してもよい。なお、図１１に示す導電層２２は、上述した他の複合基板１０にも同様に設けることができる。

加えて、図１２に示すように、複合基板１０には、導電層２２に接合された支持基板２４をさらに備えてもよい。このような構成によると、支持基板２４によって複合基板１０の機械的な強度を維持しながら、電気光学結晶基板１２及び低誘電率基板１４の厚みを小さくすることができる。複合基板１０から製造された電気光学素子では、電気光学結晶基板１２及び低誘電率基板１４の厚みが小さくなるほど、電気信号に対する共振周波数が高くなる。例えば、電気光学結晶基板１２及び低誘電率基板１４の合計の厚みが６０マイクロメートル以下であれば、共振周波数は３００ギガヘルツ以上となる。この場合、電気光学素子は、１００ギガヘルツといった高周波（いわゆるミリ波帯）の電気信号を問題なく処理することができる。

支持基板２４を構成する材料は特に限定されない。例えば、支持基板２４は、シリコン（Ｓｉ）、ガラス、サイアロン（Ｓｉ_３Ｎ_４−Ａｌ_２Ｏ_３）、ムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２，２Ａｌ_２Ｏ_３・ＳｉＯ_２）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、サファイア、石英、水晶、窒化ガリウム（ＧａＮ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）のうちのいずれかの基板であってよい。但し、複合基板１０の熱変形（特に反り）を抑制するために、支持基板２４を構成する材料の線膨張係数は、電気光学結晶基板１２を構成する材料の線膨張係数に近いほどよい。特に限定されないが、支持基板２４を構成する材料の線膨張係数は、電気光学結晶基板１２を構成する材料の線膨張係数の±５０パーセント以内であるとよい。一例ではあるが、支持基板２４を構成する材料は、電気光学結晶基板１２を構成する材料と同じであってもよい。なお、図１２に示す支持基板２４は、導電層２２と共に、上述した他の複合基板１０にも同様に設けることができる。

図１２に示す複合基板１０の製造方法では、導電層２２と支持基板２４との間を、直接接合によって接合してもよい。この場合、導電層２２の表層は、白金で構成されていてもよい。白金は直接接合に適した材料である。そのことから、導電層２２の表層が白金で構成されていていると、導電層２２が成膜された電気光学結晶基板１２を、支持基板２４に対して良好に直接接合することができる。この場合、製造後の複合基板１０では、導電層２２と支持基板２４との間に、直接接合に起因するアモルファス層が形成される。このアモルファス層は、導電層２２を構成する元素（主に白金）と、支持基板２４を構成する元素とで構成される。

図１３に示すように、電気光学結晶基板１２のｃ軸（ｃ−ａｘｉｓ）は、電気光学結晶基板１２に対して垂直であってもよい。この場合でも、電気光学結晶基板１２の上面１２ａには、リッジ部１３が形成されてもよい。また、電気光学結晶基板１２の上面１２ａには、第１の電極５２及び第２の電極５４が設けられてもよい。但し、第１の電極５２は、リッジ部１３の頂上面１３ｃに設けられるとよく、第２の電極５４は、電気光学結晶基板１２の上面１２ａのうちのリッジ部１３の部分を除いた範囲に設けられるとよい。このような構成によると、電気光学素子において光導波路となるリッジ部１３に対して、第１の電極５２及び第２の電極５４はｃ軸と平行に電界を印加することができる。

図１４に示すように、図１３に示した複合基板１０にも、低誘電率基板１４の下面１４ｂに沿って、導電層２２が設けられてもよい。前述したように、導電層２２は、複合基板１０から製造された電気光学素子において、接地電極として使用されることができる。また、図１５に示すように、その導電層２２には、図１２に示した複合基板１０と同様に、支持基板２４が接合されてもよい。これにより、複合基板１０の機械的な強度を維持しながら、電気光学結晶基板１２及び低誘電率基板１４の厚みを小さくすることができる。前述したように、電気光学結晶基板１２及び低誘電率基板１４の厚みを小さくすることで、電気信号に対する共振周波数を、例えばミリ波帯といった高周波帯域よりも十分に高くすることができる。図１５に示す複合基板１０の製造方法においても、導電層２２と支持基板２４との間は、直接接合によって接合することができる。この場合、前述したように、導電層２２の表層が白金で構成されていると、導電層２２と支持基板２４との直接接合を良好に行うことができる。

図１６−図１９に例示するように、本明細書が開示する各種の複合基板１０では、不純物を含有する光導波路領域５６が、リッジ部１３の内部において、リッジ部１３の長手方向に沿って形成されていてもよい。なお、図１６に示す複合基板１０は、図９に示す複合基板１０において、リッジ部１３内に光導波路領域５６が付加されたものである。図１７に示す複合基板１０は、図１３に示す複合基板１０において、リッジ部１３内に光導波路領域５６が付加されたものである。図１８に示す複合基板１０は、図１４に示す複合基板１０において、リッジ部１３内に光導波路領域５６が付加されたものである。そして、図１９に示す複合基板１０は、図１５に示す複合基板１０において、リッジ部１３内に光導波路領域５６が付加されたものである。図示省略するが、図１０−図１２に示す他の複合基板１０においても同様に、不純物を含有する光導波路領域が、リッジ部１３の内部において、リッジ部１３の長手方向に沿って形成されていてもよい。

図２０に示すように、複合基板１０の低屈折率層１６は、主体層１６ａと接合層１６ｂとを含む多層構造を有してもよい。接合層１６ｂは、主体層１６ａとアモルファス層１８との間に位置し、アモルファス層１８に接する層である。主体層１６ａを構成する材料には、前述したように、酸化シリコン、酸化タンタル、酸化アルミニウム、ガラス、フッ化マグネシウム及びフッ化カルシウムの一又は複数であってよい。一方、接合層１６ｂを構成する材料については、例えば酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）、酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_５）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）といった、直接接合に適した材料であるとよい。このような構成によると、図２１に示すように、接合層１６ｂを有する低屈折率層１６を、低誘電率基板１４に対して良好に直接接合することができる。なお、多層構造を有する低屈折率層１６は、本明細書で開示される全ての実施形態において採用することができる。

図２２に示すように、複合基板１０が第２低屈折率層２０をさらに備える場合は、第２低屈折率層２０についても、主体層２０ａと接合層２０ｂとを含む多層構造を有してもよい。接合層２０ｂは、主体層２０ａとアモルファス層１８との間に位置し、アモルファス層１８に接する層である。上述したように、接合層２０ｂを構成する材料は、例えば酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化アルミニウム、酸化チタンといった、直接接合に適した材料であるとよい。このような構成によると、図２３に示すように、電気光学結晶基板１２側の低屈折率層１６を、接合層２０ｂを有する第２低屈折率層１６に対して良好に直接接合することができる。なお、図２２、図２３に示す例において、電気光学結晶基板１２側の低屈折率層１６は、単層構造であってもよく、接合層１６ｂを有さなくてもよい。なお、多層構造を有する低屈折率層２０は、本明細書で開示される全ての実施形態において採用することができる。

１０：複合基板
１２：電気光学結晶基板
１３：リッジ部
１３ａ、１３ｂ：リッジ部の側面
１３ｃ：リッジ部の頂上面
１４：低誘電率基板
１６：低屈折率層
１８：アモルファス層
２０：第２低屈折率層
２２：導電層
２４：支持基板
３２、３４、４２、４４、５２、５４：電極
３６、５６：光導波路領域

Claims (12)

1. 電気光学素子のための複合基板であって、
   電気光学効果を有する電気光学結晶基板と、
   前記電気光学結晶基板が積層されているとともに、前記電気光学結晶基板よりも誘電率の低い低誘電率基板と、
   前記低誘電率基板と前記電気光学結晶基板との間に位置しており、前記電気光学結晶基板よりも屈折率の低い低屈折率層と、
   前記低誘電率基板と前記低屈折率層との間に位置しており、前記低誘電率基板を構成する元素と前記低屈折率層を構成する元素とで構成されたアモルファス層と、
   前記低誘電率基板に対して前記電気光学結晶基板とは反対側に位置する導電層と、
   を備え、
   前記導電層は、金、銀、銅、アルミニウム、プラチナ、又は、それらのうちの少なくとも二つを含む合金の層を有するとともに、前記低誘電率基板と接触する下地層として、チタン、クロム、ニッケル、白金の層をさらに有する、
   複合基板。
2. 前記低屈折率層は、前記電気光学結晶基板よりも誘電率が低い、請求項１に記載の複合基板。
3. 前記低屈折率層は、酸化シリコン、酸化タンタル、酸化アルミニウム、ガラス、フッ化マグネシウム及びフッ化カルシウムのうちの少なくとも一つで構成されている、請求項２に記載の複合基板。
4. 前記低誘電率基板と前記アモルファス層との間に位置しており、前記電気光学結晶基板よりも屈折率の低い第２低屈折率層をさらに備え、
   前記アモルファス層は、前記低誘電率基板を構成する元素に代えて、前記低屈折率層を構成する元素と前記第２低屈折率層を構成する元素とで構成されている、請求項１から３のいずれか一項に記載の複合基板。
5. 前記第２低屈折率層を構成する材料は、前記低屈折率層を構成する材料と同じである、請求項４に記載の複合基板。
6. 前記電気光学結晶基板の表面には、リッジ部が形成されている、請求項１から５のいずれか一項に記載の複合基板。
7. 前記電気光学結晶基板のｃ軸は、前記電気光学結晶基板に対して平行であり、
   前記リッジ部の一方の側面に設けられた第１の電極と、前記リッジ部の他方の側面に設けられ、前記リッジ部を挟んで前記第１の電極に対向する第２の電極とをさらに備える、請求項６に記載の複合基板。
8. 前記電気光学結晶基板のｃ軸は、前記電気光学結晶基板に対して垂直であり、
   前記リッジ部の頂上面に設けられた第１の電極と、前記電気光学結晶基板の表面のうちの前記リッジ部の部分を除いた範囲に設けられた第２の電極とをさらに備える、請求項６に記載の複合基板。
9. 前記リッジ部内には、不純物を含有する光導波路領域が、前記リッジ部の長手方向に沿って形成されている、請求項６から８のいずれか一項に記載の複合基板。
10. 前記導電層に接合された支持基板をさらに備える、請求項１から９のいずれか一項に記載の複合基板。
11. 前記導電層と前記支持基板との間に位置しており、前記導電層を構成する元素と前記支持基板を構成する元素とで構成されたアモルファス層をさらに備える、請求項１０に記載の複合基板。
12. 電気光学素子のための複合基板の製造方法であって、
    電気光学効果を有する電気光学結晶基板の主表面に、前記電気光学結晶基板よりも屈折率の低い低屈折率層を成膜する工程と、
    前記低屈折率層が成膜された前記電気光学結晶基板の前記主表面に、前記電気光学結晶基板よりも誘電率の低い低誘電率基板を直接接合する工程と、
    前記低誘電率基板に対して前記電気光学結晶基板とは反対側に導電層を成膜する工程と、
    を備え、
    前記導電層は、金、銀、銅、アルミニウム、プラチナ、又は、それらのうちの少なくとも二つを含む合金の層を有するとともに、前記低誘電率基板と接触する下地層として、チタン、クロム、ニッケル、白金の層をさらに有する、
    製造方法。

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