(57)【要約】【課題】構造が簡単であるとともに、及び従来よりも波長変換効率を高くすること。【解決手段】基本光を入力端１４ａから入力して、ＱＰＭ構造１８を利用して、変換光を出力端２６から出力させる波長変換素子であって、共通の基板１２に形成された主光導波路１４と、変換光取出部１６と、副光導波路２２とを備えていて、主光導波路は、入力端を有していてＱＰＭ構造を構成する各ドメインを横切るように延在しており、基本光を伝播させることにより変換光を発生し、変換光取出部は、主光導波路に沿って設けられており、変換光を主光導波路内での発生順に主光導波路から取り出して、副光導波路に結合し、副光導波路は、変換光取出部から結合された変換光の位相及び時間的タイミングを合わせて前記出力端から出力する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１波長の基本光を入力端から入力して、周期的分極反転構造を利用して、前記第１波長とは異なる第２波長の変換光を出力端から出力させる波長変換素子であって、
共通の基板に形成された主光導波路と、変換光取出部と、副光導波路とを備えていて、
前記主光導波路は、前記入力端を有していて前記周期的分極反転構造を構成する各ドメインを横切るように延在しており、前記基本光を伝播させることにより前記変換光を発生し、
前記変換光取出部は、前記主光導波路に沿って設けられており、前記変換光を前記主光導波路内での発生順に該主光導波路から取り出して、前記副光導波路に結合し、
前記副光導波路は、前記変換光取出部から結合された前記変換光の位相及び時間的タイミングを合わせて前記出力端から出力することを特徴とする波長変換素子。
【請求項２】
前記周期的分極反転構造が、前記基本光の光伝播方向に沿って断続的に設けられた複数のサブ周期的分極反転構造を備えているとともに、一本の前記主光導波路が、当該サブ周期的分極反転構造の各ドメインを横切って配置されており、
前記主光導波路との間に間隔を空けて設けられた前記変換光取出部としての方向性結合器が、前記サブ周期的分極反転構造ごとに設けられており、
前記方向性結合器のそれぞれに、光路長が異なる副光導波路が接続されていることを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子。
【請求項３】
前記周期的分極反転構造が、前記基本光の光伝播方向に沿って断続的に設けられた複数のサブ周期的分極反転構造を備えていて、
前記サブ周期的分極反転構造ごとに設けられた前記変換光取出部としての方向性結合器を介して、前記主光導波路が複数のサブ主光導波路に分割されており、
個々の前記方向性結合器の延在する領域において、前記基本光の移行元である移行元サブ主光導波路と、当該基本光の移行先である移行先サブ主光導波路とが間隔を空けて並行して配置されることで当該方向性結合器が構成されていて、前記移行元サブ主光導波路のそれぞれに、光路長が異なる副光導波路が接続されていることを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子。
【請求項４】
前記副光導波路として、前記主光導波路を含む領域に延在する平面型光導波路を有していて、
前記変換光取出部として、前記主光導波路における基本光の伝播方向に対して前記ドメインの延在方向を傾斜させることにより、前記変換光を前記平面型光導波路に結合する前記周期的分極反転構造を備えていることを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子。
【請求項５】
前記平面型光導波路に、変換光を集光した上で、前記出力端から出射させる集光手段が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の波長変換素子。
【請求項６】
前記集光手段が導波路レンズであることを特徴とする請求項５に記載の波長変換素子。
【請求項７】
前記集光手段が光導波路アレイであることを特徴とする請求項５に記載の波長変換素子。
【請求項８】
前記集光手段がグレーティングであることを特徴とする請求項５に記載の波長変換素子。
【請求項９】
前記周期的分極反転構造の前記ドメインの周期Λ、及び、前記基本光の伝播方向に対する傾斜角Θを、下記式（１）を満たす値に設定することを特徴とする請求項４〜８のいずれか一項に記載の波長変換素子。
ｋｓｃｏｓΘ＝２ｋｃ＋２π／Λ・・・（１）
ここで、ｋｓは、平面導波路中における変換光の波数であり、ｋｃは主光導波路における基本光の波数である。
【請求項１０】
前記周期的分極反転構造の前記ドメインの周期が、前記基本光の伝播方向に沿って、変化していることを特徴とする請求項４に記載の波長変換素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、入力された光を異なる波長の光に変換して出力する波長変換素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
光の波長を変換する波長変換素子としては、周期的分極反転構造（以下、「ＱＰＭ構造」とも称する。）を利用した素子が、広く用いられている。
【０００３】
ＱＰＭ構造を利用した波長変換素子における問題点は、波長変換されるべき基本光と、波長変換後の変換光との群速度が異なることである。その結果、光導波路を伝播するにつれて、基本光と変換光の光ピーク位置が徐々にずれていく。このピーク位置のズレは、波長変換の変換効率を損ねていた。
【０００４】
この問題点を解決するために、既に幾つかの提案がなされている。
【０００５】
例えば、ＱＰＭ構造が形成された非線形光学結晶を波長変換に用いるに当たり、非線形光学係数としてｄ３３以外のテンソル成分を用いて、波長変換を行う技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
また、一旦光ピーク位置がずれた基本光と変換光とを波長分離した後、遅延線を用いて光ピーク位置を合わせた上で再び合流させる技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
さらに、ＱＰＭ構造を工夫することで、より広帯域での波長変換を可能とし、これにより光ピークに含まれる幅広い波長成分を利用することにより、変換光と基本光との群速度差を解消する技術が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【特許文献１】米国特許出願公開第２００５／００６３０３９号明細書
【特許文献２】米国特許第６６８７０４２号明細書
【特許文献３】米国特許第５３５７５３３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に開示された技術は、最も変換効率が高いテンソル成分であるｄ３３を利用しないために、波長変換効率が低いという問題点があった。さらに、波長変換素子を複雑なフォトニック結晶構造とする必要があり、作成が難しいという問題点があった。
【０００９】
特許文献２に開示された技術では、変換光と基本光とを分離するための波長フィルタと、変換光と基本光とを位相を考慮した上で合流させる遅延線とを設ける必要があり、素子の構造が複雑になるという問題点があった。
【００１０】
特許文献３に開示された技術では、波長変換効率の低下が避けられず、全長の短い波長変換素子を用いた場合と同等の効果しか得られないという問題点があった。
【００１１】
この発明は、上述した問題点に鑑みなされたものである。従って、この発明の目的は、（１）構造が簡単であるとともに、及び（２）従来よりも波長変換効率が高い波長変換素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
発明者らは鋭意検討の結果、ＱＰＭ構造を横切って設けられている主光導波路を伝播する基本光と変換光との内、変換光を発生順に主光導波路から取り出して副光導波路に伝播させることで上述した課題を解決できることに想到した。従って、この発明の波長変換素子は、第１波長の基本光を入力端から入力して、周期的分極反転構造を利用して、第１波長とは異なる第２波長の変換光を出力端から出力させる。
【００１３】
この波長変換素子は、共通の基板に形成された主光導波路と、変換光取出部と、副光導波路とを備えている。
【００１４】
ここで、主光導波路は、入力端を有していて周期的分極反転構造を構成する各ドメインを横切るように延在しており、基本光を伝播させることにより前記変換光を発生する。
【００１５】
変換光取出部は、主光導波路に沿って設けられており、変換光を主光導波路内での発生順に該主光導波路から取り出して、副光導波路に結合する。
【００１６】
副光導波路は、変換光取出部から結合された変換光の位相及び時間的タイミングを合わせて出力端から出力する。
【００１７】
上述の波長変換素子において、周期的分極反転構造が、基本光の光伝播方向に沿って断続的に設けられた複数のサブ周期的分極反転構造を備えているとともに、一本の主光導波路が、サブ周期的分極反転構造の各ドメインを横切って配置されていることが好ましい。
【００１８】
また、主光導波路との間に間隔を空けて設けられた変換光取出部としての方向性結合器が、前記サブ周期的分極反転構造ごとに設けられており、方向性結合器のそれぞれに、光路長が異なる副光導波路が接続されていることが好ましい。
【００１９】
上述の波長変換素子において、周期的分極反転構造が、基本光の光伝播方向に沿って断続的に設けられた複数のサブ周期的分極反転構造を備えていて、サブ周期的分極反転構造ごとに設けられた変換光取出部としての方向性結合器を介して、主光導波路が複数のサブ主光導波路に分割されていることが好ましい。
【００２０】
ここで、個々の方向性結合器の延在する領域において、基本光の移行元である移行元サブ主光導波路と、基本光の移行先である移行先サブ主光導波路とが間隔を空けて並行して配置されることで方向性結合器が構成されていて、移行元サブ主光導波路のそれぞれに、光路長が異なる副光導波路が接続されていることが好ましい。
【００２１】
上述の波長変換素子において、副光導波路として、主光導波路を含む領域に延在する平面型光導波路を有していて、変換光取出部として、主光導波路における基本光の伝播方向に対してドメインの延在方向を傾斜させることにより、変換光を平面型光導波路に結合する周期的分極反転構造を備えていることが好ましい。
【００２２】
上述の波長変換素子において、平面型光導波路に、変換光を集光した上で、出力端から出射させる集光手段が設けられていることが好ましい。
【００２３】
上述の波長変換素子において、集光手段が導波路レンズであることが好ましい。
【００２４】
上述の波長変換素子において、集光手段が光導波路アレイであることが好ましい。
【００２５】
上述の波長変換素子において、集光手段がグレーティングであることが好ましい。
【００２６】
上述の波長変換素子において、周期的分極反転構造のドメインの周期Λ、及び、基本光の伝播方向に対する傾斜角Θを、下記式（１）を満たす値に設定することが好ましい。
【００２７】
ｋｓｃｏｓΘ＝２ｋｃ＋２π／Λ・・・（１）
ここで、ｋｓは、平面導波路中における変換光の波数であり、ｋｃは主光導波路における基本光の波数である。
【００２８】
上述の波長変換素子において、周期的分極反転構造のドメインの周期が、基本光の伝播方向に沿って、変化していることが好ましい。
【発明の効果】
【００２９】
この発明は上述のように構成しているので、（１）構造が簡単であるとともに、及び（２）従来よりも波長変換効率が高い波長変換素子が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態について説明する。なお、各図は、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係について、この発明が理解できる程度に概略的に示したものにすぎない。また、以下、この発明の好適な構成例について説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は、以下の実施の形態に何ら限定されない。また、各図において、共通する構成要素には同符号を付し、その説明を省略することもある。
【００３１】
（実施の形態１）
図１を参照して、実施の形態１の波長変換素子について説明する。図１は、実施の形態１の波長変換素子１０の概略的な構造を示す斜視図である。
【００３２】
（構造）
図１を参照すると、実施の形態１の波長変換素子１０は、ＱＰＭ構造１８が設けられた共通の基板１２に形成された主光導波路１４と、変換光取出部１６と、副光導波路２２とを備えている。
【００３３】
ここで、基板１２は、矩形状の平行平板である。基板１２は、非線形光学結晶、例えばＬｉＮｂＯ３を材料として形成されている。
【００３４】
ＱＰＭ構造１８は、従来周知のように、基板１２の自然分極の向きを周期的に反転させたドメインを隣接配置した構造体である。この実施の形態においては、ＱＰＭ構造１８は、３個のサブＱＰＭ構造１８ａ，１８ｂ及び１８ｃを含んでいる。すなわち、後述する主光導波路１４の延在方向に沿って、サブＱＰＭ構造１８ａ，１８ｂ及び１８ｃが、一定の間隔を空けて、配置されている。
【００３５】
ここで、サブＱＰＭ構造１８ａと１８ｂとで挟まれた基板１２の領域を取出領域Ｔ１と称し、サブＱＰＭ構造１８ｂと１８ｃとで挟まれた基板１２の領域を取出領域Ｔ２と称し、及びサブＱＰＭ構造１８ｃよりも光伝播方向下流の領域であって、後述する方向性結合器ＨＫ３が形成されている領域を取出領域Ｔ３と称する。
【００３６】
主光導波路１４は、上述したサブＱＰＭ構造１８ａ，１８ｂ及び１８ｃの各ドメインを垂直に横切るように直線状に延在する一本のチャネル形光導波路である。主光導波路１４は、波長変換されるべき基本光が入力される入力端１４ａを有している。
【００３７】
主光導波路１４とサブＱＰＭ構造１８ａ，１８ｂ，１８ｃとが重なり合う部分において、従来周知のように、波長変換が生じ、基本光の一部が、基本光とは波長の異なる変換光へと変換される。そして、基本光と変換光は、異なる群速度で主光導波路１４を光伝播方向（矢印Ａ）の方向に伝播する。
【００３８】
変換光取出部１６は、サブＱＰＭ構造１８ａ，１８ｂ及び１８ｃのそれぞれに対応して、この実施の形態の場合には３個設けられている。これらの３個の変換光取出部を、それぞれ１６ａ，１６ｂ及び１６ｃとそれぞれ称する。
【００３９】
変換光取出部１６ａは、取出領域Ｔ１において主光導波路１４に沿って設けられている。変換光取出部１６ａはサブＱＰＭ構造１８ａにおいて発生した変換光のみを取り出す作用を有する。
【００４０】
より詳細には、変換光取出部１６ａは、取出領域Ｔ１において、主光導波路１４の部分１４１及びこの主光導波路１４との間に間隔を空けて設けられたグレーティングを有する光導波路である取出導波路２０ａとからなる方向性結合器ＨＫ１として構成されている。
【００４１】
取出導波路２０ａは、主光導波路１４よりも幅（基板１２の第１主面１２ａ内で、光伝播方向に直交する方向の長さ）が狭い光導波路として構成されている。また、取出導波路２０ａには、グレーティングが形成されており、これにより主光導波路１４を伝播する基本光及び変換光の中から選択的に変換光のみを取出導波路２０ａにパワー移行させるように形成されている。
【００４２】
変換光取出部１６ｂは、取出領域Ｔ２において、主光導波路１４に沿って設けられている。変換光取出部１６ｂはサブＱＰＭ構造１８ｂにおいて発生した変換光のみを取り出す作用を有する。
【００４３】
より詳細には、変換光取出部１６ｂは、取出領域Ｔ２において、主光導波路１４の部分１４２及びこの主光導波路１４との間に間隔を空けて設けられたグレーティングを有する光導波路である取出導波路２０ｂとからなる方向性結合器ＨＫ２として構成されている。
【００４４】
取出導波路２０ｂは、主光導波路１４よりも幅（基板１２の第１主面１２ａ内で、光伝播方向に直交する方向の長さ）が狭い光導波路として構成されている。また、取出導波路２０ｂには、グレーティングが形成されており、これにより主光導波路１４を伝播する基本光及び変換光の中から選択的に変換光のみを取出導波路２０ｂにパワー移行させるように形成されている。
【００４５】
変換光取出部１６ｃは、取出領域Ｔ３において、主光導波路１４に沿って設けられている。変換光取出部１６ｃはサブＱＰＭ構造１８ｃにおいて発生した変換光のみを取り出す作用を有する。
【００４６】
より詳細には、変換光取出部１６ｃは、取出領域Ｔ３において、主光導波路１４の部分１４３及びこの主光導波路１４との間に間隔を空けて設けられたグレーティングを有する光導波路である取出導波路２０ｃとからなる方向性結合器ＨＫ３として構成されている。
【００４７】
取出導波路２０ｃは、主光導波路１４よりも幅（基板１２の第１主面１２ａ内で、光伝播方向に直交する方向の長さ）が狭い光導波路として構成されている。また、取出導波路２０ｃには、グレーティングが形成されており、これにより主光導波路１４を伝播する基本光及び変換光の中から選択的に変換光のみを取出導波路２０ｃにパワー移行させるように形成されている。
【００４８】
副光導波路２２は、変換光取出部１６ａ，１６ｂ及び１６ｃの取出導波路２０ａ，２０ｂ及び２０ｃのそれぞれに接続されている光導波路である。より詳細には、副光導波路２２は、方向性結合器ＨＫ１すなわち取出導波路２０ａに接続されるサブ副光導波路２２ａ、方向性結合器ＨＫ２すなわち取出導波路２０ｂに接続されるサブ副光導波路２２ｂ、及び方向性結合器ＨＫ３すなわち取出導波路２０ｃに接続されるサブ副光導波路２２ｃを備えている。
【００４９】
サブ副光導波路２２ａ，２２ｂ及び２２ｃは、取出導波路２０ａ，２０ｂ及び２０ｃに移行した変換光をそれぞれ伝播させ、後述する合流カプラ２４において、位相及び時間的タイミングを合わせて出力端２６から出力させる機能を有する。
【００５０】
そのために、副光導波路２２ａ，２２ｂ及び２２ｃの光路長は、それぞれ異なった長さに設計されている。すなわち、副光導波路２２ａ→２２ｂ→２２ｃの順に光路長が短くなるように設計されている。なお、副光導波路２２ａ，２２ｂ及び２２ｃの長さの設計方法については後述する。
【００５１】
合流カプラ２４は、従来周知の光合波器である。合流カプラ２４には、副光導波路２２ａ，２２ｂ及び２２ｃが接続されており、これらの副光導波路２２ａ，２２ｂ及び２２ｃを伝播する変換光が入力される。
【００５２】
合流カプラ２４では、副光導波路２２ａ，２２ｂ及び２２ｃのそれぞれを伝播してきた変換光が合波され、合流カプラ２４に光導波路を介して接続された出力端２６から出力される。
【００５３】
次に、基本光の波長が１．５５μｍ、及び変換光の波長が０．７７５μｍの場合について、波長変換素子１０の具体的な寸法を説明する。
【００５４】
この場合、ＱＰＭ構造１８の各ドメインの周期は、好ましくは、例えば約１８μｍとする。ＱＰＭ構造のドメインの周期をこの値とすることにより、擬似位相整合条件が満たされ、波長１．５５μｍの基本光は、波長０．７７５μｍの変換光へと変換される。
【００５５】
サブＱＰＭ構造１８ａ，１８ｂ及び１８ｃの光伝播方向に測った長さ（以下、単に「長さ」と称する。）は、それぞれ等しく、好ましくは、例えば約１ｃｍとする。サブＱＰＭ構造１８ａ，１８ｂ及び１８ｃの長さをこの値とすることにより、各サブＱＰＭ構造１８ａ，１８ｂ及び１８ｃ中において、基本光と変換光の光ピークの位置ズレを、実用上許容できる範囲に抑えることができる。
【００５６】
主光導波路１４の幅は、好ましくは、例えば約５μｍとする。また、主光導波路１４の深さ（基板１２の第１主面１２ａに垂直に測った長さ）は、好ましくは、例えば約５μｍとする。
【００５７】
変換光取出部１６ａ，１６ｂ及び１６ｃを構成する取出導波路２０ａ，２０ｂ及び２０ｃの幅は、好ましくは、例えば３〜４μｍとする。また、取出導波路２０ａ，２０ｂ及び２０ｃの深さは、好ましくは、例えば約５μｍとする。
【００５８】
また、取出導波路２０ａ，２０ｂ及び２０ｃの長さは、好ましくは、例えば約２ｍｍとする。また、取出導波路２０ａ，２０ｂ及び２０ｃに設けるグレーティングの周期は、好ましくは、例えば約２０μｍとする。取出導波路２０ａ，２０ｂ及び２０ｃの長さ及びグレーティングの周期をこれらの値とすることにより、主光導波路１４（１４１，１４２，及び１４３）を伝播する基本光及び変換光の混合光の中から、変換光のみを、取出導波路２０ａ，２０ｂ及び２０ｃにパワー移行させることができる。
【００５９】
サブ副光導波路２２ａ，２２ｂ及び２２ｃの幅及び深さは、取出導波路２０ａ，２０ｂ及び２０ｃと同様とする。なお、サブ副光導波路２２ａ，２２ｂ及び２２ｃの光路長については後述する。
【００６０】
（動作）
次に、図１を参照して、波長変換素子１０の動作について説明する。
【００６１】
入力端１４ａから主光導波路１４に入力された基本光は、サブＱＰＭ構造１８ａを伝播する過程で、一部が変換光に変換される。そして、基本光と変換光とはそれぞれの群速度で主光導波路１４を伝播する。
【００６２】
このようにして主光導波路１４を伝播する基本光と変換光とは、やがて取出領域Ｔ１に至る。取出領域Ｔ１には、主光導波路１４に沿って、変換光取出部１６ａとしての方向性結合器ＨＫ１が設けられている。この方向性結合器ＨＫ１の作用により、変換光は、取出導波路２０ａにパワーが移行する。その結果、取出導波路２０ａに移行した変換光は、サブ副光導波路２２ａを合流カプラ２４に向けて伝播する。
【００６３】
取出領域Ｔ１において主光導波路１４から変換光が取り出された結果、サブＱＰＭ構造１８ｂには、主光導波路１４を介して基本光のみが入力される。そして、基本光は、サブＱＰＭ構造１８ｂを伝播する過程で変換光を発生させながら、変換光とともに主光導波路１４を伝播していく。
【００６４】
主光導波路１４を伝播する基本光と変換光とはやがて取出領域Ｔ２に至る。そして、取出領域Ｔ２において、主光導波路１４に沿って設けられている変換光取出部１６ｂとしての方向性結合器ＨＫ２の作用により、変換光は、取出導波路２０ｂにパワーが移行する。その結果、取出導波路２０ｂに移行した変換光は、サブ副光導波路２２ｂを合流カプラ２４に向けて伝播する。
【００６５】
取出領域Ｔ２において主光導波路１４から変換光が取り出された結果、サブＱＰＭ構造１８ｃには、基本光のみが入力される。そして、基本光は、サブＱＰＭ構造１８ｃを伝播する過程で変換光を発生させながら、変換光とともに主光導波路１４を伝播していく。
【００６６】
主光導波路１４を伝播する基本光と変換光とはやがて取出領域Ｔ３に至る。そして、取出領域Ｔ３において、主光導波路１４に沿って設けられている変換光取出部１６ｃとしての方向性結合器ＨＫ３の作用により、変換光は、取出導波路２０ｃにパワーが移行する。その結果、取出導波路２０ｃに移行した変換光は、サブ副光導波路２２ｃを合流カプラ２４に向けて伝播する。
【００６７】
サブ副光導波路２２ａ，２２ｂ及び２２ｃは、後述するように、それぞれを伝播する変換光の位相及び時間的タイミングを一致させる光路長に設計されている。その結果、サブ副光導波路２２ａ，２２ｂ及び２２ｃを伝播する変換光は、やがて合流カプラ２４において合流し、出力端２６から出力される。
【００６８】
（副光導波路の設計条件）
次に、サブ副光導波路２２ａ，２２ｂ及び２２ｃの光路長の設計条件について説明する。
【００６９】
ここで、サブＱＰＭ構造１８ａ，１８ｂ及び１８ｃの長さの総和をＬとし、及びサブＱＰＭ構造１８ａ，１８ｂ及び１８ｃの段数をＮ（この実施の形態ではＮ＝３）とする。また、基本光の群速度をＶｇ１とし、及び変換光の群速度をＶｇ２とする。また、入力端１４ａ側から数えたサブＱＰＭ構造及びサブ副光導波路の番号をｊ（ただしｊは、１≦ｊ≦Ｎの整数）とする。さらに、ｊ段目のサブＱＰＭ構造で発生した変換光が合流カプラ２４まで伝播するのに要する時間をｔ（ｊ）とし、及びｊ段目のサブ副光導波路の光路長をＳ（ｊ）とする。
【００７０】
このとき、ｔ（ｊ）は、ｔ（ｊ）＝（ｊ×Ｌ／Ｎ）／Ｖｇ１＋Ｓ（ｊ）／Ｖｇ２で与えられる。
【００７１】
よって、ｔ（ｊ）をｊに依らないようにするためには、Ｓ（ｊ）＝（１−ｊ／Ｎ）（Ｖｇ１／Ｖｇ２）Ｌ＋Ｓｏとすればよいことがわかる。ここでＳｏは、最も長いサブ副光導波路（この実施例ではサブ副光導波路２２ａ）の光路長である。この結果から、サブ副光導波路の光路長は、ｊが若いほど長くすればよいことが分かる。
【００７２】
（効果）
この実施の形態の波長変換素子１０は、複数段のサブＱＰＭ構造１８ａ，１８ｂ及び１８ｃを有していて、各段で変換光を発生させる。そして、各サブＱＰＭ構造１８ａ，１８ｂ及び１８ｃで発生した変換光を位相及び時間的タイミングを一致させて出力端２６から出力させることができる。
【００７３】
その結果、従来型の波長変換素子に比べて、変換光の変換効率をサブＱＰＭ構造の段数分だけ増加させることができる。
【００７４】
また、この実施の形態の波長変換素子１０は、構造が簡単であり、従来周知の製造法を用いて製造することができる。
【００７５】
（実施の形態２）
図２を参照して、実施の形態２の波長変換素子について説明する。図２は、実施の形態２の波長変換素子３０の概略的な構造を示す斜視図である。なお、図２において、図１と同様の構成要素には同符号を付し、その説明を省略する。
【００７６】
（構造）
図２を参照すると、実施の形態２の波長変換素子３０は、ＱＰＭ構造１８が設けられた共通の基板１２に形成された主光導波路３２と、変換光取出部３４と、副光導波路３６とを備えている。
【００７７】
ここで、基板１２は、実施の形態１と同様に非線形光学結晶からなる矩形状の並行平板とする。ＱＰＭ構造１８も実施の形態１と同様の構成のサブＱＰＭ構造１８ａ，１８ｂ及び１８ｃとを備えている。ここで、サブＱＰＭ構造１８ａと１８ｂとで挟まれた基板１２の領域を取出領域Ｔ１と称し、サブＱＰＭ構造１８ｂと１８ｃとで挟まれた基板１２の領域を取出領域Ｔ２と称し、及びサブＱＰＭ構造１８ｃよりも光伝播方向下流の領域を取出領域Ｔ３と称する。
【００７８】
主光導波路３２は、サブＱＰＭ構造１８ａ，１８ｂ及び１８ｃごとに設けられた変換光取出部３４ａ，３４ｂ及び３４ｃとしての方向性結合器ＨＫ１，ＨＫ２及びＨＫ３を介して、複数のサブ主光導波路３２ａ，３２ｂ，３２ｃ及び３２ｄに分割されている。
【００７９】
サブ主光導波路３２ａには、入力端３２ｅが設けられており、この入力端３２ｅから基本光が入力される。サブ主光導波路３２ａは、サブＱＰＭ構造１８ａと取出領域Ｔ１とに跨って配置されている。より詳細には、サブ主光導波路３２ａは、サブＱＰＭ構造１８ａの各ドメインを垂直に横切って、取出領域Ｔ１にオーバーラップして延在している。
【００８０】
取出領域Ｔ１においては、サブ主光導波路３２ａは、後述するサブ主光導波路３２ｂとともに方向性結合器ＨＫ１を構成している。詳しくは後述するが、この方向性結合器ＨＫ１において、移行元サブ主光導波路としてのサブ主光導波路３２ａから、移行先サブ主光導波路としてのサブ主光導波路３２ｂに基本光が移行する。
【００８１】
そして、サブ主光導波路３２ａの入力端３２ｅとは反対側の端部には、サブ副光導波路３６ａが接続されている。
【００８２】
サブ主光導波路３２ｂは、取出領域Ｔ１及びＴ２とサブＱＰＭ構造１８ｂとに跨って配置されている。より詳細には、サブ主光導波路３２ｂは、取出領域Ｔ１において、サブ主光導波路３２ａとともに方向性結合器ＨＫ１を構成している。すなわち、取出領域Ｔ１において、サブ主光導波路３２ａと３２ｂとは、光結合可能な間隔を空けて互いに平行に配置されている。
【００８３】
そして、サブＱＰＭ構造１８ｂにおいて、サブ主光導波路３２ｂは、サブＱＰＭ構造１８ｂの各ドメインを垂直に横切って延在している。さらに、サブ主光導波路３２ｂは、取出領域Ｔ２にオーバーラップして延在している。
【００８４】
取出領域Ｔ２においては、サブ主光導波路３２ｂは、後述するサブ主光導波路３２ｃとともに方向性結合器ＨＫ２を構成している。詳しくは後述するが、この方向性結合器ＨＫ２において、移行元サブ主光導波路としてのサブ主光導波路３２ｂから、移行先サブ主光導波路としてのサブ主光導波路３２ｃに基本光が移行する。
【００８５】
そして、取出領域Ｔ２に存在するサブ主光導波路３２ｂの端部には、サブ副光導波路３６ｂが接続されている。
【００８６】
サブ主光導波路３２ｃは、取出領域Ｔ２及びＴ３とサブＱＰＭ構造１８ｃとに跨って配置されている。より詳細には、サブ主光導波路３２ｃは、取出領域Ｔ２において、サブ主光導波路３２ｂとともに方向性結合器ＨＫ２を構成している。すなわち、取出領域Ｔ２において、サブ主光導波路３２ｂと３２ｃとは、光結合可能な間隔を空けて互いに平行に配置されている。
【００８７】
そして、サブＱＰＭ構造１８ｃにおいて、サブ主光導波路３２ｃは、サブＱＰＭ構造１８ｃの各ドメインを垂直に横切って延在している。さらに、サブ主光導波路３２ｃは、取出領域Ｔ３にオーバーラップして延在している。
【００８８】
取出領域Ｔ３においては、サブ主光導波路３２ｃは、後述するサブ主光導波路３２ｄとともに方向性結合器ＨＫ３を構成している。詳しくは後述するが、この方向性結合器ＨＫ３において、移行元サブ主光導波路としてのサブ主光導波路３２ｃから、移行先サブ主光導波路としてのサブ主光導波路３２ｄに基本光が移行する。
【００８９】
そして、取出領域Ｔ３に存在するサブ主光導波路３２ｃの端部には、サブ副光導波路３６ｃが接続されている。
【００９０】
サブ主光導波路３２ｄは、取出領域Ｔ３に配置されている。より詳細には、サブ主光導波路３２ｄは、取出領域Ｔ３において、サブ主光導波路３２ｃとともに方向性結合器ＨＫ３を構成している。
【００９１】
すなわち、取出領域Ｔ３において、サブ主光導波路３２ｃと３２ｄとは、光結合可能な間隔を空けて互いに平行に配置されている。
【００９２】
変換光取出部３４は、実施の形態１の場合と同様に、サブＱＰＭ構造１８ａ，１８ｂ及び１８ｃのそれぞれに対応して、３個設けられている。これらの３個の変換光取出部を、それぞれ３４ａ，３４ｂ及び３４ｃとそれぞれ称する。
【００９３】
変換光取出部３４ａは、取出領域Ｔ１において主光導波路３２に沿って設けられている。変換光取出部３４ａはサブＱＰＭ構造１８ａにおいて発生した変換光のみを取り出す作用を有する。
【００９４】
より詳細には、変換光取出部３４ａは、取出領域Ｔ１において、サブ主光導波路３２ａ及びこのサブ主光導波路３２ａとの間に間隔を空けて平行に配置されているサブ主光導波路３２ｂとからなる方向性結合器ＨＫ１として構成されている。
【００９５】
この方向性結合器ＨＫ１は、サブ主光導波路３２ａを伝播する基本光及び変換光のうち、基本光のみをサブ主光導波路３２ｂにパワー移行させるように形成されている。その結果、サブ主光導波路３２ａを伝播する変換光は、サブ主光導波路３２ａを直進し、後述するサブ副光導波路３６ａへと結合される。
【００９６】
変換光取出部３４ｂは、取出領域Ｔ２において主光導波路３２に沿って設けられている。変換光取出部３４ｂはサブＱＰＭ構造１８ｂにおいて発生した変換光のみを取り出す作用を有する。
【００９７】
より詳細には、変換光取出部３４ｂは、取出領域Ｔ２において、サブ主光導波路３２ｂ及びこのサブ主光導波路３２ｂとの間に間隔を空けて平行に配置されているサブ主光導波路３２ｃとからなる方向性結合器ＨＫ２として構成されている。
【００９８】
この方向性結合器ＨＫ２は、サブ主光導波路３２ｂを伝播する基本光及び変換光のうち、基本光のみをサブ主光導波路３２ｃにパワー移行させるように形成されている。その結果、サブ主光導波路３２ｂを伝播する変換光は、サブ主光導波路３２ｂを直進し、後述するサブ副光導波路３６ｂへと結合される。
【００９９】
変換光取出部３４ｃは、取出領域Ｔ３において主光導波路３２に沿って設けられている。変換光取出部３４ｃはサブＱＰＭ構造１８ｃにおいて発生した変換光のみを取り出す作用を有する。
【０１００】
より詳細には、変換光取出部３４ｃは、取出領域Ｔ３において、サブ主光導波路３２ｃ及びこのサブ主光導波路３２ｃとの間に間隔を空けて平行に配置されているサブ主光導波路３２ｄとからなる方向性結合器ＨＫ３として構成されている。
【０１０１】
この方向性結合器ＨＫ３は、サブ主光導波路３２ｃを伝播する基本光及び変換光のうち、基本光のみをサブ主光導波路３２ｄにパワー移行させるように形成されている。その結果、サブ主光導波路３２ｃを伝播する変換光は、サブ主光導波路３２ｃを直進し、後述するサブ副光導波路３６ｃへと結合される。
【０１０２】
副光導波路３６は、サブ主光導波路３２ａ，３２ｂ及び３２ｃのそれぞれに接続されている光導波路である。より詳細には、副光導波路３６は、方向性結合器ＨＫ１すなわちサブ主光導波路３２ａに接続されるサブ副光導波路３６ａ、方向性結合器ＨＫ２すなわちサブ主光導波路３２ｂに接続されるサブ副光導波路３６ｂ、及び方向性結合器ＨＫ３すなわちサブ主光導波路３２ｃに接続されるサブ副光導波路３６ｃを備えている。
【０１０３】
サブ副光導波路３６ａ，３６ｂ及び３６ｃは、サブ主光導波路３２ａ，３２ｂ及び３２ｃのそれぞれから結合された変換光をそれぞれ伝播させ、後述する合流カプラ２４において、位相及び時間的タイミングを合わせて出力端２６から出力させる機能を有する。
【０１０４】
そのために、サブ副光導波路３６ａ，３６ｂ及び３６ｃの光路長は、それぞれ異なった長さに設計されている。すなわち、サブ副光導波路３６ａ→３６ｂ→３６ｃの順に光路長が短くなるように設計されている。なお、サブ副光導波路３６ａ，３６ｂ及び３６ｃの光路長の設計方法は、実施の形態１の場合と同様である。
【０１０５】
合流カプラ２４は、実施の形態１で説明したと同様に構成されている。
【０１０６】
（動作）
次に、図２を参照して、波長変換素子３０の動作について説明する。
【０１０７】
入力端３２ｅからサブ主光導波路３２ａに入力された基本光は、サブＱＰＭ構造１８ａを伝播する過程で、一部が変換光に変換される。そして、基本光と変換光とはそれぞれの群速度でサブ主光導波路３２ａを伝播する。
【０１０８】
このようにしてサブ主光導波路３２ａを伝播する基本光と変換光とは、やがて取出領域Ｔ１に至る。取出領域Ｔ１には、変換光取出部３４ａとしての方向性結合器ＨＫ１が設けられている。この方向性結合器ＨＫ１の作用により、基本光は、サブ主光導波路３２ｂにパワーが移行する。その結果、変換光は、サブ主光導波路３２ａに接続されたサブ副光導波路３６ａを合流カプラ２４に向けて伝播する。
【０１０９】
取出領域Ｔ１においてサブ主光導波路３２ａから変換光が取り出された結果、サブＱＰＭ構造１８ｂには、サブ主光導波路３２ｂを介して基本光のみが入力される。そして、基本光は、サブＱＰＭ構造１８ｂを伝播する過程で変換光を発生させながら、変換光とともにサブ主光導波路３２ｂを伝播していく。
【０１１０】
サブ主光導波路３２ｂを伝播する基本光と変換光とはやがて取出領域Ｔ２に至る。そして、取出領域Ｔ２には、変換光取出部３４ｂとしての方向性結合器ＨＫ２が設けられている。この方向性結合器ＨＫ２の作用により、基本光は、サブ主光導波路３２ｃにパワーが移行する。その結果、変換光は、サブ主光導波路３２ｂに接続されたサブ副光導波路３６ｂを合流カプラ２４に向けて伝播する。
【０１１１】
取出領域Ｔ２においてサブ主光導波路３２ｂから変換光が取り出された結果、サブＱＰＭ構造１８ｃには、サブ主光導波路３２ｃを介して基本光のみが入力される。そして、基本光は、サブＱＰＭ構造１８ｃを伝播する過程で変換光を発生させながら、変換光とともにサブ主光導波路３２ｃを伝播していく。
【０１１２】
サブ主光導波路３２ｃを伝播する基本光と変換光とはやがて取出領域Ｔ３に至る。そして、取出領域Ｔ３には、変換光取出部３４ｃとしての方向性結合器ＨＫ３が設けられている。この方向性結合器ＨＫ３の作用により、基本光は、サブ主光導波路３２ｄにパワーが移行する。その結果、変換光は、サブ主光導波路３２ｃに接続されたサブ副光導波路３６ｃを合流カプラ２４に向けて伝播する。
【０１１３】
サブ副光導波路３６ａ，３６ｂ及び３６ｃは、後述するように、それぞれを伝播する変換光の位相及び時間的タイミングを一致させる光路長に設計されている。その結果、サブ副光導波路３６ａ，３６ｂ及び３６ｃを伝播する変換光は、やがて合流カプラ２４において合流し、出力端２６から出力される。
【０１１４】
（効果）
この実施の形態の波長変換素子３０は、複数段のサブＱＰＭ構造１８ａ，１８ｂ及び１８ｃを有していて、各段で変換光を発生させる。そして、各サブＱＰＭ構造１８ａ，１８ｂ及び１８ｃで発生した変換光を位相及び時間的タイミングを一致させて出力端２６から出力させることができる。
【０１１５】
その結果、従来型の波長変換素子に比べて、変換光の変換効率をサブＱＰＭ構造の段数分だけ増加させることができる。
【０１１６】
また、この実施の形態の波長変換素子３０は、構造が簡単であり、従来周知の製造法を用いて製造することができる。
【０１１７】
（実施の形態３）
図３を参照して、実施の形態３の波長変換素子について説明する。図３は、実施の形態３の波長変換素子４０の概略的な構造を示す斜視図である。なお、図３において、図１と同様の構成要素には同符号を付し、その説明を省略する。
【０１１８】
（構造）
図３を参照すると、実施の形態３の波長変換素子４０は、ＱＰＭ構造４２が設けられた共通の基板１２に形成された主光導波路１４と、変換光取出部４４と、副光導波路４６とを備えている。
【０１１９】
ここで、基板１２は、実施の形態１と同様に非線形光学結晶からなる矩形状の平行平板とする。
【０１２０】
ＱＰＭ構造４２は、実施の形態１及び２とは異なり、サブＱＰＭ構造には分割されておらず、一個の構造体として形成されている。また、ＱＰＭ構造４２は、主光導波路１４における基本光の伝播方向に対してドメインの延在方向を傾斜させて配置されている。
【０１２１】
これは、主光導波路１４で発生する変換光を、副光導波路４６に結合させるためである。なお、この点については後述する。つまり、この実施の形態においては、ＱＰＭ構造４２が変換光取出部４４を兼ねた構成となっている。
【０１２２】
ここで、ＱＰＭ構造４２のドメインの傾斜角をΘとする。より詳細には、Θは、基板１２の第１主面１２ａ内において、主光導波路１４を伝播する光の伝播方向に直交する方向と、ドメインの延在方向とのなす角度とする。
【０１２３】
主光導波路１４は、入力端１４ａを有していて、ＱＰＭ構造４２を構成する各ドメインを横切るように延在しており、基本光を伝播させることにより前記変換光を発生する。上述したように、主光導波路１４は、ＱＰＭ構造４２の各ドメインを斜めに横切るように延在している。
【０１２４】
副光導波路４６は、主光導波路１４を含む領域に延在する平面型光導波路として構成されている。より詳細には、副光導波路４６は、基板１２の第１主面１２ａ側に形成された平面形状が略矩形状の平面型導波路である。副光導波路４６は、ＱＰＭ構造４２と、このＱＰＭ構造４２を横切る主光導波路１４とを含むように配置されている。
【０１２５】
また、矩形状の副光導波路４６において、変換光の光伝播方向（図中矢印Ｂ）前方に位置する角部付近には、集光手段としての導波路レンズ４８が設けられている。この導波路レンズ４８は凸型レンズであり、レンズの光軸が変換光の伝播方向と平行になるように配置されている。
【０１２６】
そして、この導波路レンズ４８の焦点位置には、変換光を取り出す光導波路４９が設けられており、この光導波路の先端に出力端５０が設けられている。
【０１２７】
変換光取出部４４は、上述のように、ＱＰＭ構造４２を兼ねた構成とされている。すなわち、変換光取出部４４は、ＱＰＭ構造４２のドメインの配列を、波長変換だけではなく、変換光を取り出すための回折格子として利用している。
【０１２８】
上述のようにＱＰＭ構造４２のドメインの周期を後述する所定値とし、及び各ドメインの傾斜角をΘとすることにより、主光導波路１４を伝播する基本光と変換光との中から、変換光のみを斜めに取り出して、副光導波路４６に結合させることができる。
【０１２９】
次に、基本光の波長が１．５５μｍ、及び変換光の波長が０．７７５μｍの場合について、波長変換素子４０の具体的な寸法を説明する。
【０１３０】
この場合、ＱＰＭ構造４２の、主光導波路１４に沿って測った各ドメインの周期は、好ましくは、例えば約５．５μｍとする。ＱＰＭ構造４２のドメインの周期をこの値とすることにより、擬似位相整合条件が満たされ、波長１．５５μｍの基本光は、波長０．７７５μｍの変換光へと変換される。
【０１３１】
また、ＱＰＭ構造４２の傾斜角Θは、好ましくは、例えば約１６°とする。傾斜角Θをこの値とすることにより、ＱＰＭ条件を満たしつつ、変換光を主光導波路１４から副光導波路４６へと取り出すことができる。
【０１３２】
主光導波路１４の幅は、好ましくは、例えば約５μｍとする。また、主光導波路１４の深さ（基板１２の第１主面１２ａに垂直に測った長さ）は、好ましくは、例えば約５μｍとする。また、主光導波路１４の屈折率は、好ましくは、例えば約２．２５とする。
【０１３３】
副光導波路４６の厚みは、好ましくは、例えば約５μｍとする。また、副光導波路４６の屈折率は、好ましくは、例えば約２．２とする。
【０１３４】
（動作）
次に、図３を参照して、波長変換素子４０の動作について説明する。
【０１３５】
入力端１４ａから主光導波路１４に入力された基本光は、ＱＰＭ構造４２を伝播する過程で、一部が変換光に変換される。主光導波路１４中で発生した変換光は、変換光取出部４４としての傾斜したＱＰＭ構造４２がなす回折格子の作用により、発生した順番に次々と主光導波路１４から取り出されて、副光導波路４６へと結合される。
【０１３６】
なお、主光導波路１４から副光導波路４６へと結合される変換光の出射角は、変換光の取り出し位置によらず一定の値（Θ）である。つまり、副光導波路４６を伝播する変換光は平行光線となる。
【０１３７】
その結果、副光導波路４６を伝播する変換光は、平行光線として、伝播方向（矢印Ｂ）に伝播する。そして、副光導波路４６を伝播する変換光は、位相と時間的なタイミングを合わせて、集光手段としての導波路レンズ４８に至る。
【０１３８】
導波路レンズ４８に至った変換光は、導波路レンズ４８により集光されて、出力端５０から出力される。
【０１３９】
（ＱＰＭ構造の設計）
次に、変換光取出部４４を兼ねるＱＰＭ構造４２の設計条件について説明する。
【０１４０】
ＱＰＭ構造４２の主光導波路１４に沿ったドメインの周期をΛとし、ｋｓを、副光導波路４６中を伝播する変換光の波数とし、及び、ｋｃを、主光導波路１４中を伝播する基本光の波数とする。
【０１４１】
このとき、変換光を副光導波路４６に結合するためには、変換光の波数と、基本光の波数と、ＱＰＭ構造４２の格子周期の間には、従来周知のｋｓｃｏｓΘ＝２ｋｃ＋２π／Λなる関係が成り立つ必要がある。
【０１４２】
さらに、傾斜角Θに関しては、副光導波路４６を伝播する変換光が、集光手段である導波路レンズ４８に位相を揃え、かつ同時に入射するように設計する必要がある。
【０１４３】
ここで、波長変換素子４０に入射した光が、波長変換されて変換光になり、出力端５０から出射されるのに要する時間、つまり主光導波路１４を伝播する時間と、副光導波路４６を伝播する時間との和時間をｔ（ｚ）とする。
【０１４４】
このとき、ｔ（ｚ）は、ｔ（ｚ）＝ｚ／Ｖｇ１＋Ｓ（ｚ）／Ｖｇ２で与えられる。ここで、ｚは、波長変換素子４０に入射した光が基本光として主光導波路１４を伝播する光路長を表わす。また、Ｓ（ｚ）は、主光導波路１４をｚだけ伝播した光が、変換光に変換された後に副光導波路４６を伝播する光路長を表わす。また、Ｖｇ１及びＶｇ２は、実施の形態１の場合と同様に、それぞれ基本光及び変換光の群速度を示す。
【０１４５】
ここで、Ｓ（０）を変換光の最長光路長、つまり、主光導波路１４に入った瞬間に波長変換された変換光の副光導波路４６中の光路長とする。このとき、Ｓ（ｚ）は、Ｓ（０）を用いて幾何的に、Ｓ（ｚ）＝Ｓ（０）−ｚｃｏｓΘと表わすことができる。
【０１４６】
よって、上述の式ｔ（ｚ）＝ｚ／Ｖｇ１＋Ｓ（ｚ）／Ｖｇ２は、ｔ（ｚ）＝ｚ／Ｖｇ１＋（Ｓ（０）−ｚｃｏｓΘ）／Ｖｇ２と変形することができる。この変形式において、ｔ（ｚ）をｚに依存しないようにするためには、１／Ｖｇ１＝ｃｏｓΘ／Ｖｇ２とすればよいことがわかる。
【０１４７】
すなわち、この式から、傾斜角ΘをｃｏｓΘ＝Ｖｇ２／Ｖｇ１とすればよいことが分かる。換言すれば、傾斜角Θの余弦を（「変換光の副光導波路４６中での群速度」／「基本光の主光導波路１４での群速度」）と等しくすればよいことがわかる。
【０１４８】
このようにして、傾斜角Θを決定することができるので、上述のｋｓｃｏｓΘ＝２ｋｃ＋２π／Λを用いてＱＰＭ構造４２のドメインの周期Λを求めることができる。
【０１４９】
（効果）
この実施の形態の波長変換素子４０は、変換光取出部４４としてドメインが傾斜した回折格子として機能するＱＰＭ構造４２を有している。その結果、主光導波路１４で発生した変換光は、変換光取出部４４としてのＱＰＭ構造４２の回折格子により回折されて副光導波路４６に結合される。
【０１５０】
そして、副光導波路４６に結合された変換光は、集光手段としての導波路レンズ４８により、位相及び時間的タイミングを一致させて出力端５０から出力される。
【０１５１】
その結果、従来型の波長変換素子に比べて、変換光と基本光とのピーク位置のズレを抑えることができ、変換光の変換効率を増加させることができる。
【０１５２】
また、この実施の形態の波長変換素子４０は、構造が簡単であり、従来周知の製造法を用いて製造することができる。
【０１５３】
（変形例）
（１）この実施の形態においては、集光手段を凸型の導波路レンズ４８で構成した場合について説明した。しかし、集光手段は導波路レンズ４８には限定されない。例えば、図４（Ａ）に示すように、光軸が変換光の伝播方向と平行に配置されたグレーティング５２を副光導波路４６中に設け、このグレーティング５２を集光手段としてもよい。
【０１５４】
（２）また、集光手段は、図４（Ｂ）に示すように、光軸が変換光の伝播方向と平行に配置された導波路アレイ５４を副光導波路４６中に設け、この導波路アレイ５４を集光手段としてもよい。
【０１５５】
（実施の形態４）
図５を参照して、実施の形態４の波長変換素子について説明する。図５は、波長変換素子６０の構造を概略的に示す斜視図である。
【０１５６】
波長変換素子６０は、実施の形態３の波長変換素子４０と以下の２点で異なっている以外は、同様に構成されている。
【０１５７】
（１）ＱＰＭ構造６２の各ドメインの周期が、基本光の進行方向前方に向かうにしたがって狭くなっている。
【０１５８】
（２）導波路レンズ４８が設けられていない。
【０１５９】
従って、図５において、図３と同様の構成要素には同符号を付し、その説明を省略する。また、以下の波長変換素子６０に関する説明では、主に、波長変換素子４０との相違点について説明する。
【０１６０】
（構造）
図５を参照すると、実施の形態４の波長変換素子６０は、ＱＰＭ構造６２が設けられた共通の基板１２に形成された主光導波路１４と、変換光取出部６４と、副光導波路４６とを備えている。
【０１６１】
ここで、基板１２，主光導波路１４及び副光導波路４６は、実施の形態３の波長変換素子４０と同様に構成されている。
【０１６２】
ＱＰＭ構造６２は、実施の形態３と同様に各ドメインが傾斜角Θだけ傾いて配置されている。これにより、実施の形態３の場合と同様に、ＱＰＭ構造６２は、主光導波路１４で発生した変換光を副光導波路４６に結合することが可能となる。つまり、この実施の形態においても、ＱＰＭ構造６２は、変換光取出部６４を兼ねた構成となっている。
【０１６３】
ただ、上述したように、ＱＰＭ構造６２は、主光導波路１４における基本光の伝播方向前方に向かうにしたがって、ドメインの周期が狭くなるように構成されている。
【０１６４】
詳しくは後述するが、このようにドメインの周期を徐々に短くしていくことにより、主光導波路１４から副光導波路４６へと結合される変換光の出射角度を変化させている。より詳細には、図５に示したように、変換光の出射角は、入射端１４ａに近い位置のα１から、出射端１４ａの遠い位置のα２（＞α１）へと、主光導波路１４における基本光の伝播方向前方に向かうにしたがって徐々に大きく（立つ）なっていく。
【０１６５】
その結果、波長変換素子６０は、導波路レンズ４８等の集光手段が無くとも、変換光を出力端５０に集光することができる。換言すれば、この実施の形態の波長変換素子６０においては、ＱＰＭ構造６２は、変換光取出部６４及び集光手段の両者を兼ねた構成となっていると言うこともできる。
【０１６６】
（動作）
次に、図５を参照して、波長変換素子６０の動作について説明する。
【０１６７】
入力端１４ａから主光導波路１４に入力された基本光は、ＱＰＭ構造６２を伝播する過程で、一部が変換光に変換される。主光導波路１４中で発生した変換光は、変換光取出部６４としての傾斜したＱＰＭ構造４２がなす回折格子の作用により、発生した順番に次々と主光導波路１４から取り出されて、副光導波路４６へと結合される。
【０１６８】
なお、主光導波路１４から副光導波路４６へと結合される変換光の出射角度は、ＱＰＭ構造６２のドメインの周期が変化していることに対応して、主光導波路１４からの変換光の取り出し位置により変化する。
【０１６９】
より詳細には、変換光の出射角度は、入射端１４ａに近い位置のα１から、出射端１４ａの遠い位置のα２（＞α１）へと、主光導波路１４における基本光の伝播方向前方に向かうにしたがって徐々に大きく（立つ）なっていく。
【０１７０】
その結果、副光導波路４６を伝播する変換光は、それぞれが出力端５０に向かって伝播し、出力端５０から、位相と時間的なタイミングを合わせて出力される。
【０１７１】
（ＱＰＭ構造の設計）
次に、変換光取出部６４と集光手段とを兼ねるＱＰＭ構造６２の設計条件について説明する。
【０１７２】
まず、実施の形態３で説明したｋｓｃｏｓΘ＝２ｋｃ＋２π／Λの関係から、波長変換素子６０のＱＰＭ構造６２において、ドメインの周期Λは、基本光の主光導波路１４の伝播距離に応じて短くすればよいことがわかる。
【０１７３】
より詳細には、図５に示すように、主光導波路１４と出力端５０との間の距離（基板１２の第１主面１２ａ内において、主光導波路１４の入力端１４ａとは反対側の端部と、出力端５０との間の基本光の伝播方向に垂直に測った距離）をｙとする。
【０１７４】
このとき、波長変換素子６０に入射した光が、波長変換されて変換光になり、出力端５０から出射されるのに要する時間、つまり主光導波路１４を伝播する時間と、副光導波路４６を伝播する時間との和時間をｔ（ｚ）とする。
【０１７５】
すると、ｔ（ｚ）は、ｔ（ｚ）＝ｚ／Ｖｇ１＋｛（Ｌ−ｚ）２＋ｙ２｝０．５／Ｖｇ２と表わすことができる。ここで、Ｌは、ＱＰＭ構造６２の基本光の光伝播方向に測った全長である。
【０１７６】
ここで、Ｌ≫ｚと近似すると、上の式は、ｔ（ｚ）≒ｚ／Ｖｇ１−ｚ／｛１＋（ｙ／Ｌ）２｝０．５／Ｖｇ２＋ｔ（０）と変形できる。ここで、ｔ（０）は、ｚ＝０の場合、すなわち、主光導波路１４に入力された基本光が、直ちに変換光に変換された場合における、ｔ（ｚ）を表わす。
【０１７７】
この式をさらに変形することにより、ｚによらずｔ（ｚ）を一定とする条件として、次の式Ｖｇ１／Ｖｇ２＝｛１＋（ｙ／Ｌ）２｝０．５が得られる。この条件を満足するようにＱＰＭ構造６２を設計することにより、変換光を同時に出力端５０に到達させることができる。
【０１７８】
ところで、変換光の波長が基本光の波長よりも短い場合には、一般にＶｇ２＜Ｖｇ１が成り立つので、Ｖｇ１／Ｖｇ２＝｛１＋（ｙ／Ｌ）２｝０．５を成立させるＬ及びｙは必ず存在する。
【０１７９】
（効果）
この実施の形態の波長変換素子６０は、変換光取出部６４としてドメインが傾斜した回折格子として機能するＱＰＭ構造６２を有している。その結果、主光導波路１４で発生した変換光は、変換光取出部６４としてのＱＰＭ構造６２の回折格子により回折されて副光導波路４６に結合される。
【０１８０】
さらに、この実施の形態の波長変換素子６０においては、ＱＰＭ構造６２のドメインの周期が基本光の伝播方向前方に向かって徐々に狭くなっている。その結果、副光導波路４６に結合された変換光は、主光導波路１４から副光導波路４６へと結合された位置により、それぞれ異なる出射角で副光導波路へと結合される。よって、波長変換素子６０においては、集光手段を設けることなく、変換光を位相及び時間的タイミングを一致させて出力端５０から出力することができる。
【０１８１】
その結果、従来型の波長変換素子に比べて、変換光と基本光とのピーク位置のズレを抑えることができ、変換光の変換効率を増加させることができる。
【０１８２】
また、この実施の形態の波長変換素子６０は、構造が簡単であり、従来周知の製造法を用いて製造することができる。
【０１８３】
（実施の形態５）
図６を参照して、実施の形態５の波長変換素子について説明する。図６は、波長変換素子７０の構造を概略的に示す斜視図である。
【０１８４】
波長変換素子７０は、実施の形態３の波長変換素子４０と以下の２点で異なっている以外は、同様に構成されている。
【０１８５】
（１）変換光の波長が基本光の波長よりも長い。
【０１８６】
（２）導波路レンズが、主光導波路１４の延在方向に対して垂直に配置されている。
【０１８７】
従って、図６において、図３と同様の構成要素には同符号を付し、その説明を省略する。また、以下の波長変換素子７０に関する説明では、主に、波長変換素子４０との相違点について説明する。
【０１８８】
（構造）
図６を参照すると、実施の形態５の波長変換素子７０は、ＱＰＭ構造４２が設けられた共通の基板１２に形成された主光導波路１４と、変換光取出部４４と、副光導波路４６とを備えている。
【０１８９】
ここで、基板１２，主光導波路１４，変換光取出部４４及び副光導波路４６は、実施の形態３の波長変換素子４０と同様に構成されている。
【０１９０】
この実施の形態の波長変換素子７０では、集光手段としての導波路レンズ７２が、主光導波路１４の延在方向、すなわち基本光の伝播方向に対して垂直に配置されている。これは、実施の形態３の波長変換素子４０において、導波路レンズ４８が、変換光の伝播方向に対して垂直に配置されていたことと対照的である。
【０１９１】
この実施の形態の波長変換素子７０で、導波路レンズ７２をこのように配置した理由は、変換光の波長が基本光の波長よりも長く、従って、変換光の群速度が基本光の群速度よりも速いためである。
【０１９２】
より詳細には、図６を参照すると、入力端１４ａ付近で基本光から波長変換され、副光導波路４６を変換光として伝播する光Ａと、点Ｐ付近で基本光から波長変換され、副光導波路４６を変換光として伝播する光Ｂとを比較した場合、光Ａの方が、光Ｂよりも単位時間当たりの伝播距離が長くなる。
【０１９３】
この効果を補正するために、導波路レンズ７２を基本光の伝播方向に対して垂直に配置している。
【０１９４】
（ＱＰＭ構造４２の設計）
変換光を副光導波路４６に結合するためには、変換光の波数と、基本光の波数と、ＱＰＭ構造４２の格子周期の間には、実施の形態３で既に説明したｋｓｃｏｓΘ＝２ｋｃ＋２π／Λなる関係が成り立つ必要がある。
【０１９５】
さらに、傾斜角Θに関しては、副光導波路４６を伝播する変換光が、集光手段である導波路レンズ７２に位相を揃え、かつ同時に入射するように設計する必要がある。
【０１９６】
ここで、波長変換素子７０に入射した光が、波長変換されて変換光になり、出力端５０から出射されるのに要する時間、つまり主光導波路１４を伝播する時間と、副光導波路４６を伝播する時間との和時間をｔ（ｚ）とする。
【０１９７】
このとき、ｔ（ｚ）は、ｔ（ｚ）＝ｚ／Ｖｇ１＋Ｓ（ｚ）／Ｖｇ２で与えられる。ここで、ｚは、波長変換素子７０に入射した光が基本光として主光導波路１４を伝播する光路長を表わす。また、Ｓ（ｚ）は、主光導波路１４をｚだけ伝播した光が、変換光に変換された後に副光導波路４６を伝播する光路長を表わす。また、Ｖｇ１及びＶｇ２は、実施の形態１の場合と同様に、それぞれ基本光及び変換光の群速度を示す。
【０１９８】
ここで、Ｓ（０）を変換光の最長光路長、つまり、主光導波路１４に入った瞬間に波長変換された変換光の副光導波路４６中の光路長とする。このとき、Ｓ（ｚ）は、Ｓ（０）を用いて幾何的に、Ｓ（ｚ）＝Ｓ（０）−ｚ／ｃｏｓΘと表わすことができる。
【０１９９】
よって、上述の式ｔ（ｚ）＝ｚ／Ｖｇ１＋Ｓ（ｚ）／Ｖｇ２は、ｔ（ｚ）＝ｚ／Ｖｇ１＋（Ｓ（０）−ｚ／ｃｏｓΘ）／Ｖｇ２と変形することができる。この変形式において、ｔ（ｚ）をｚに依存しないようにするためには、１／Ｖｇ１＝ｃｏｓΘ×Ｖｇ２とすればよいことがわかる。
【０２００】
すなわち、この式から、傾斜角ΘをｃｏｓΘ＝Ｖｇ１／Ｖｇ２とすればよいことが分かる。換言すれば、傾斜角Θの余弦を（「基本光の主光導波路１４での群速度」／「変換光の副光導波路４６中での群速度」）と等しくすればよいことがわかる。
【０２０１】
このようにして、傾斜角Θを決定することができるので、上述のｋｓｃｏｓΘ＝２ｋｃ＋２π／Λを用いてＱＰＭ構造４２のドメインの周期Λを求めることができる。
【０２０２】
（効果）
この実施の形態の波長変換素子７０は、変換光取出部４４としてドメインが傾斜した回折格子として機能するＱＰＭ構造４２を有している。その結果、主光導波路１４で発生した変換光は、変換光取出部４４としてのＱＰＭ構造４２の回折格子により回折されて副光導波路４６に結合される。
【０２０３】
そして、副光導波路４６に結合された変換光は、集光手段としての導波路レンズ７２により、位相及び時間的タイミングを一致させて出力端５０から出力される。
【０２０４】
その結果、従来型の波長変換素子に比べて、変換光と基本光とのピーク位置のズレを抑えることができ、変換光の変換効率を増加させることができる。
【０２０５】
また、この実施の形態の波長変換素子７０は、構造が簡単であり、従来周知の製造法を用いて製造することができる。
【０２０６】
（変形例）
この実施の形態の波長変換素子７０では集光手段として導波路レンズ７２を用いた場合について説明した。しかし集光手段は、導波路レンズに限定されず、例えば、グレーティングレンズや導波路アレイを用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【０２０７】
【図１】実施の形態１の波長変換素子の概略的な構造を示す斜視図である。
【図２】実施の形態２の波長変換素子の概略的な構造を示す斜視図である。
【図３】実施の形態３の波長変換素子の概略的な構造を示す斜視図である。
【図４】実施の形態３の波長変換素子の変形例の説明に供する模式図である。
【図５】実施の形態４の波長変換素子の構造を概略的に示す斜視図である。
【図６】実施の形態５の波長変換素子の構造を概略的に示す斜視図である。
【符号の説明】
【０２０８】
１０，３０，４０，６０，７０  波長変換素子
１２  基板
１２ａ  第１主面
１４  主光導波路
１４ａ，３２ｅ  入力端
１６，１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，３４，３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，４４，６４  変換光取出部
１８，４２，６２  ＱＰＭ構造
１８ａ，１８ｂ，１８ｃ  サブＱＰＭ構造
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ  取出導波路
２２，３６，４６  副光導波路
２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，３６ａ，３６ｂ，３６ｃ  サブ副光導波路
２４  合流カプラ
２６，５０  出力端
３２  主光導波路
３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ  サブ主光導波路
４８，７２  導波路レンズ
５２  グレーティング
５４  導波路アレイ
Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３  取出領域
ＨＫ１，ＨＫ２，ＨＫ３  方向性結合器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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