With the immense growth of the data traffic in the so-called information era over this decade,　the optical time division multiplexing （OTDM） has become one of the increasingly important fundamental techniques to increase the transmission capacity on a fiber. At the receiver side the base rate data signals must be extracted from the OTDM data stream by using an optical switch with a demultiplexing function. Different approaches have been proposed and used for optical switching. The possible approaches can be categorized as follows: electro-optical demultiplexer and all-optical demultiplexer. The electro-optical demultiplexers rely on the electrical control of the switching function. With increasing base rates, signal processing such as routing, restoration and format conversion becomes increasingly difficult using electronics. To overcome this so-called electronic bottleneck, the all-optical solutions are required to fulfill a fast data processing all in the optical domain. Some of the basic requirements for such an all-optical switch can be defined as follows: The switching time should be much less than the bit period of the OTDM data signal; it has to have high switching contrast of more than 10 dB; it should be stable to provide a good system performance.

This thesis presents the fabrication of workable monolithically integrated all-optical interferometric switches in the Mach-Zehnder Interferometer （MZI） and the Michelson Iterferometer （MI） configurations. The devices are realized in passive-active InGaAsP/InP planar waveguide technology with semiconductor optical amplifiers （SOA） as nonlinear elements in the interferometer arms. The operation principle of an all-optical SOA based switch relies on the control of light by another light through optically induced refractive index changes. By placing the SOA in an interferometric geometry, the consequent phase changes can be exploited to switch a signal from one output port to the other and back again in enormous speed of picosecond order. This all-optical interferometric switch therefore, gives the functionality to shunt or to modulate an optical signal by another optical control signal

The MZI switch in this thesis operates all-optically and can handle data rates up to 160Gbit/s. It has a high contrast ratio and the monolithic integration provides the required stability. Functional components were also monolithically integrated to the MZI switch for higher functionalities and performance. These were the phase shifters and the pre-amplifiers. Considering their different operating requirements, 4 different bandagap energy were used to integrate these components. The integration of all these 4 bandagp-energy was achieved through only one step of epitaxial growth. The integrated phase shifter utilizes the band-filling effect to achieve phase biasing functionality through the Kramar-Kronig's relation. Using the phase shifter, the switching extinction ratio can be enhanced by 5dB without significant additional absorption loss （<1 dB）. The integrated pre-amplifier was designed to provide linear amplification to the input control signal with less amplified spontaneous emission （ASE） noise. Using the pre-amplifier, the switching power can be reduced by 10dB. The works presented in this thesis represents the first 4-bandgap-energy integration in a monolithically integrated MZI switch and its dynamics results are the first all-optical signal processing applications obtained using such devices.

In MI switch, 80Gbit/s demultiplexing operation has been successfully demonstrated. This was the first 80Gbit/s demultiplexing ever achieved with an MI switch fabricated through any kinds of integration schemes. We proposed a co-propagation scheme in which the switching window is tuned to gate one OTDM channel when both control and data signal travel in the same direction. With this scheme, ultra fast switching as high as 160Gbit/s, which is not limited by the data signal traveling time or SOA length can be expected to realized in an MI switch.

The integration technique used to monolithically integrate the inteferometric switches in this thesis is a simple, viable and attractive technique among various others more frequently used techniques. The selective area MOVPE is an integration technique that utilizes the difference in growth condition on a masked substrate. With a proper design of the masks width and the gap between them, arbitrary number of regions with different bandgap energies can be integrated simultaneously on a substrate. In this thesis, the PL wavelength in the active and the passive regions can be brought as farther as 190nm. Therefore, providing the required SOA for operation in telecommunication wavelength while keeping the passive waveguides transparent to the optical signal.

The interferometric switches in this thesis are the first switches fabricated using deeply-etched passive waveguides The deeply-etched waveguide gives strong optical confinement and therefore, the chip size of a typical MZI switch can be made as small as 3.5mm X 1.0mm. With this dimension, a high integration density can be achieved with more than 300 switches fabricable on a 2-inch substrate. Besides that, by adopting an improved fabrication process, a high device yield can also be obtained in our work.

We believe that the all-optical switches presented in this thesis and the selective area MOVPE technique that enable their integration would stand as the key devices as well as the key technology to steer important advancement for the future optical communications network.

本論文は，"Fabrication of Monolithically Integrated Interferometer Switches by Selective Area MOVPE and their All-Optical Signal Processing Applications（選択MOVPEによるモノリシック集積干渉計光スイッチの作製とその全光信号処理への応用）"と題し，有機金属気相エピタキシー（metal-organic vapor phase epitaxy, MOVPE）選択成長に基づく1.55μm帯InP系全光スイッチ集積回路の設計，試作および特性評価を行った結果について英文で纏めたもので，6章より構成されている．

第1章は序論であって，研究の背景，動機，目的と，論文の構成が述べられている．光通信の高速化にともなって，時分割多重信号分離などの処理を光領域で行う「全光信号処理技術」が重要性を増している．本論文の目的は，MOVPEにおける選択成長技術に依拠して，モノリシック集積化全光スイッチ回路を作製し，その全光信号処理への応用を実証せんとするものである．

第2章は"Selective area MOVPE for monolithic integration"と題し，光集積化のいくつかの異なるアプローチを比較した後，本研究における光集積回路作製の基盤となる選択MOVPE技術自体について論じている．マスク幅が階段的に変化するテストパターンを数種類用意し，選択成長を実際に行って，成長層のフォトルミネッセンス（PL）波長をマスクに挟まれた領域，マスク外側の領域のそれぞれについて横方向に，またマスクに挟まれた領域を軸方向に走査測定し，選択成長の挙動を詳細に解析した．その結果を基に選択成長パラメータの最適化を行って，全光スイッチ回路作製に必要な4つの異なるPL波長を，一回の結晶成長で得ている．

第3章は"Design and fabrication of all-optical switch"と題し，本研究の主題である全光スイッチ回路の設計と作製について論じている．まず半導体光アンプ（semiconductor optical amplifier, SOA）とマッハツェンダー干渉計（Mach Zehnder interferometer, MZI）を構成要素とする全光スイッチ回路の動作原理について述べた後，今回の光回路で用いられるSOA，位相シフター，光プリアンプ，多モード干渉合分波器，受動導波路の設計指針を論じている．次に，これら能動および受動デバイスが各々必要とする異なるバンドギャップエネルギー領域を選択成長で一括形成するためのマスク設計と集積化のトレードオフが述べられている．続いて，実際に用いた作製プロセス，即ちエピタキシー，導波路形成プロセス，電極作製プロセスについて詳述し，さらに選択成長による光集積回路作製の収率について論じている．本研究で得られた素子収率は，この規模の光集積回路としては格段に高いものと言える．

第4章は"Characterization of Mach-Zehnder interferometer switches"と題し，3章で作製された素子の静特性を中心に詳細に測定評価した結果について記している．選択成長で形成されたSOAを利得領域とする半導体レーザ並びに集積化SOAの注入電流対光出力特性，SOAレーザのスペクトル解析，SOAレーザのアルファ因子測定，SOAのダイオード電気特性についてそれぞれ述べた後，全光スイッチ回路の電流制御光スイッチング特性が示され，そこでは120mAで14πの位相シフト量と最大12dBの消光比が得られている．一方集積化位相シフターにおいては，1dB以下の挿入損失，9mAでのπ位相シフト，位相調整による消光比の拡大等が実証された．集積化光プリアンプの特性とそれを用いた全光スイッチング特性が続いて評価され，プリアンプにより全光スイッチ動作に必要な光パワーが10dB低減できることが示された．また，受動導波路の特性評価の結果から，伝搬損失は3dB/mmとまだ大きいものの，多モード干渉カプラの分岐比のばらつきは0.2dB以下と良好であることがわかった．

第5章は"All-optical signal processing"と題し，3章で作製された素子の動特性評価と，全光信号処理，特に光時分割多重（OTDM）信号の分離（demultiplex, DEMUX）応用および波長変換応用に関し述べている．まず超高速測定系について記した後，SOAのパルス応答とキャリア回復時間，SOAの利得・位相およびキャリアダイナミクス，スイッチング消光比とスイッチング窓幅について論じている．次にMZI全光スイッチ回路における全光OTDM DEMUX動作の測定評価結果が述べられ，160Gbpsから10GbpsのDEMUX動作が確認されている．MZI光スイッチ回路による20Gbpsまでの全光波長変換動作も実証された．続いて，より小型かつ制御信号のロスの少ないマイケルソン干渉計（MI）構成の全光スイッチ回路を作製し，実際に制御光パワーを10dB削減したことについて述べている．さらにMI光スイッチ回路における全光OTDM DEMUX動作も試みられ，MI構成では初めての80Gbps DEMUX が達成されるとともに，並行伝搬形態によれば160Gbpsまでの高速化が可能であることが実験的に検証された．最後にMI構成による10Gbpsの波長変換動作が測定，実証されている．これらの全光信号処理性能は，同種の全光スイッチ素子の中でトップクラスと言える．

第6章は結論であって，本研究で得られた成果を総括している．

以上のように本論文は，MOVPE選択成長によって4つの異なるバンドギャップ波長領域を単一のInP基板上に一括形成する技術を確立し，同技術を適用してSOA，位相シフター，光プリアンプ，光合分波器，受動導波路をモノリシック集積化した全光スイッチ回路を収率高く作製してその静特性を明らかにするとともに，動特性を詳細に評価して全光スイッチ回路の高速全光波長変換器および超高速光時分割多重分離器としての動作を実証したもので，電子工学分野に貢献するところが少なくない．

よって本論文は博士（工学）の学位請求論文として合格と認められる．