In long-haul telecommunication systems, Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) has been deployed in order to increase the amount of information carried over a single fiber. In shorter metro and access networks, single laser/detector transceivers are used to meet cost, size, and performance requirements. Growth of high-bandwidth, integrated services such as Fiber-To-The-Home and Gigabit Ethernet fuels the demand for bandwidth growths in these shorter distance markets. Coarse wavelength division multiplexing (CWDM) systems have been developed to increase fiber bandwidth in the access and metro networks at significantly lower cost compared to metro DWDM systems. In CWDM systems, multiple optical channels separated by a wide spacing of 20nm are aggregated to a single fiber. Due to their wide wavelength tolerance, single CWDM laser transmitters and optical filters have higher manufacturing yield, which drives down the cost of these CWDM systems.

　For CWDM systems to be cost effective in the metro and access networks, it is important to reduce the per-wavelength component costs. In a typical CWDM system, four or eight CWDM channels generated from individual DFB lasers are multiplexed into a single fiber. Hybrid integration of these individual laser components requires high-precision optical alignment, which increases system cost/size. Monolithic integration of several DFB lasers on a single InP chip eliminates packaging expenses by removing time-consuming and error-prone processes required to assemble the package. On the other hand, monolithic integration introduces design and processing complexities, which translates into higher cost. A successful integration strategy, however, must strike the right balance between packaging gains and processing losses. In particular, the optical alignment process alone is one of the top cost drivers in device assembly/packaging. In CWDM systems, it is necessary to combine several optical channels with different wavelengths into a single mode fiber at each transmitter site for signal transmission. In the integrated device fabricated in this study, outputs from four lasers with different wavelengths are combined on a single chip before coupled into a single mode fiber. Such integration scheme, not only simplifies the optical alignment since only a single optical fiber is used, but also reduces the packaging cost per channel since a single optical pigtail including an optical isolator is shared by all the channels.

　In a monolithically integrated CWDM laser array, four or eight distributed feedback (DFB) lasers with 20nm channel spacing are integrated on a single InP chip. However, efficient single mode operation of the DFB laser require the wavelength difference (or detuning) between the material gain peak, determined by the composition of the grown active material, and the Bragg wavelength, determined by the grating period, to be within 20nm. In the conventional metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) growth method, only a single material composition is grown on an InP substrate; hence monolithic integration of more than three CWDM DFB lasers is not feasible since at least one of the DFB lasers would have a detuning larger than 20nm. In this study, wide stripe selective area MOVPE is used to form different active material compositions, with material gain peaks separated by 20nm, on different regions of the InP substrate. Furthermore, using the electron-beam lithography system different grating periods can be formed on different selective area grown regions, therefore precise control of the wavelength detuning can be realized. Using the above method, four-channel monolithically integrated CWDM DFB laser arrays with lasing wavelengths around 1530nm, 1550nm, 1570nm, and 1590nm have been realized. In order to combine the laser outputs on a single chip, an integrated optical combiner, in the form of a multi-mode interference (MMI) coupler, is used. To the best of our knowledge, this is the first work on the monolithic integration of a multi-channel CWDM DFB laser array with an optical combiner. In the near future, we believe that the device under study is a promising candidate for high-bandwidth applications in metropolitan networks, such as 100Gbit/s Ethernet systems.

　本論文は，"Monolithically Integrated DFB Laser Array by MOVPE Selective Area Growth for Coarse WDM Systems (選択MOVPEによるモノリシック集積化低密度波長分割多重DFBレーザーアレイに関する研究)"と題し，有機金属気相エピタキシー(MOVPE)における選択成長技術を活用した低密度波長分割多重(CWDM)光通信用の1.55μm帯広波長間隔DFBレーザアレイ集積回路の設計，試作，特性測定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．

　第2章は"Selective area MOVPE"と題し，本研究の基盤となるInP基板上のInGaAsP混晶半導体の選択成長技術について述べている．まず，モノリシック光集積回路における能動/受動集積の選択成長以外の技術との比較を行った後，本研究では受動領域との集積化の観点から広幅選択成長技術を取り上げたことが説明されている．次に15μmの選択成長領域に対し異なる幅の誘電体マスクを配置することで，1420nmから1587nmの範囲でバンドギャップ波長を変化させられることが示された．またマイクロフォトルミネッセンス測定により，能動領域から受動領域への遷移領域長が150〜200μmであることが明らかになった．最後に，デバイスの小型化に向けた広幅マイクロアレイ選択成長の可能性について述べている．

　第3章は"Design of active and passive components"と題し，以下の章のアレイ集積素子で用いられる分布帰還型(DFB)半導体レーザと多モード干渉(MMI)カプラの理論と設計について述べている．結合モード理論の簡単な説明の後，縦単一モード化のための非対称端面コーティング，四分の一波長位相シフト構造，利得結合構造について論じている．横モード解析・伝達行列解析を通じて，本研究で対象とするDFBレーザの結合係数が50〜60cm(-1)になることが予測された．さらにMMIカプラの原理が述べられ，それに基づいて以下の章で用いる1x4 MMIカプラが設計されている．

　第4章は"Fabrication and characterization of integrated CWDM DFB laser array"と題し，本論文の中核をなす章で，2，3章の結果を適用し実際に1.55μm帯のCWDM用20nm間隔4チャネルDFBレーザアレイの作製を試みたことに関し詳しく論じている．まず初めに電子線描画による多波長回折格子の作製技術につき述べ，続いてDFBレーザアレイの実際の作製方法を詳細に記述している．次に，試作された典型的なDFBレーザの静特性の測定評価結果を報告している．4つの波長チャネルでの閾値電流の平均値はそれぞれ57.1，56，7，62，98.4mAとなり，第4チャネルが若干高めになっているものの，選択成長の採用により全ての波長チャネルが実用的な閾値電流を有することが実証された．また四分の一波長位相シフト構造により，全てのチャネルで30〜40dBの副モード抑圧比が得られ，最大では45dBに達したことが述べられている．パウリハッキ法による解析から，閾値近傍でのモード利得及び線幅増大係数は各々，40(-1)cm，3〜4と求められた．これらの結果は，選択成長により一括作製された異波長DFBレーザアレイの要素レーザのそれぞれが，実用上十分な性能を有することを証明するものである．

　第5章は"Fabrication and characterization of integrated CWDM DFB laser array with MMI coupler"と題し，4章のDFBレーザアレイと3章のMMIカプラに基づくCWDM多波長光源光集積回路を設計，試作，測定評価した結果について論じている．まず集積光源の試作プロセス技術について述べ，次に試作した直線受動光導波路の損失係数を測定した結果が記されている．アンドープの場合で10〜15dB/cm，pドープの場合で25〜30dB/cmにのぼることが明らかにされ，本集積回路の制限要因になることが指摘された．続いて試作された1x4 MMIカプラの分岐/合波特性の評価が行われ，設計通りの性能の得られていることが確認された．さらに全ての要素レーザを同時に励起したところ，集積光源の単一の出力ポートから1521.3，1541.6，1564.1，1580.6nmの出力光が同時に観測され，当初目的としたCWDM 4波長チャネルの同時発振が達成された．さらに良好な動作のためには熱クロストークと反射の低減が必要であることも同時に示された．

　第6章は結論であって，本研究で得られた成果を総括するとともに将来展望について述べている．

　以上のように本論文は，広波長間隔の多波長DFBレーザアレイ活性領域をMOVPE選択成長技術によって単一回の結晶成長で形成することに取り組み，成長技術，デバイス試作技術の向上・最適化を通じて実際に1.55μm帯CWDM 4波長DFBレーザアレイを試作することに成功し，さらに4波長合波器との集積化を行って広波長間隔の4波長同時発振を達成したもので，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．