本発明は、光導波路素子に関し、特に、電気光学効果を有する厚さが３０μｍ以下の基板に光導波路が形成された光導波路基板と、該光導波路基板が補強基板と接着剤層を介して接合されている光導波路素子に関する。

光導波路素子の中でも、光変調器は、変調帯域の広帯域化や駆動電圧の低減のため、光導波路が形成された基板を、１０μｍ程度まで薄板化し、電界効率の向上や速度整合条件を調整し、光変調器の変調性能の向上を図っている。 また、このような薄く加工された基板を、安定的に製造プロセスで取り扱うことを可能とし、また製品としての機械的強度を確保するるため、特許文献１に示すように、薄板化される主基板に、補強基板を接着させた構造を持つ光導波路素子が提案されている。

また、薄板化された主基板は、局所的な電荷集中によるサージ現象による基板の破損が発生し易い。 このことを防止するため、特許文献２では、主基板上に形成された電極の下に低誘電率層を設けることが提案されている。 また、特許文献３では、光導波路素子の側面部や、主基板と補強基板との間に、導電膜を配置し、チャージ防止効果などを持たせ、基板への損傷を抑制する構造などが提案されている。

上記の特許文献２及び３に示す技術手段は、ウェハプロセスを経て光導波路素子（チップ形状）となった後の課題解決を主眼としている。 しかしながら、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）などの焦電効果の高い主基板又は補強基板を使用する場合は、プロセス中や動作中の温度変化により、基板が有する焦電効果によって基板表面にチャージ（電荷）が発生する。

一般に、薄い主基板とそれを支持する補強基板とでは、補強基板の方が体積が大きく焦電効果による電位差やチャージ発生量が大きい。 また、ウェハ状態で実施するウェハプロセスなどでは、光導波路素子状態（チップ形状）よりもウェハ状態の方が体積が大きく、チャージなどによる影響もウェハ状態の方が受けやすい。

光導波路素子の製造プロセスにおいては、薄い主基板と補強基板とを貼り合わせた後のプロセスにおいて、体積の大きい補強基板に蓄積したチャージが、空気よりも誘電率の高い接着層などを経由してスパークとなり主基板にダメージを発生させ、製品の歩留りを低下させることが問題となっていた。 特に、接着層と補強基板との界面では、接着層の厚みのバラツキや接着層中の不純物などにより、電気抵抗がその外周部より低くなる部分が存在する場合には、電気抵抗が低い地点に向けスパークが走り、接着層に重大なダメージを与え、光導波路素子の光損失やその他性能や信頼性を低下させる原因となっていた。

本発明が解決しようとする課題は、上述したような問題を解決し、光導波路素子の状態だけでなく、光導波路素子を製造するプロセスにおいても、補強基板による焦電効果で光導波路素子が損傷することを抑制し、光導波路素子の電気的な特性劣化を抑え、さらに、生産に係る歩留まりを改善することを可能とする光導波路素子を提供することである。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、電気光学効果を有する厚さが３０μｍ以下の基板に光導波路が形成された光導波路基板と、該光導波路基板が電気光学効果を有する補強基板と接着剤層を介して接合されている光導波路素子において、該補強基板の該接着剤層側の面には、半導体層が設けられていることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、電気光学効果を有する厚さが３０μｍ以下の基板に光導波路が形成された光導波路基板と、該光導波路基板が電気光学効果を有する補強基板と接着剤層を介して接合されている光導波路素子において、該光導波路基板と該補強基板との間の接着剤層の内部に半導体層が形成されていることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の光導波路素子において、該半導体層の体積抵抗率は、該接着剤層の体積抵抗率よりも低く、かつ該補強基板の体積抵抗率よりも低いことを特徴とする。

請求項１に係る発明により、電気光学効果を有する厚さが３０μｍ以下の基板に光導波路が形成された光導波路基板と、該光導波路基板が電気光学効果を有する補強基板と接着剤層を介して接合されている光導波路素子において、該補強基板の該接着剤層側の面には、半導体層が設けられているため、補強基板に蓄積したチャージを分散させ、局所的に電荷が集中することによって発生するスパークを阻止することが可能となる。 これにより、光導波路素子が損傷することを抑制し、光導波路素子の電気的な特性劣化を防ぐことが可能となる。 しかも、この半導体層を形成した後においては、製造プロセスにおいて補強基板から光導波路基板へのスパークを抑制できるため、生産に係る歩留まりを改善することもできる。

請求項２に係る発明により、電気光学効果を有する厚さが３０μｍ以下の基板に光導波路が形成された光導波路基板と、該光導波路基板が電気光学効果を有する補強基板と接着剤層を介して接合されている光導波路素子において、該光導波路基板と該補強基板との間の接着剤層の内部に半導体層が形成されているため、補強基板に蓄積したチャージにより、光導波路基板に向かう電界が局所的に集中することを抑制でき、補強基板から光導波路基板へのスパークを抑制することが可能となる。 しかも、この半導体層を形成した後においては、その後の製造プロセスにおいて補強基板から光導波路基板へのスパークを抑制でき、生産に係る歩留まりを改善することが可能となる。

請求項３に係る発明により、半導体層の体積抵抗率は、接着剤層の体積抵抗率よりも低く、かつ補強基板の体積抵抗率よりも低いため、仮に補強基板に蓄積した電荷が放出された場合でも、半導体層が電荷を分散し集中を抑制することが可能となる。

本発明に係る光導波路素子の断面構造を説明する図である。

本発明の光導波路素子の一例を説明する図であり、補強基板に凹部が存在する場合の実施例を示す図である。

本発明の光導波路素子の一例を説明する図であり、補強基板の凸部が存在し、局所的に接着剤層の厚みが薄くなっている場合の実施例を示す図である。

本発明に係る光導波路素子の他の実施例を説明する断面図である。

補強基板上に配置する膜体の影響（信号電極の損失）を評価するグラフである。

以下、本発明の光導波路素子について、詳細に説明する。
本発明の光導波路素子は、図１に示すように、電気光学効果を有する厚さが３０μｍ以下の基板に光導波路が形成された光導波路基板と、該光導波路基板が電気光学効果を有する補強基板と接着剤層を介して接合されている光導波路素子において、該補強基板の該接着剤層側の面には、半導体層が設けられていることを特徴とする。

また、本発明の光導波路素子の他の実施例としては、図４に示すように、電気光学効果を有する厚さが３０μｍ以下の基板に光導波路が形成された光導波路基板と、該光導波路基板が電気光学効果を有する補強基板と接着剤層を介して接合されている光導波路素子において、該光導波路基板と該補強基板との間の接着剤層の内部に半導体層が形成されていることを特徴とする。

電気光学効果を有する材料としては、例えば、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）、及びこれらの組み合わせが利用可能である。 特に、電気光学効果の高いニオブ酸リチウム（ＬＮ）結晶が好適に利用される。

光導波路の形成方法としては、Ｔｉなどを熱拡散法やプロトン交換法などで基板表面に拡散させることにより形成することができる。 また、特許文献４のように、薄板１の表面に光導波路の形状に合わせてリッジを形成し、光導波路を構成することも可能である。 さらに、リッジ型導波路と拡散導波路とを併用することも可能である。

光変調器や光スイッチなどの光導波路素子の場合には、光導波路に電界を印加するため、信号電極や接地電極などからなる制御電極が、光導波路基板の表面などに形成される。 制御電極は、Ｔｉ・Ａｕの電極パターンの形成及び金メッキ方法などにより形成することが可能である。 電気光学効果を有する材料は全て酸化物であり、その材料の酸素と電極材料が結合し、低誘電率層（酸化物層）が形成される。 金（Ａｕ）は基本的に酸化し難い材料であるため、電極材料にはＴｉ等の材料が含まれることが望ましい。

光導波路素子を構成する主基板（光導波路基板）の薄板化方法は、数百μｍの厚さを有する基板に上述した光導波路を形成し、基板の裏面を研磨して、３０μｍ以下の厚みを有する薄板を作成する。 その後薄板の表面に制御電極を作り込む。 また、光導波路や制御電極などの作り込みを行った後に、基板の裏面を研磨することも可能である。 なお、光導波路形成時の熱的衝撃や各種処理時の薄膜の取り扱いによる機械的衝撃などが加わると、薄板が破損する危険性もあるため、これらの熱的又は機械的衝撃が加わり易い工程は、基板を研磨して薄板化する前に行うことが好ましい。

図１に示すように、薄板化された光導波路基板を補強するため、補強基板が接着剤層を介して光導波路基板に接合されている。 補強基板に使用される材料としては、種々のものが利用可能であり、例えば、薄板化される主基板と同様の材料を使用する他に、石英、ガラス、アルミナなどのように薄板より低誘電率の材料を使用したり、または、特許文献４のように薄板と異なる結晶方位を有する材料を使用することも可能である。 ただし、線膨張係数が薄板と同等である材料を選定することが、温度変化に対する光変調素子の変調特性を安定させる上で好ましい。 仮に、同等の材料の選定が困難である場合には、薄板と補強板とを接合する接着剤に、薄板と同等な線膨張係数を有する材料を選定する。

本発明の光導波路素子の特徴は、補強基板で蓄積したチャージがスパークするのを抑制することであり、このため補強基板に強誘電体などの電気光学効果を有する材料を使用する場合には、補強基板に焦電効果が発生し易くなるため、特に、本発明の構成を効果的に適用することが可能である。

光導波路基板と補強基板との接合には、接着剤層として、エポキシ系接着剤、熱硬化型接着剤、紫外線硬化性接着剤、半田ガラス、熱硬化性、光硬化性あるいは光増粘性の樹脂接着剤シートなど、種々の接着材料を使用することが可能である。

本発明の光導波路素子では、図１のように補強基板の表面（接着剤層側の面）や、図４のように光導波路基板と補強基板との間に、半導体層を設けることである。 本発明に用いる半導体層の体積抵抗率は、接着剤層の体積抵抗率よりも低く、かつ補強基板の体積抵抗率よりも低いことが好ましい。

このような半導体層を設けることで、補強基板に蓄積した電荷に対して電界分布を分散又は均一化させ、局所的な電荷蓄積を抑制することができる。 補強基板より体積抵抗率を低くすることで、補強基板の特定箇所に電荷が集中するのを効果的に排除することができる。 図２のように、光導波路基板上に接地電極が配置され、その下側に角溝１やＶ溝２などを形成した補強基板を接着剤層を介して貼り付けた場合には、角溝１やＶ溝２の光導波路基板に近い角部に、電荷が集中し易くなる。 このため、半導体層を補強基板の表面に配置することで、局所的な電荷集中部から発生するスパークを発生させないようにすることが可能となる。

また、図３に示すように、光導波路基板に表面に凸部を有する補強基板を配置する場合には、凸部の上側では、接着剤層の厚みが他の部分より薄くなっており、スパークが生じやすい状態となっている。 このため、補強基板の表面に半導体膜を形成することで、補強基板に蓄積したチャージを分散させ、局所的に電界が強くなるのを効果的に抑制することが可能となる。

本発明の半導体層は、上述のように補強基板に蓄積されたチャージを均一化するためだけでなく、製造過程の途中で接着剤に混入した不純物により、接着剤層が局所的に電気的に通りやすい（スパークが発生しやすい）部分が形成される場合には、スパークを抑制することができる。 これは、接着剤層より体積抵抗率を低くすることで、接着剤層中にスパークが発生する前に、半導体層を通じて電荷が分散され、特定箇所に電荷が集中するのを効果的に排除することができるためである。

つまり、図１のように、電荷分散機能を持った半導体層を補強基板の接着層が接している側に設けることで、この層により、チャージ（電荷）を分散し面内で均一化でき、接着剤層よりも電気抵抗を低くすることで、主基板（光導波路基板）へ向かうスパークの発生を防止し、主基板のダメージを抑制する。

さらに、図１〜３に示すように補強基板に半導体膜が直接接する場合に限らず、図４に示すように、主基板と補強基板の間に半導体層を挟み込むことにより、補強基板で発生したチャージの影響が半導体層へ及んでも、主基板に達することは無いため、光導波路素子の特性を維持することが可能となる。

本発明の半導体層のように、電荷分散機能を持つ層は、より抵抗が低いものが望ましいが、仮に導体を使用した場合には、主基板側に設けた信号電極の電気損失に影響を与え、光変調器などの光導波路素子の特性が劣化する原因となる（図５参照）。 そこで、本発明では電気損失に影響を与えにくい半導体を利用し、半導体としては、ＳｉやＳｉｘＮｙやＳｉＯｚなどが好適に利用可能である。 ただし、ｘ、ｙ及びｚは、半導体の体積抵抗率や誘電率を調整するため、適宜調整される。

図５には、導体であるＡｕと半導体であるＳｉやＳｉ _ｘ Ｎ _ｙを補強基板の表面に配置した場合の信号電極の損失を調べたグラフである。 なお、光導波路基板となる主基板（厚み８μｍ）と、補強基板（厚み５００μｍ）に、ＬＮ基板を用いている。 主基板上には、高さ２２μｍの信号電極及び接地電極が形成される。 接着剤層（厚み５５μｍ）は、ＵＶ硬化型などの接着剤（体積抵抗率：１．０×１０ ^１５ Ωｃｍ，誘電率：３）を用いて光変調器を作製している。 また、ＬＮの補強基板の接着剤と接触する面側には、Ａｕを蒸着したり、ＳｉやＳｉ _ｘ Ｎ _ｙの半導体をスパッタ装置などの膜形成設備で形成する。 この時の半導体膜の体積抵抗率は、接着剤の体積抵抗率１．０×１０ ^１５ Ωｃｍ以下としている。 具体的には、Ｓｉ _ｘ Ｎ _ｙの場合で、１．０×１０ ^９ 〜１．０×１０ ^１１ Ωｃｍ膜を形成した。 そして、半導体層等を形成した補強基板と主基板を接着剤等により貼り合わせる。 なお、従来品は、導体や半導体の膜体を全く形成しないものを意味している。

図５のグラフが示すように、何の膜体も設置しない従来品が最も信号電極の損失が小さく、導体を使用した場合には、従来品より損失が大きくなっている。 従来品と導体品の損失差は、低周波側より高周波側の方が大きく、本発明のような広帯域の光変調器では、導体品で特性を満足させることができない。 しかし、電荷分散としての機能を持つ半導体膜を使用することで、信号電極の損失は、導体より悪化を抑制することが可能であり、且つスパークの発生を抑え広帯域でも使用可能なレベルの電極損失を維持しつつ、歩留向上が期待できる。

また、表１には、従来品、半導体、導体の膜を設置した場合のマイクロ波屈折率（Ｎｍ）の従来品との差を示す。 従来品が速度整合条件を満たしているとした場合、当然、従来品との差異が少ない方が、光導波路素子の特性への影響が小さいことを意味しており、本発明のように半導体を使用することは、導体を使用する場合と比較し、光導波路素子の特性劣化を効果的に抑制していることが、容易に理解される。

本発明の光導波路素子においては、半導体層を使用することにより、スパーク等による主基板へのダメージを抑制し、かつ信号電極の電気損失の劣化も抑制し、さらには、速度整合の低下による変調効率などの特性の劣化も抑制することが可能となる。

また、製造工程における歩留りを調べるため、従来品とＳｉ _ｘ Ｎ _ｙ膜を用いた発明品とについて、補強基板からのスパークによる、主基板へのダメージについて調査した。 具体的には、主基板の主に光特性に関わる導波路近傍のクラック、傷等による損傷の有無を検査し、損傷があるものを不良品とした。 その結果、主基板の加工や貼合わせによる、手扱いなどによる不良品の発生は、従来品も本発明品も同等な不良率であっが、貼り合わせた基板を用いて、熱プロセスなどがある後工程を実施した後の結果では、本発明品の方が不良率が０．６％改善されていることを確認した。

以上説明したように、本発明によれば、光導波路素子の状態だけでなく、光導波路素子を製造するプロセスにおいても、補強基板による焦電効果で光導波路素子が損傷することを抑制し、光導波路素子の電気的な特性劣化を抑え、さらに、生産に係る歩留まりを改善することを可能とする光導波路素子を提供することが可能となる。