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公開番号2025071426
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-05-08
出願番号2023181574
出願日2023-10-23
発明の名称誘電体薄膜付き基板、光導波路素子および光変調素子
出願人TDK株式会社
代理人個人,個人,個人
主分類G02F 1/035 20060101AFI20250428BHJP(光学)
要約【課題】ニオブ酸リチウム膜にクラックが発生しにくく、DCドリフトの抑制された光変調素子を形成できる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上に接して形成された誘電体薄膜3と、を有し、誘電体薄膜3は、c軸配向のエピタキシャル膜であるニオブ酸リチウム膜からなり、第1の結晶3aと、c軸を中心に第1の結晶3aを180°回転させた第2の結晶3bとを含むLiNbO₃の双晶構造を含み、誘電体薄膜3のうち、単結晶基板2から厚み方向半分までの下部領域31を除く上部領域32に含まれる第1の結晶3aおよび第2の結晶3bは、最大ドメイン幅が80nm～300nmである、誘電体薄膜付き基板1とする。
【選択図】図1
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上に接して形成された誘電体薄膜と、を有し、
前記誘電体薄膜は、膜厚が０．５μｍ～２μｍであり、ｃ軸配向のエピタキシャル膜であるニオブ酸リチウム膜からなり、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ＬｉＮｂＯ
３
の双晶構造を含み、
前記誘電体薄膜のうち、前記単結晶基板から厚み方向半分までの下部領域を除く上部領域に含まれる前記第１の結晶および前記第２の結晶は、最大ドメイン幅が８０ｎｍ～３００ｎｍであり、
前記第１の結晶および前記第２の結晶における前記最大ドメイン幅は、前記誘電体薄膜と前記単結晶基板との界面上における任意の場所に、断面視で長さ４μｍの測定領域を設け、前記測定領域に存在する１０個以上の任意の前記第１の結晶および前記第２の結晶について、各結晶の成長方向に垂直な方向の幅であって前記誘電体薄膜の厚み方向における最大寸法である結晶ドメイン幅を測定し、得られた測定値のメジアン値である、誘電体薄膜付き基板。
続きを表示（約 540 文字）【請求項２】
前記誘電体薄膜に含まれる前記第１の結晶および前記第２の結晶の一部または全部が、厚み方向におけるドメイン幅が不均一である、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、請求項１に記載の誘電体薄膜付き基板。
【請求項４】
前記誘電体薄膜の前記双晶構造は、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の回折強度との比が０．５以上、２．０以下である、請求項１に記載の誘電体薄膜付き基板。
【請求項５】
請求項１～請求項４のいずれかに記載の誘電体薄膜付き基板を備える、光導波路素子。
【請求項６】
前記誘電体薄膜からなる光導波路を有する、請求項５に記載の光導波路素子。
【請求項７】
請求項１～請求項４のいずれかに記載の誘電体薄膜付き基板を備える、光変調素子。
【請求項８】
前記誘電体薄膜からなる光導波路と、前記光導波路の屈折率を変化させる電圧を、前記誘電体薄膜上から面内方向に印加する第１電極および第２電極とを有する、請求項７に記載の光変調素子。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘電体薄膜付き基板、これを用いた光導波路素子および光変調素子に関する。
続きを表示（約 2,300 文字）【背景技術】
【０００２】
従来、光変調素子として、基板上にエピタキシャル成長させたニオブ酸リチウム膜を用いたものがある。
例えば、特許文献１には、誘電体薄膜付き基板を用いた光変調素子が記載されている。特許文献１には、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膜からなる誘電体薄膜を備える誘電体薄膜付き基板が記載されている。また、特許文献１には、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以下である誘電体薄膜が記載されている。
【０００３】
また、特許文献２には、単結晶基板の主面上に形成されたエピタキシャル膜であり、リッジ形状部を有するニオブ酸リチウム膜と、リッジ形状部上に形成されたバッファ層と、バッファ層上に形成された第１電極と、ニオブ酸リチウム膜の上面および／または段差部と接して形成された第２電極とを有する光変調器が記載されている。
【０００４】
また、特許文献３には、電気光学結晶基板表面内に形成された光導波路と、前記光導波路の屈折率を変化させる電界を印加するための第１および第２の電極と、基板上で前記第１および第２の電極間の下に形成されたバッファ層とからなる光導波路デバイスが記載されている。特許文献３には、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ
３
）等の電気光学結晶基板表面内に形成した光導波路に電界を印加して屈折率を変化させる光導波路デバイスが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
国際公開第２０１８／０１６４２８号
特開２０１４－１４２４１１号公報
特許第３００１０２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
基板上にエピタキシャル成長させたニオブ酸リチウム膜を有する誘電体薄膜付き基板を用いた光導波路素子および光変調素子は、ニオブ酸リチウム単結晶基板を用いた光導波路素子および光変調素子と比較して、生産性に優れる。これは、基板上にエピタキシャル成長させたニオブ酸リチウム膜を有する誘電体薄膜付き基板では、成膜条件を調節することによって所望の膜厚のニオブ酸リチウム膜を形成できるためである。すなわち、基板上にエピタキシャル成長させたニオブ酸リチウム膜を有する誘電体薄膜付き基板を用いる場合、ニオブ酸リチウム単結晶基板を用いる場合のように、ニオブ酸リチウム単結晶基板を切断したり研磨したりすることによって、厚みを調整する必要がない。しかも、基板上にエピタキシャル成長させたニオブ酸リチウム膜を有する誘電体薄膜付き基板は、ニオブ酸リチウム単結晶基板と比較して安価である。
【０００７】
しかし、基板上にエピタキシャル成長させたニオブ酸リチウム膜を用いた光導波路素子および光変調素子では、ニオブ酸リチウム膜の厚みが光導波路素子および光変調素子の設計上の制限となる場合があった。より詳細には、基板上にエピタキシャル成長させたニオブ酸リチウム膜は、可視光から赤外光まで幅広い光に適用可能である光導波路素子および光変調素子が得られるように、十分な膜厚を有していることが好ましい。しかしながら、基板上にエピタキシャル成長させたニオブ酸リチウム膜は、クラックが発生しやすいものであり、膜厚の厚いものほどクラックが発生しやすいという不都合があった。
このため、基板上にエピタキシャル成長させたニオブ酸リチウム膜を有する誘電体薄膜付き基板として、ニオブ酸リチウム膜にクラックが発生しにくいものが要求されている。
【０００８】
また、ニオブ酸リチウム膜を用いた光変調素子では、光変調素子の電極に印加されたＤＣ（直流）電圧によって変調波形が移動する。ニオブ酸リチウム膜を用いた光変調素子における変調波形は、ＤＣ（直流）電圧の印加時間の経過とともに変化する。この変調波形の経時変化をＤＣドリフトという。
従来の基板上にエピタキシャル成長させたニオブ酸リチウム膜を有する誘電体薄膜付き基板を用いた光変調素子では、ニオブ酸リチウム単結晶基板を用いた光変調素子と比較してＤＣドリフトが大きいため、ＤＣドリフトを低減することが要求されていた。
【０００９】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、基板上にエピタキシャル成長させたニオブ酸リチウム膜を有し、ニオブ酸リチウム膜にクラックが発生しにくく、ＤＣドリフトの抑制された光変調素子を形成できる誘電体薄膜付き基板を提供することを目的とする。
【００１０】
また、本発明は、ニオブ酸リチウム膜からなる誘電体薄膜を有する誘電体薄膜付き基板が備えられ、ニオブ酸リチウム膜にクラックが発生しにくく、ＤＣドリフトの抑制された光変調素子を形成できる光導波路素子を提供することを目的とする。
また、本発明は、ニオブ酸リチウム膜からなる誘電体薄膜を有する誘電体薄膜付き基板が備えられ、ニオブ酸リチウム膜にクラックが発生しにくく、ＤＣドリフトの抑制された光変調素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
（【００１１】以降は省略されています）

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