This thesis is a study of sampled fiber Bragg gratings for the device applications in dense WDM communication systems. Multi-channel devices with dense channel spacing, broad bandwidth, in-channel dispersion compensation function, as well as the tunability are proposed and realized using sampled fiber Bragg gratings incorporating nonlinear materials/structures.

　The rapid growth of the Internet has raised the demands for more transmission bandwidth and speed, WDM systems continue to grow in complexity and sophistication with increasing numbers of channels, longer transmission distances and higher bit rates. Thus WDM devices with novel functions are required to meet the demands: dispersion compensation ability for higher bit rates and longer distances; broad bandwidth, dense channel spacing for more numbers of channels; tunability for managements and reconstructions of more and more complicated systems in changing environments.

　On the other hand, the fiber Bragg grating is one of many technologies that greatly enhance the performances of high density WDM systems. The filtering capabilities of Bragg grating combined with its all-fiber configuration make it an ideal candidate for high channel count density components such as multiplexers/demultiplexers, optical interleavers and add/drop filters. Moreover, due to its great flexibility, Bragg gratings can also performed other functions such as spectrally-designed complex filter and dispersion compensator. In today networks, fiber Bragg gratings have found applications in which they stand out from all other technologies, in both performance and cost.

　However, realization of sampled fiber Bragg gratings to meet the requirements of new specifications is difficult. Conventionally, gratings with broader bandwidth, denser channel spacing requires longer length and higher maximum refractive index changes, which both are physically limited. Gratings for multi-channel dispersion compensators are difficult to realize due to the unbalanced parameters or complicated experimental setups. Besides, grating design is in lack of flexibility due to the device restraints and high cost, conventional tuning methods are also in lack of quality.

This thesis addresses these problems. From the theoretical study, we propose novel fabrication methods and realize sampled fiber Bragg gratings with broad bandwidth, dense channel spacing and in-channel dispersion compensation ability using the optimum parameters. We also propose low cost, highly effective methods to enable the tunability and flexible design of channel spacing and in-channel dispersion compensation of sampled fiber Bragg gratings for tunable applications. Finally, we design and demonstrate the potentials of novel switching devices based on fiber Bragg gratings incorporating nonlinear materials/structures such as carbon nanotubes and tapered structure.

　本論文は、「Novel Functional Photonic Devices for DWDM Systems Based on Fiber Bragg Gratings Incorporating Nonlinear Structures/Materials (非線形構造・材料を組込んだファイバブラッググレーティングを利用したDWDMシステムのための機能フォトニックデバイス)」と題し6章よりなり、今後急発展する高密度波長分割多重(DWDM)システムのためのフォトニックデバイスを実現することを目的に、高密度・広帯域・分散補償機能および可変性を持つサンプル光ファイバブラッググレーティングを提案・実現し、さらに非線形材料・構造を光ファイバブラッググレーティングに組み込んだ新しい全光信号処理デバイスを提案・実現した研究成果について述べたものであり、英文で執筆されている。

　第1章は「序論」であり、光ファイバブラッググレーティングの紹介とそれを活用した通信技術を概観した後、今後のDWDMシステムの開発に必要なデバイスの特徴について語り、本研究の背景と目的および構成を説明している。

　第2章は「光ファイバブラッググレーティングの基本」と題し、光ファイバブラッググレーティング(FBG)の基本的な原理および本研究で用いているFBGの定量的な計算方法を述べ、分散補償デバイスに応用できるチャープグレーティングや多チャネルデバイスへ応用できるサンプルFBGを概説し、さらにその作製技術である位相マスク作製方法やアポダイゼーション技術を紹介し、FBGの作製のための実験系について述べている。

　第3章は「DWDMシステムのための分散補償機能を持つ広帯域・高密度サンプル光ファイバブラッググレーティングの実現」と題し、分散補償機能と櫛型反射特性を同時に持つサンプル光ファイバブラッググレーティング(SFBG)をアポダイゼーションとパラメータの最適化で実現できることを示した上、50GHzのチャネル間隔と-713ps/nmのチャネル内の分散値を持つSFBGを作製し、さらに分散補償機能を維持したままグレーティング全長にわたり適切な位相シフトを与えることによって高密度化を行い、また異なるグレーティングをインターリーブすることによってスペクトルを広げることに成功している。

　第4章は「サンプル光ファイバブラッググレーティングの柔軟な設計」と題し、複雑なDWDMシステムの構築・運用・管理に必要な可変性を有するFBGデバイスを検討し、実現している。具体的にはSFBGの特性に影響を与えるパラメータを考慮することにより、チャネル内の分散値をチャープレートだけでなく、デューティ比によってでも制御できることを証明し、単一の位相マスクでもデューティ比だけを変えることにより容易に広い範囲の分散値を実現できる作製方法を提案し、実証している。さらに、チャネル間隔の制御に関し、SFBGのチャープレートを適切に変えることによって、動的にチャネル間隔を変化させることが可能であることを実証し、実際に100GHzと50GHzのチャネル間隔で可変に発振できるファイバレーザに応用している。

　第5章は「非線形材料・構造を組み込んだFBGスイッチデバイス」と題し、カーボンナノチューブやテーパーファイバなど、非線形性を有する新しい材料・構造をFBGと組み合わせることにより、光だけを用いてFBGの特性を変化させることのできる新しい全光信号処理デバイスを開発している。具体的には、細径化したFBGにカーボンナノチューブをコートしたデバイスを試作し、18.7dBmの光強度でFBG反射ピークを2nm程度シフトさせ、全光可変フィルタと光ブロッカへ応用している。また、FBGをテーパーファイバに作製し、18dBmの光強度で非線形屈折率変化を起こすことによりFBGの反射ピークを0.02nmでシフトさせることができることを示している。これらの実験により、新しい材料・構造をFBGとの組み合わせによる新しい全光信号処理デバイスの可能性を示している。

　第6章は「結論」であり、本論文で明らかになった知見をまとめている。

　以上のように、本論文は、高密度・広帯域・分散補償機能および可変性を持つサンプル光ファイバブラッググレーティングを提案・実現し、さらに非線形材料・構造を光ファイバブラッググレーティングに組み込んだ新しい全光信号処理デバイスを提案・実現したものであって、今後急発展するDWDMシステムのための新しいフォトニックデバイスを提供するものであり、情報学の基盤、特にフォトニックコミュニケーション技術に貢献するところ大である。

　したがって、博士(科学)の学位を授与できると認める。