The tremendous development of the internet or other wide band access technologies such as DSL, FTTH has driven the development of the high-capacity optical networks from research laboratories into commercial deployment such as Synchronous optical networks or Synchronous digital hierarchy. In the first generation, optics is used only in transmission, and all switching and other intelligent functions are handled in electronics. Now people are seeing the deployment of the 2nd generation optical networks, where some of the routing, switching and intelligence are handled optically. In this network, data is carried from its source to its destination in optical form, without undergoing any optical-to-electrical conversion so that the electronic devices will not limit the speed. In this network, both of the two current primary techniques for data multiplexing i.e. wavelength-division multiplexing (WDM) and time-division multiplexing (TDM) are used including all optical devices such as wavelength converters, all optical switches, optical add/drop multiplexer, 2R, 3R and etc..

　This thesis introduces two novel devices for all optical processing by using multiple quantum well (MQW) electroabsorption modulators (EAM) for high-speed telecommunication: wavelength converters and all optical switches. The reasons why the EAM is used to replace the traditional semiconductor optical amplifier (SOA) are short recovery time under reverse bias (possible to be <10ps), high stability, no amplified-spontaneous emission (ASE), and easy integration with other devices, especially, lasers. Moreover, we chose InGaAlAs as the core layer material in our devices due to its merits of large refractive index ratio between waveguide and cladding layer, large conduction band offset suitable for uncooled operation, and large spectral range.

　The proposed wavelength conversion is based on the optical nonlinear polarization rotation in an EAM. Nowadays, most of the EAM-based wavelength conversion is using cross-absorption modulation (XAM) due to its simple configuration. However, XAM suffers from the large input power, typically larger than 15dBm. In order to reduce the input power, we investigated the cross-phase modulation (XPM) for TE mode and TM mode, and the polarization rotation. In the static wavelength conversion experiment, we demonstrated that the input powers for π phase shift are only 5dBm for upward conversion (from 1555nm to 1560nm) and 8dBm for downward conversion (from 1555nm to 1550nm), and the extinction ratios are 34dB and 31dB respectively. 10Gb/s dynamic wavelength conversion has also been demonstrated. Further simulation shows that the narrowing of the quantum well and compressive strain of MQW enhance the polarization rotation, thus reducing the required input power for saturation state. Higher speed operation is also possible by using higher reverse and optimizing the RF response.

　For all optical switches, a Mach-Zehnder interferometer (MZI) configuration with EAM on the MZI arms is proposed. On account of the low relaxation time of EAM, no push-pull operation is needed. Moreover, compared to SOA, EAM has no current injection, so lower heating and low power consumption can be achieved.

　The main challenge of our MZI-EAM device is the monolithic integration of the EAM and other passive waveguide. Due to large insertion loss of EAM and no gain devices in the whole structure, etch and regrowth method is chosen to reduce the total insertion loss by optimizing the active and passive regions individually. Till now, etch and regrowth technology has been well developed for InGaAsP material, but for Al-containing material, it still remains a challenge, especially for ex-situ cleaning procedure. The difficulty arises from the formation of stable Al-Oxides due to the often inevitable air-exposure of the InGaAlAs core layer during device processing, which degrades the crystal quality grown at the interface and causes large scattering loss. We optimized the growth conditions by MOVPE and processing procedures for both one-step regrowth and two-step regrowth and obtained good connection at the interface of the passive waveguide and active EAM region, with high coupling efficiency and low coupling loss (0.21dB/facet).

　Another big issue of the EAM-based all optical switch is the large insertion loss. This is mainly due to the large absorption of EAM and scattering in the waveguide. High mesa structure is superior for small size, but suffering from the significant scattering loss at the sidewall. Ridge structure has much lower loss, but has longer S-bend and multimode interferometer (MMI). Moreover, the doping profile in the cladding layer has also influence on the total loss.

　本論文は，"All-Optical Wavelength Converter and Monolithically Integrated Switch Based on Electro-absorption Nonlinearity (電界吸収非線型効果を用いた波長変換器およびモノリシック集積型全光スイッチ)"と題し，InP基板上のInGaAlAs系量子井戸における電界吸収効果に伴って生じる屈折率変化を活用した新しい波長変換器および全光スイッチの設計，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，7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"InGaAlAs/InGaAlAs MQW growth by MOVPE"と題し，本研究の基盤となるInP基板上のAl系量子井戸の有機金属気相エピタキシャル成長(MOVPE)と集積化技術について述べている．InP基板上のAl系量子井戸は，分子線エピタキシー(MBE)での成長は比較的容易であるが，量産技術として優れるMOVPEにおいては，成長が高温常圧下で行われることに主に起因して逆に難しかった．本研究ではまず，InGaAlAs混晶のMOVPE成長条件を最適化するとともに，0.1%の圧縮歪みを持つ厚い分離閉じ込めヘテロ(SCH)層の導入で，亜鉛ドーパントのコア層への拡散を防いでいる．次に，Al系の層を含む構造のバットジョイント再成長という困難な課題に取り組み，再成長前の洗浄技術，ウェットエッチングと誘導結合プラズマ(ICP)ドライエッチングを組み合わせた埋め込みメサのハイブリッドエッチング技術，2段階再成長技術などの新技術を開発して，最終的に電界吸収導波路部と受動導波路部の良好な接続と平坦な表面を得ることに成功した．接続部の結合損失は0.21dB/facetと低く抑えられていることが確認されている．

　第3章は"Characterization of electroabsorption modulator based on InGaAlAs/InGaAlAs multi-quantum wells"と題し，本研究で光非線型媒質として用いるInGaAlAs多重量子井戸電界吸収型光変調器(EAM)自体の特性シミュレーション，試作プロセス，光非線型特性の測定評価結果について述べている．まず電界吸収効果のシミュレーションを述べた後，2章の技術で成長されたInGaAlAs多重量子井戸を用いてEAMを試作する方法について論じている．次に，試作されたEAM単体としての電界吸収変調特性の評価と，以下の章で中心となる相互吸収変調(XAM)特性，相互位相変調(XPM)特性を詳細に測定評価した結果について述べている．本研究で試作したEAMにおいて，9dBmの制御光パワーの時，2πの位相変化が得られている．結合損失が7dB程度あることを勘案すると，十分大きなXPMが得られていると言える．

　第4章は"Novel wavelength converter by using polarization rotation of electro-absorption modulator"と題し，非線型偏光回転に基づく波長変換器の試作と静特性，動特性の測定結果について述べている．非線型偏光回転の動作原理を述べた後，同方式に基づく波長変換器を構成，試作したことについて論じている．波長1550から1555nmへの上方変換，1560nmから1555nmへの下方変換の双方において，30dB以上という大きな消光比静特性が得られている．この過程で入力から出力への消光比が拡大しており，このことは本波長変換器が波形整形・SN比向上に利用できることを示している．次に10Gbps信号の波長変換が試験され，良好なアイ開口の得られることが実証された．40Gbps波長変換に向けて，EAMの等価回路解析が行われた結果，RC時定数が速度制限要因になることが明らかにされた．さらなる高速化に向けては，ドーピングと電極構造の最適化を通じた直列抵抗成分の低減が必須であることが述べられている．

　第5章は"Novel Mach-Zehnder all-optical switches based on electro-absorption modulator"と題し，本研究で独自に提案する，EAMを光非線型媒質として二本のアームに集積化したマッハツェンダー干渉計型全光スイッチについて論じている．まず2章で開発された2段階再成長技術を利用して，リッジ導波路型およびハイメサ導波路型の集積全光スイッチを試作したことについて詳細に述べている．ハイメサ導波路型素子においては，側面荒れと受動導波路へのドーピングに起因する大きな導波損失のため，動特性の測定は不可能であったが，静特性の測定において初期的全光スイッチ動作が確認されている．リッジ導波路型素子においては，ハイメサ素子に比べ大幅に導波損失を低減することが可能になり，2.5Gbpsの動的波長変換特性の観測に成功した．干渉計の多モード干渉結合器部分に残存する不平衡分岐比が全光スイッチ特性に悪影響を及ぼしており，その改善によってこのタイプの集積全光スイッチの特性を実用レベルに向上できることが考察されている．

　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．また，第7章は"More considerations"と題し，本研究で提案した電界吸収光非線型を向上させる二つの新しいアイデアについて述べている．

　以上のように本論文は，InP基板上のInGaAlAs系量子井戸のMOVPEによる高品質結晶成長と，Alを含む材料の埋め込み再成長集積化技術を研究開発し，それを応用してInGaAlAs多重量子井戸電界吸収光非線型性に基づく新たなタイプの全光波長変換器および集積型全光スイッチを試作，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．