Silica-based optical planar waveguide technology is promising to realize various functional devices. Recent requirements for optical devices are flexibility and cost effective fabrication. UV-written silica-based planar waveguide device is alternative option which may meet these requirements. However, silica-based waveguide devices are not suitable for realizing ultrafast tunable devices. Recently, carbon nanotubes (CNTs) for optical device applications are attracted much attention because of their ultrafast recovery time, third order high optical nonlinearity, etc. Structures of conventional devices based on CNTs have been all bulky, and they have a difficulty in integration. Another difficulty in CNT-based optical devices is handling of CNTs. In this thesis, we propose and realize a hybridization of silica-based optical waveguides and CNT devices to combine their advantages and compensate their disadvantages, and propose a novel handling method of CNTs based on optical tweezers.

Principle of fabrication technique of UV-written silica-based waveguides is photosensitivity. Photosensitivity, or UV-induced refractive index increase appears in Ge-doped silica-glass. By this refractive index increase, core-cladding refractive index contrast can be formed and desired waveguides patterns can be fabricated without any patterning masks. There have been realized various devices by this technique such as power splitters, directional couplers, etc. However, structures of UV-written waveguides have not been enough investigated compared with silica-based waveguides fabricated by Si-LSI fabrication technology. We measured cross sectional refractive index profiles of UV-written waveguides by refracted near field method, and found that refractive index distributions are Gaussian horizontally, and almost uniform vertically.

One of the advantages of UV-written waveguides is that the refractive index distributions can be easily formed by simply changing irradiation intensity of UV beam. Bragg gratings and sampled Bragg gratings are important elements which can be realized by refractive index perturbations in optical waveguides. We fabricated silica-based optical channel waveguides containing sampled Bragg grating using phase mask method. With 9mm-long sampled grating, we achieved 100GHz channel spacing and 98% reflectivity. Densification of channel spacing of sampled Bragg gratings for dense wavelength division multiplexed systems was conventionally achieved by elongating the total device size. Shortening device length is important especially for planar waveguide type devices because total device size directly determines the device cost. We introduced multiple phase shift technique to the sampled Bragg grating waveguides, and doubled the channel spacing to be 50GHz without elongating the total device length.

CNTs are attractive materials for photonic device applications because of their ultrafast recovery time, high nonlinearity, etc. Conventional CNT devices are all bulky and not integratable. We proposed planar waveguide-type CNTs devices. As a first step, we investigated a waveguide-type saturable absorber utilizing interaction between CNTs and evanescent wave. Planar waveguide-type saturable absorbers were realized by spraying purified CNTs onto over-cladding less silica-based optical waveguides fabricated by UV beam irradiation. We confirmed saturation of absorption by 3% when light from high power pulsed laser was incident. The device shows polarization dependence originated from the asymmetric structure, and polarization dependent loss over 15dB was observed. By using the saturable absorber, passively mode-locked fiber laser with pulse width as short as 187fs was realized. Another attractive characteristic of CNTs is their high optical nonlinearity which can shorten the sizes of optical nonlinear devices. All optical switching using CNTs' strong third order nonlinearity in nonlinear optical loop mirror (NOLM) configuration is investigated. Splitting ratio contrast of 20% using 1cm-long over-cladding-less CNTs-loaded planar waveguide was realized. This result indicates the possibility of integrated CNTs-based all optical switches realization.

Finally, we propose and demonstrate a novel fabrication technique of CNT devices. Handling the CNTs is one of the problems for device applications, and easy and cost effective handling technique of CNTs is required. Optical tweezer is the technique to manipulate micro-, nano-sized objects by focused light spot. By this technique, for the first time, CNTs were successfully deposited area selectively on the core region of end facets of optical fibers, and area selective deposition was confirmed by both Raman spectroscopy and field emission scanning electron microscopy (FE-SEM). We realized passively mode-locked fiber ring laser using the CNTs deposited fiber by optical tweezers. For precise control of CNT layer and estimation of CNT layer thickness and uniformity, we also developed an in-situ monitoring technique of CNT deposition process using optical reflectometry, and FE-SEM images supported the results. We also found that stable CNT sphere structure can be formed by optical tweezers, which may be useful for many applications.

　本論文は、「Integrated Bragg Grating and Carbon Nanotube Devices Using UV-Written Silica-Based Planar Waveguides (紫外光描画石英系平面導波路によるブラッググレーティングとカーボンナノチューブ集積デバイス)」と題し5章よりなり、英文で執筆されている。石英系光導波路は、様々な機能デバイス作製のために利用されており、近年では機能性や信頼性だけではなく柔軟性や低コストが要求されてきている。紫外光描画石英系光導波路は、これらの要求を満たしうる方法の一つである。また、カーボンナノチューブ(Carbon Nanotube: CNT)はその超高速の回復時間、高い三次の光学非線形性などの特性から、光応用が大いに期待されている材料である。本論文では、紫外光描画石英系平面導波路によるブラッググレーティングを実現し、さらに、石英系光導波路とCNTの特長を併せ持ち、それぞれの欠点を互いに補い合うことができる石英系導波路とCNTデバイスとの組み合わせを提案し、実現した研究成果についてまとめたものである。

　第1章は序論であり、現在の光伝送ネットワークとそこで用いられている光デバイスの現状と、柔軟で低コストな光デバイスの必要性が記述され、本研究の目的と論文の構成を明らかにしている。

　第2章では、紫外線描画導波路の作製とその機能デバイス応用についての研究成果がまとめられている。紫外線描画導波路の作製原理は、ゲルマニウムを添加した石英ガラス中で生じる紫外線誘起屈折率変化(Photosensitivity)である。この屈折率変化は屈折率が上昇する方向に働くため、紫外光を照射することでコアとクラッドの屈折率差を形成することができる。集光した紫外光スポットを掃引することによりパターニングマスク無しに所望の導波路パターンが作製可能である。まず、高機能デバイスの作製のために、断面構造をrefracted near field methodにより測定している。その屈折率分布は、水平方向にガウシアン分布、垂直方向にほぼ一様分布であることを見いだしている。さらに、サンプルトグレーティング内包導波路を位相マスク法により作製している。全長10mmの導波路中に9mm長のサンプルトグレーティングを作製し、チャネル間隔100GHz、最大98%の反射率を実現している。従来、チャネル間隔の高密度化は個々のサンプリング間隔を延ばし、結果として全長を延ばすことにより実現していたが、平面導波路型デバイスの場合には、全長を延ばすことはコストに直結するために好ましくない。全長を維持したままチャネル間隔を高密度化する手法である多点位相シフト法を導入することにより、全長を維持したままチャネル間隔50GHzに高密度化を実現している。

　第3章では、石英系導波路とCNTデバイスとを組み合わせた新しい光デバイスの研究成果について記述されている。従来のCNT光デバイスはバルク型で集積に向いていないという欠点があった。本研究では、平面導波路型CNT光デバイスを提案し、まず既に実現されているCNTを用いた可飽和吸収体を平面導波路型で実現している。高純度化したCNTを上部クラッドの無い紫外光描画石英系平面導波路の上部にスプレー塗布して堆積し、エバネッセント成分とCNTとの相互作用を利用した平面導波路CNT可飽和吸収体を試作し、高出力短パルスレーザ光の入射により3%の可飽和吸収効果を観測している。さらに、その可飽和吸収体を用いて受動モード同期ファイバレーザを構築し、187fsのパルス出力を実現している。また、CNTは非線形性を利用した全光スイッチングについても研究を行っている。1cm長の上部クラッド無しCNT蒸着平面導波路を試作し、非線形ループミラー構成で20%の分岐比変化を得ている。この結果により、CNTを用いた集積型全光スイッチングデバイスや全光論理回路の実現が期待できる。

　第4章では、CNT光デバイスの新しい作製法を提案し、実現している。CNTの取り扱いは一つの問題であり、容易で効率的な取り扱い方法が求められてきた。本件研究では、光ピンセット効果を用いて、位置選択的に光ファイバ端のコア部にのみCNTを堆積する全く新しい方法を提案し、実際に顕微ラマン分光と電界放出型電子顕微鏡により位置選択的堆積を確認している。そのCNTを堆積した光ファイバを用いて、受動モード同期ファイバレーザを実現しているほか、CNT堆積層の厚さや均一性を制御するために、光リフレクトメトリにより堆積中にモニタリングを行う方法を新たに提案し、電子顕微鏡像により確認している。さらに、球状のCNT超構造をも作製可能であることを示している。

　第5章は総括であり、本研究の成果をまとめるとともに、今後の課題を展望している。

　以上のように本論文は、紫外光描画石英系平面導波路によるブラッググレーティングを実現したのみならず、石英系光導波路とCNTの特長を併せ持ち、それぞれの欠点を互いに補い合うことができる石英系導波路とCNTデバイスとの組み合わせを提案し、実現したものであり、電子工学、特に光エレクトロニクスの発展に貢献するところ大である。

　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。