带介电薄膜的基板及使用其的光调制元件的制作方法

本发明涉及一种可用于光调制元件及光波导的带介电薄膜的基板。本发明还涉及使用了这种带介电薄膜的基板的光调制元件。

背景技术：

伴随着互联网的普及，通信量飞跃性地增加，光纤通信的重要性非常高。光纤通信是将电信号转换为光信号，并通过光纤来传输光信号的通信方式，具有宽带域、低损耗、抗噪性强的特征。

作为将电信号转换为光信号的方式，已知有利用半导体激光的直接调制方式和使用了光调制器的外部调制方式。直接调制虽然不需要光调制器而且成本低，但在高速调制方面有极限，在高速且长距离的用途中使用外部光调制方式。

作为光调制器，通过ti(钛)扩散在铌酸锂单晶基板的表面附近形成有光波导的光调制器已经被实用化了。40gb/s以上的高速的光调制器被商用化了，但存在总长长达10cm左右的较大缺点。

与之相对，专利文献1～4中公开有一种马赫-曾德尔(mach–zehnder)型光调制器，其使用了在蓝宝石单晶基板上通过外延生长形成c轴取向的铌酸锂膜，且将铌酸锂膜加工成脊型而成的脊型光波导。与使用了铌酸锂单晶基板的光调制器相比，使用了铌酸锂膜的光调制器实现大幅的小型化、低驱动电压化。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2014-6348号公报

专利文献2：日本特开2015-14716号公报

专利文献3：日本特开2015-118371号公报

专利文献4：日本特开2015-230466号公报

非专利文献

非专利文献1：j.appl.phys.,vol.90,no.10,15november2001,linbo3thickfilmsgrownonsapphirebyusingamultistepsputteringprocess.

非专利文献2：jpn.j.appl.phys.vol.41(2002)pp.l275-l277,preparationoftwin-andcrack-freelinbo3filmsbypulsedlaserablationusingnucleationprocessathightemperature.

技术实现要素：

发明所要解决的技术问题

但是，如非专利文献1及2所报告，不容易在蓝宝石单晶基板上形成具有充分的膜厚的铌酸锂膜，当根据条件成膜为数百nm程度的厚度时，有时会在铌酸锂膜上产生裂纹。

因此，本发明的目的在于，提供一种在单晶基板上形成铌酸锂膜而成的带介电薄膜的基板，其中，即使在将铌酸锂膜的膜厚增厚至例如1μm以上的情况下，也难以产生裂纹。

另外，本发明的另一目的在于，提供一种使用了这种带介电薄膜的基板的光调制元件。

用于解决技术问题的手段

本发明人等进行了专门研究，结果判明，铌酸锂膜中的裂纹的产生与铌酸锂的双晶结构存在关系。具体而言，判明了当构成双晶的两种结晶的混合比中偏差较大时，不能缓和蓄积于铌酸锂膜的内部的应变，其结果，伴随膜厚的增加的裂纹的产生变得显著。

本发明是鉴于这种技术性的发现而完成的，本发明提供一种带介电薄膜的基板，其特征在于，具备：单晶基板；介电薄膜，其由外延形成于所述单晶基板的主面的c轴取向的铌酸锂构成，所述介电薄膜的膜厚为1000nm以上，所述介电薄膜具有包含第一结晶和以c轴为中心使所述第一结晶进行180°旋转得到的第二结晶的双晶结构，x射线衍射法进行的极点测定中，对应于第一结晶的第一衍射强度与对应于第二结晶的第二衍射强度之比为0.5以上且2.0以下。

另外，本发明提供一种光调制元件，其特征在于，使用了这种带介电薄膜的基板。

根据本发明，对应于第一结晶的第一衍射强度与对应于第二结晶的第二衍射强度之比为0.5以上且2.0以下，确保构成双晶的两种结晶的平衡，因此，容易缓和蓄积于铌酸锂膜的内部的应变。由此，可抑制伴随膜厚的增加的裂纹的产生。本发明中，作为单晶基板，能够使用主面为c面的蓝宝石单晶基板。据此，能够将长度10μm以上的裂纹存在的区域的比例设为30％以下。

本发明中，优选在x射线衍射法进行的极点测定中，所述第一衍射强度与所述第二衍射强度之比为0.8以上且1.25以下。据此，构成双晶的两种结晶的混合比大致相同，因此，可得到稳定性更高的介电薄膜。因此，即使将铌酸锂膜的膜厚成膜为例如1300nm以上，也可设为无裂纹。

本发明中，优选通过所述x射线衍射法测定的(006)反射的摇摆曲线的半峰宽为0.3°以上且0.6°以下。据此，与第一及第二结晶分别更接近单晶的情况相比，可有效地防止裂纹的产生。

本发明中，优选在所述第一结晶与所述第二结晶的边界不存在晶界。据此，不会产生晶界的存在引起的散射等，因此，可降低传播损耗。

发明效果

根据本发明，可提供具备膜厚较厚的无裂纹的铌酸锂膜的带介电薄膜的基板及使用其的光调制元件。

附图说明

图1是表示本发明的一个实施方式的带介电薄膜的基板1的结构的大致截面图；

图2是表示使用了带介电薄膜的基板1的光波导元件100的结构的俯视图；

图3是图2所示的光波导元件100的a-a'线的截面图；

图4是使用了带介电薄膜的基板1的马赫-曾德尔型的光调制元件200a的俯视图；

图5是图4所示的光调制元件200a的b-b'线的截面图；

图6是使用了带介电薄膜的基板1的马赫-曾德尔型的光调制元件200b的俯视图，(a)仅图示光波导，(b)图示包含行波电极的光调制元件200b的整体；

图7是表示多模干涉分支波导150的特性的一例的图表；

图8是使用了带介电薄膜的基板1的马赫-曾德尔型的光调制元件200c的俯视图，图8(a)仅图示光波导，图8(b)图示包含行波电极的光调制元件200c的整体；

图9是表示x射线衍射法进行的极点测定的结果的图，(a)表示比较例的结果，(b)表示实施例的结果；

图10是利用高分辨率透射电子显微镜观察铌酸锂膜的表面的照片；

图11是表示蓝宝石单晶基板与铌酸锂膜的c轴的角度的偏离的图；

图12是表示铌酸锂膜的膜厚与vπl的关系的图表；

图13是表示电极长l＝14mm的情况下的铌酸锂膜的膜厚与vπ的关系的图表；

图14是用于说明测定区域s的位置的示意图；

图15是表示实施例3的结果的表。

符号说明

1……带介电薄膜的基板；2……单晶基板；2a……主面；

3……介电薄膜；4……脊部；5……缓冲层；6……介电体层；

7a、7b、8a～8c……电极；9……终端电阻；

10、10a～10c……光波导；10d……分波部；10e……合波部；

10i……输入光波导；10o……输出光波导；12……输出侧；

15a、15b……输入侧；22……终端电阻；27……信号电极；

27b……下层部；27e……一端；27g……另一端；

28、29……接地电极；28b……下层部；100……光波导元件；

150、150a、150b……多模干涉分支波导；

200a、200b、200c……光调制元件；

lx、ly……假想线；p……中心点；s……测定区域。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的优选的实施方式进行详细地说明。此外，本发明的对象不限定于以下的实施方式。另外，以下所记载的构成要素包括本领域的技术人员容易想到的、实质上相同的要素，并且该构成要素可以适当组合。另外，说明图是示意性的，为了说明的方便，厚度与平面尺寸的关系在得到本实施方式的效果的范围内也可以与实际的结构不同。

图1是表示本发明的一个实施方式的带介电薄膜的基板1的结构的大致截面图。

如图1所示，本实施方式的带介电薄膜的基板1具备单晶基板2、由外延形成于单晶基板2的主面2a的铌酸锂构成的介电薄膜3。

作为基板2，只要是折射率低于铌酸锂的就没有特别限定，需要为能够使铌酸锂膜形成为外延膜的基板，优选为蓝宝石单晶基板或硅单晶基板，特别优选为蓝宝石单晶基板。铌酸锂膜具有相对于各种结晶取向的单晶基板，容易作为c轴取向的外延膜而形成的性质，因此，单晶基板的结晶取向没有特别限定。c轴取向的铌酸锂膜具有三次对称的对称性，因此，期望作为基底的单晶基板2也具有相同的对称性，优选在使用蓝宝石单晶基板作为单晶基板2的情况下，主面2a为c面，在使用硅单晶基板的情况下，主面2a为(111)面。

介电薄膜3以外延形成于单晶基板2的主面2a的c轴取向的铌酸锂(linbo3)为主成分。铌酸锂具有较大的电光常数，最优选作为光调制器等的光学器件的结构材料。铌酸锂膜的组成为lixnbayoz。a表示li、nb、o以外的元素。x为0.5～1.2，优选为0.9～1.05。y为0～0.5。z为1.5～4，优选为2.5～3.5。作为a的元素，具有：k、na、rb、cs、be、mg、ca、sr、ba、ti、zr、hf、v、cr、mo、w、fe、co、ni、zn、sc、ce等，也可以是两种以上的组合。

构成介电薄膜3的铌酸锂膜优选为linbo3的单相。也就是，优选不包含linb3o8、li3nbo4等的异相。

介电薄膜3的厚度需要为1μm以上，优选为2μm以下。这是由于，作为本实施方式的带介电薄膜的基板1的用途，最优选为光调制元件，在该情况下，为了充分降低vπl，介电薄膜3的厚度需要为1μm以上。另一方面，是由于当介电薄膜3的厚度超过2μm时，由于与由蓝宝石等构成的单晶基板2的热膨胀率差或晶格常数的不匹配等，产生裂纹的可能性高，另一方面，即使将介电薄膜3的膜厚增厚至其以上，vπl也几乎不会降低。

介电薄膜3是在单晶基板2的主面2a上通过外延生长进行成膜的外延膜。在此，外延膜是相对于基底的基板或基底膜的结晶取向取向一致的膜。在将膜面内设定为x-y面，将膜厚方向设定为z轴时，结晶随着x轴、y轴和z轴方向一致地取向。例如，通过首先进行利用2θ-θx射线衍射的取向位置的峰强度的确认，其次进行极点的确认，从而能够证明外延膜。

具体而言，首先进行利用2θ-θx射线衍射的测定时，目标的面以外的全部峰强度需要为目标的面的最大峰强度的10％以下，优选为5％以下。例如，铌酸锂的c轴取向外延膜中，(00l)面以外的峰强度为(00l)面的最大峰强度的10％以下，优选为5％以下。(00l)是表示包括(001)或(002)等的等价面的总称。

其次，在极点测定中需要能看到极点。在确认上述第一取向位置下的峰强度的条件下，仅表示一个方向的取向性，即使得到了上述的第一条件，在面内的结晶取向不一致的情况下，特定角度位置下x射线的强度也不高，看不到极点。由于linbo3是三方晶系的结晶结构，因此，单晶中的linbo3(014)的极点为3个。在铌酸锂膜的情况下，已知在以c轴为中心旋转180°后的结晶对称地结合的，所谓的双晶的状态下进行外延生长。在该情况下，成为以3个极点对称的方式2个结合的状态，因此，极点成为6个。

介电薄膜3的c轴优选与单晶基板2的c轴一致，优选两者的偏离为5°以下。如果c轴的偏离为5°以下，则在用于光调制元件的情况下，不会产生实用上的问题。

构成介电薄膜3的铌酸锂膜具有包含第一结晶和以c轴为中心使第一结晶进行了180°旋转得到的第二结晶的双晶结构。在此，第一结晶是面内取向与作为基底的单晶基板2的面内取向相同的结晶，第二结晶是指面内取向相对于作为基底的单晶基板2的面内取向进行了180°旋转的结晶。第一结晶与第二结晶的比例(a：b)相互越近越好，优选为a：b＝1：2～2：1。换言之，另一结晶(例如第二结晶)相对于一个结晶(例如第一结晶)的比例优选为0.5以上、2以下。进一步换言之，含量较少的一方的结晶相对于含量较多的一方的结晶之比优选为0.5以上且1.0以下。

目前认为，用于光调制元件等的铌酸锂膜为双晶比率大致为0或成为无限大的结构，即越接近单晶越好。但是，难以形成不具有双晶结构的完全的单晶，即使能实现接近单晶的膜，也不能实现1μm以上的膜厚且没有裂纹的膜。而且，根据本发明人等的研究判明，与尽可能增多两种结晶中的一方的比例而接近单晶相比，使两种结晶的比例尽可能均等的膜能缓和应力，且膜整体稳定。基于这种见解，本实施方式中，将第一结晶与第二结晶的比例(a：b)设为上述的范围。由此，在将铌酸锂膜以平面看划分成多个区域的情况下，能够将长度10μm以上的裂纹存在的区域的比例设为30％以下。

第一结晶与第二结晶的比例对裂纹的产生造成影响的原因不明，但蓝宝石和铌酸锂的晶格常数及热膨胀率不同，且为容易产生应变的结构，因此，推定为在铌酸锂膜接近单晶的情况下，难以缓和其应变，容易产生裂纹。与之相对，推定为在为双晶结构且两个结晶大致均等地混合的情况下，可得到缓和应变的效果，并能抑制裂纹的产生。

第一结晶与第二结晶的比例能够通过x射线衍射法进行的极点测定进行确认。而且，如果算出对应于第一结晶的第一衍射强度与对应于第二结晶的第二衍射强度之比，则判明第一结晶与第二结晶的比例。因此，可知如果第一衍射强度与第二衍射强度之比为0.5以上且2.0以下，则第一结晶与第二结晶的比例(a：b)为上述的范围内。

在此，第一结晶与第二结晶的比例(a：b)优选为1：1，但也难以将两种结晶的比例设为完全均等。但是，如果另一结晶(例如第二结晶)相对于一个结晶(例如第一结晶)的比例为0.8以上且1.25以下，则能够看作两种结晶的比例大致均等，因此，特别优选控制成该范围。

第一结晶及第二结晶分别具有大致接近单晶的结构，但当过于接近完全的单晶时，相反介电薄膜3中容易产生裂纹。因此，通过x射线衍射法测定的(006)反射的摇摆曲线的半峰宽优选为0.3°以上且0.6°以下的范围。如果(006)反射的摇摆曲线的半峰宽为该范围内，则光学上能够将第一结晶及第二结晶分别大致看作单晶，另一方面，可抑制裂纹的产生。

第一结晶和第二结晶优选不经由晶界地相互接合。这是由于，当在第一结晶与第二结晶的边界存在晶界时，在边界面产生光的散射，因此，在用于光调制元件等的情况下，传播损耗增大。与之相对，在第一结晶与第二结晶的边界不存在晶界的情况下，两者的折射率相同，因此，不会产生散射，能够得到与作为单晶的情况相同的光学特性。

如上所述，介电薄膜3能够在单晶基板2的主面2a上通过外延生长而成膜。成膜条件没有特别限定，但为了成膜具有上述的特征的外延膜，优选使用溅射装置将靶材和单晶基板2配置成同轴，且将成膜速度控制成300～1800nm/h。非专利文献1中，通过减慢成膜速度(90nm/h)，实现接近单晶的膜，但本实施方式中，硬是通过加快成膜速度，将具有双晶结构的膜厚1μm以上的介电薄膜3以无裂纹成膜。此外，为了提高成膜速度，可举出提高溅射时的施加功率，或缩短靶材与单晶基板2的距离。

但是，本发明中对介电薄膜3的成膜方法没有特别限定，除了溅射法以外，也可以使用真空蒸镀法、脉冲激光烧蚀(pld)法、化学蒸镀法(cvd)、溶胶-凝胶法等进行成膜。但是，如果使用溅射法，则在成膜后不实施特殊的处理，能够得到在成膜的状态下的单畴结构。这是由于，在溅射时施加的热(450～700℃)和自偏置的电场兼作极化处理。当极化中具有分布时，成为电光效应降低的主要原因，但如果做成单畴结构，则能够得到与为单晶的情况相同的电光系数。

在作为介电薄膜3的成膜方法使用溅射法的情况下，靶材的组成以成为目标的膜组成的方式决定。例如，通过使用具有li/(li+nb)＝48％～51％的范围的组成的靶材，并调整成膜条件，可得到li/(li+nb)＝48％～50％的铌酸锂膜。具体而言，能够使用以纯度3n以上的li2co3和nb2o5为主原料，并通过烧结而制作的铌酸锂靶材。靶材的形状没有特别限定，但为了充分缩小膜厚分布，优选设为单晶基板2的大致2倍以上的平面尺寸。成膜也可以通过相同条件(单步骤)进行，也可以中途变更条件(多步骤)。

接着，对本实施方式的带介电薄膜的基板1的应用例进行说明。

＜应用例1＞

图2是表示使用了带介电薄膜的基板1的光波导元件100的结构的俯视图。另外，图3是图2所示的光波导元件100的a-a'线的截面图。

图2及图3所示的光波导元件100具有将包含于带介电薄膜的基板1的介电薄膜3加工成脊状(凸型形状)的结构。脊部4是设为目的的光以tm基模传播的部分。为了制作这种光波导元件100，只要准备带介电薄膜的基板1，蚀刻加工介电薄膜3，由此，形成脊部4即可。而且，本实施方式的带介电薄膜的基板1的介电薄膜3的膜厚厚至例如1μm以上，因此，可降低tm基模的传播损耗。

＜应用例2＞

图4是使用了带介电薄膜的基板1的马赫-曾德尔型的光调制元件200a的俯视图。光调制元件200a是对由光波导10形成的马赫-曾德尔干涉计施加电压并调制在光波导10内传播的光的器件。光波导10分支成两条光波导10a、10b，在光波导10a、10b上分别各设置1条、即两条第一电极7a、7b，成为双电极结构。

图5是图4所示的光调制元件200a的b-b'线的截面图。此外，光调制元件200a的a-a'线的截面图与图3所示的光波导元件100的截面图相同。本实施方式中，通过设置于介电薄膜3的两个脊部4形成光波导10a、10b。在构成光波导10a的脊部4上经由缓冲层5形成有第一电极7a，在与光波导10b对应的脊部4上经由缓冲层5形成有第一电极7b。第二电极8a、8b、8c经由第一电极7a、7b相互分开地设置，并与介电薄膜3的平板部(蚀刻的较薄的部分)的上表面接触而形成。介电层6以与缓冲层5的下表面和脊部4的侧面接触的方式形成。

对光调制元件200a的动作原理进行说明。图4中，利用终端电阻9连接两条第一电极7a、7b和第二电极8a、8b、8c，使其作为行波电极发挥作用。将第二电极8a、8b、8c作为接地电极，相对于两条第一电极7a、7b从光调制元件200a的第一电极7a、7b的输入侧15a、15b输入绝对值相同且正负不同的位相没有偏离的、所谓的互补信号。由于铌酸锂膜具有电光效应，因此，由于对光波导10a、10b赋予的电场，从而光波导(10a、10b)的折射率分别变化成+δn、-δn，光波导(10a、10b)间的位相差发生变化。通过该位相差的变化，由光调制元件200a的射出侧的光波导10c进行强度调制后的信号光被输出侧12输出。

＜应用例3＞

图6是使用了带介电薄膜的基板1的马赫-曾德尔型的光调制元件200b的俯视图，(a)仅图示光波导，(b)图示包含行波电极的光调制元件200b的整体。

如图6(a)所示，光调制元件200b成为通过多模干涉分支波导150a，光波导10分支成两条光波导10a、10b之后，通过多模干涉分支波导150b，合波成光波导10c的马赫-曾德尔干涉计。如图6(b)所示，在光波导10a、10b上分别各设置有一条、即两条第一电极7a、7b，成为双电极结构。光调制元件200b是对由光波导10形成的马赫-曾德尔干涉计施加电压并调制在光波导10内传播的光的器件。此外，光调制元件200b的a-a'线的截面图与图3所示的截面图相同，b-b'线的截面图与图5所示的截面图相同。

多模干涉分支波导150a、150b具有相对于m＝1模式的传播损耗大于相对于m＝0模式的传播损耗的特性。图7是表示多模干涉分支波导150a、150b的特性的一个例子的图表，横轴表示多模干涉分支波导150a、150b的长度lmmi，纵轴表示信号的衰减量。如图7所示，通过将多模干涉分支波导150a、150b的长度lmmi设计为预定的值，可使m＝0模式的成分几乎不衰减，而使m＝1模式的成分大大衰减。图7所示的例子中，如果将长度lmmi设定为约97μm，则能够实现该效果。

因此，如果使用这种多模干涉分支波导150a、150b，则在图6(a)中由光波导10入射的光中对于m＝0模式的成分没有被衰减而被分波成光波导10a、10b，另一方面，对于m＝1模的成分则被多模干涉分支波导150a衰减，并且从光波导10a、10b中几乎不输出m＝1模式的成分。因此，即使是tm的m＝0模式和m＝1模式传播的多模的波导，也可实质上如单模那样进行操作。

＜应用例4＞

图8是使用了带介电薄膜的基板1的马赫-曾德尔型的光调制元件200c的俯视图，图8(a)仅图示光波导，图8(b)图示包含行波电极的光调制元件200c的整体。

如图8(a)及(b)所示，该光调制元件200c具备：马赫-曾德尔型的光波导10，其具有相互平行地设置的第一及第二光波导10a、10b；沿着第一光波导10a设置的信号电极27；沿着第二光波导10b设置的第一接地电极28；和从信号电极27观察在与第一接地电极28相反侧设置的第二接地电极29。

马赫-曾德尔型的光波导10是具有马赫-曾德尔干涉计的结构的光波导。具有从一条输入光波导10i被分波部10d分支的第一及第二光波导10a、10b，第一及第二光波导10a、10b经由合波部10e汇集成一条输出光波导10o。输入光si通过分波部10d分波分别在第一及第二光波导10a、10b行进之后，由合波部10e合波，作为调制光so从输出光波导10o输出。

信号电极27在俯视图中位于第一及第二接地电极28、29之间。信号电极27的一端27e是信号输入端，信号电极27的另一端27g经由终端电阻22分别与第一及第二接地电极28、29连接。由此，信号电极27与第一及第二接地电极28、29作为共面型行波电极起作用。信号电极27及第一接地电极28是双层结构，以虚线表示的信号电极27的下层部27b在俯视图中与第一光波导10a重叠，同样以虚线表示的第一接地电极28的下层部28b在俯视图中与第二光波导10b重叠。

在信号电极27的一端27e输入电信号(调制信号)。第一及第二光波导10a、10b是由铌酸锂等具有电光效应的材料构成，因此，通过对第一及第二光波导10a、10b赋予的电场，第一及第二光波导10a、10b的折射率分别变化成+δn、-δn，一对光波导间的位相差发生变化。由输出光波导10o输出通过该位相差的变化调制后的信号光。

这样，本实施方式的光调制元件200c是由1个信号电极27构成的单驱动型，因此，能够充分地确保第一接地电极28的面积，可在高频下动作。另外，通过夹持信号电极27在与第一接地电极28相反侧配置第二接地电极29，从而能够降低放射损耗，进而能够得到良好的高频特性。

如以上所说明的，如果使用本实施方式的带介电薄膜的基板1，则能够制作高质量的光波导及光调制元件。

以上，对本发明的优选的实施方式进行了说明，但本发明不限定于上述的实施方式，可在不脱离本发明的宗旨的范围内进行各种变更，这些当然也包含于本发明的范围内。

实施例1

使用溅射装置，实际上在蓝宝石单晶基板上使由铌酸锂膜构成的介电薄膜进行外延生长。靶材使用了以纯度3n以上的li2co3和nb2o5为主原料通过烧结进行制作，且组成为li/(li+nb)＝50％的铌酸锂的烧结体。靶材的制作中，为了粉碎并调和粉材的烧结体，使用耐磨耗性较高的zro2材的球磨机，并进行粉碎调和。此时，对于靶材粉材，在粉碎时被球磨机削减并混入数百ppm程度的zr。该少量的zr的混入的铌酸锂靶材中成膜的铌酸锂膜中，也可进行外延生长，不会产生问题。

靶材的尺寸设为6英寸，蓝宝石单晶基板与靶材的距离设为90mm。蓝宝石单晶基板使用了与靶材对置的主面为c面的3英寸的蓝宝石单晶基板。蓝宝石单晶基板和靶材配置成同轴。

而且，作为溅射气体，使用ar和o2的混合气体，将o2比率设定成20％～50％，将气压设定成0.6pa。在该条件下，施加900w的功率而进行溅射。蓝宝石单晶基板的基板温度设定为450～700℃，对每个样品设定成不同的基板温度。样品为13种。成膜条件在中途不变更，并通过所谓的单步骤进行。

其结果，能够在蓝宝石单晶基板的主面上外延形成具有c轴取向的双晶结构的膜厚为1100nm～1900nm的铌酸锂膜。成膜速度为500nm/h～600nm/h。而且，对13个样品评价裂纹的有无，结果确认到，全部样品中不存在裂纹，能够形成无裂纹的铌酸锂膜。

接下来，相对于成膜的铌酸锂膜，使用拉曼分光推定li比率。使用拉曼分光是为了通过非破坏进行评价，另外，化学分析中难以高精度地分析li。拉曼的峰的半峰宽与li比率大致成比例地变化，因此，与两种组成的铌酸锂单晶(li比率48.5％和50％)的半峰宽相比，由此，推定膜的li比率。其结果，根据成膜条件不同，膜的li比率在47.5％～49.8％的范围内。由此，确认到铌酸锂膜的结晶结构为不包含异相的linbo3单相的单相。

接着，通过进行x射线衍射法的极点测定，测定与铌酸锂的第一结晶对应的第一衍射强度和与铌酸锂的第二结晶对应的第二衍射强度。其结果，第一衍射强度与第二衍射强度之比根据成膜条件不同在0.8～1.25的范围内。另外，(006)反射的摇摆曲线的半峰宽为0.3°～0.6°。

图9是表示x射线衍射法进行的极点测定的结果的图，(a)表示比较例的结果，(b)表示实施例的结果。比较例中，将气压设定成4pa，将功率设定成180w，将膜厚设为1100nm。在该情况下，成膜速度为90nm/h。

如图9(a)所示，比较例中，表示第一结晶的极点1、3、5的强度和表示第二结晶的极点2、4、6的强度中存在明确的差异，前者一方较强。而且，算出第二衍射强度相对于第一衍射强度之比(＝第二衍射强度/第一衍射强度)，结果为0.45。另外，在铌酸锂膜上存在裂纹。此外，将气压设定为4pa，将功率设定为180w，改变o2气体比率、基板温度进行成膜，结果能够至膜厚900nm实现无裂纹，但在膜厚1100nm以上不能实现无裂纹。

与之相对，如图9(b)所示，实施例的预定样品中，表示第一结晶的极点1、3、5的强度和表示第二结晶的极点2、4、6的强度大致相同，第二衍射强度相对于第一衍射强度之比(＝第二衍射强度/第一衍射强度)为0.99。另外，在铌酸锂膜上不存在裂纹。

接着，利用高分辨率透射电子显微镜(hrtemimage)观察实施例的预定样品的铌酸锂膜的表面。将结果表示于图10中。如图10所示，在铌酸锂膜上明确地确认到两种结晶，但在其界面不存在晶界等的界面层。

接下来，对于实施例的各样品，使用扫描非线性介电显微镜(sndm)以纳米级观察介电体的极化分布。其结果确认到，各样品的极化的方向均一样，且为单畴。

接着，对于实施例的预定样品，评价蓝宝石单晶基板与铌酸锂膜的c轴的角度的偏离。将结果表示于图11中。如图11所示，确认到两者的c轴的偏离越接近外周越大，但最大约为0.12°，c轴大致一致。

接下来，使用没有裂纹的实施例的样品，实际制作光调制元件，并评价驱动电压，由此，求得电光特性。电光系数r33约为30pm/v，得到与linbo3单晶同等的特性。另外，通过棱镜耦合器法测定铌酸锂膜的折射率，结果，波长632.8nm处的折射率为no＝2.288±0.01，ne＝2.200±0.01，可得到与单晶同等的特性。另外，通过棱镜耦合器法测定铌酸锂膜的传播损耗，结果是传播损耗低于测定精度极限的1db/cm。也就是确认到，即使是双晶结构，也不会产生散射损耗。

这样，确认到实施例的铌酸锂膜为双晶结构，但实用上可得到与单晶大致相同的特性。

实施例2

通过与实施例1同样的条件，使800nm～2000nm的铌酸锂膜在蓝宝石单晶基板的主面上外延生长之后，实际制作光调制元件，并测定铌酸锂膜的膜厚与vπl的关系。测定波长设为光通信系统中使用的1550nm。此外，vπ为半波长电压，并以光输出成为最大的电压与成为最小的电压的差进行定义，是指驱动电压。l为波导上的电极的长度。vπ与l处于反比例的关系，例如，对于相同值的vπ和l的积值，当l成为2倍时，vπ成为一半。因此，取得vπ和l的积的vπl是表示光调制器的性能的重要的指标。光调制器的vπl越小且较低，则表示越小型或越低的驱动电压。

将铌酸锂膜的膜厚与vπl的关系表示于图12中。另外，将电极长l＝14mm的情况下的铌酸锂膜的膜厚与vπ的关系表示于图13中。设为电极长l＝14mm是为了确保高频特性。

如图12及图13所示可知，当铌酸锂膜的膜厚增加时，vπl的值及vπ的值快速地降低。这是由于，膜厚较薄时，光向铌酸锂膜的封锁变弱，电光效应有效地变小。作为实用特性，需要将半波长电压vπ设为3v以下，因此，为了满足该情况，需要将铌酸锂的膜厚设为1μm以上。

但是，当铌酸锂膜的膜厚增厚至一定以上时，vπl的值及vπ的值饱和，得不到更好的效果。实际上确认到，铌酸锂膜的膜厚成为1300nm程度时，vπl的值及vπ的值不太变化，在1600nm程度大致饱和。因此，如果将铌酸锂膜的膜厚设为1300nm以上，则能够得到特性良好的光调制元件，如果设为1600nm以上，则可得到特性最良好的光调制元件。

实施例3

实施例1中，以将蓝宝石单晶基板的基板温度设定成550℃的样品为样品a，以将功率设定成180w、将气压设定成4pa、将基板温度设定成550℃的样品为样品b，以将功率设定成180w、将气压设定成0.6pa、将基板温度设定成650℃的样品为样品c。对于样品a、b，在700nm～1900nm的范围制作多个铌酸锂膜的膜厚。对于样品c，在700nm～1300nm的范围内制作多个铌酸锂膜的膜厚。

接下来，通过进行x射线衍射法的极点测定，测定与铌酸锂的第一结晶对应的第一衍射强度和与铌酸锂的第二结晶对应的第二衍射强度。其结果，就第一衍射强度与第二衍射强度之比(较弱一方的衍射强度/较强一方的衍射强度)而言，样品a中为0.99，样品b中为0.45，样品c中为0.20。

接下来，如图14所示，以各样品的表面的中心点p为基准，沿着x方向及y方向定义假想线lx、ly，从中心点p沿着假想线lx、ly以10mm间隔分配测定区域s。测定区域s的数目全部为13处。而且，相对于各测定区域s，使用光学显微镜观察裂纹的有无。物镜的倍率设为20～100倍，并评价在视野内是否存在长度为10μm以上的裂纹。此外，观察通过成膜铌酸锂膜后经过72小时以上后进行。这是由于，有时随着时间的经过产生刚成膜后所不存在的裂纹。此外，本发明人等使用的显微镜中，物镜倍率在20倍下为视野直径0.5mm程度，在100倍下为视野直径0.1mm程度。

将结果表示于图15中。图15所示的个数是发现裂纹的测定区域s的个数，括弧内的数值是发现裂纹的测定区域s的比例。如图15所示，第一衍射强度与第二衍射强度之比为0.99的样品a中，在铌酸锂膜的膜厚为700nm～1900nm的范围内发现了裂纹的测定区域s的个数为0个(0％)。

与之相对，第一衍射强度与第二衍射强度之比为0.45的样品b中，铌酸锂膜的膜厚越厚，裂纹越增加。具体而言，如果膜厚为700nm、900nm，则发现裂纹的测定区域s的个数为0个(0％)，但若膜厚为1100nm，则发现裂纹的测定区域s的个数为5个(38％)，若膜厚为1300nm、1500nm，则发现裂纹的测定区域s的个数成为9个(69％)，若膜厚为1700nm、1900nm，则发现裂纹的测定区域s的个数成为13个(100％)。这样，当铌酸锂膜的膜厚成为1000nm以上时，裂纹存在的测定区域s的比例超过30％。

另外，第一衍射强度与第二衍射强度之比为0.20的样品c中，铌酸锂膜的膜厚越厚，裂纹也越增加。具体而言，若膜厚为700nm，则发现裂纹的测定区域s的个数成为5个(38％)，若膜厚为900nm，则发现裂纹的测定区域s的个数成为9个(69％)，若膜厚为1100nm、1300nm，则发现裂纹的测定区域s的个数成为13个(100％)。这样，当铌酸锂膜的膜厚成为1000nm以上时，裂纹存在的测定区域s的比例成为100％。

由此确认到，如果第一衍射强度与第二衍射强度之比接近1，则即使铌酸锂膜的膜厚为1000nm以上，也将裂纹存在的测定区域s的比例抑制在30％以下。