In this study, we investigate a modified structure for the semiconductor optical amplifier (SOA) so as to make the SOA-based all-optical switches more cascadable and suitable for high-density integration. In the all-optical switch, we replace the single-mode SOA by a 2×2 multimode interferometer (MMI) with SOA epitaxial layers designed as a bar coupler. This replacement results in several direct benefits, e.g. separating the control signal without filtering and decreasing the all-optical switch size. Our research is divided between theoretical and experimental work. At first, we investigate by simulation the cross phase modulation (XPM) between two different CW optical signals inserted into the active MMI through separate ports. For 10 to 12 μm-wide active MMIs and specific material parameters, steady state results show that a phase shift amounting to several multiples of π could be induced in the data signal at low injected current densities (3.2 kA/cm2) and for achievable control power values. Furthermore to investigate XPM between optical pulses, we develop a new modeling and simulation approach. In this approach, the carrier density distribution in the active MMI is modeled by few lateral profiles added to the average density. The coefficients of these profiles and average density are functions of time and longitudinal position. A separate update equation is derived for each of them from the carrier rate equation that takes into account carrier diffusion, detailed recombination and stimulated emission by optical signals. At the same time, following the approximation of first order perturbation an adapted wave equation is derived for each propagating modal phase and power. The resulting system of equations is solved by the FDTD method, after artificial interleaving in time and space for all variables. Dynamic XPM and carrier recovery are then examined by a simulation program.

Regarding the experimental part of our study, we managed to fabricate workable discrete active MMIs with passive ports and active-MMI-based all-optical switches using the monolithic integration technique of offset quantum well. To reach this end, some modifications have been added to a pre-developed fabrication process, e.g. we have enabled wider contact openings in the devices' active regions. We have also contributed to the reduction of optical propagation loss in waveguides etched by the inductive coupled plasma (ICP) machine. Cross-port cross gain modulation (XGM) has been measured in the fabricated discrete active MMIs. Moreover, all-optical switching has been demonstrated (by 10 dBs) in the fabricated all-optical switch for an input control power of 7 dBm and with a reduction in control power coupled to the data port by approx. 4 dBs. These results would clearly serve as a proof of concept, and we believe that further optimization would much enhance the new switch performance. Finally seeking to make the active MMI a more power-efficient device for all-optical switching, we briefly highlight some suggested alternatives.

本論文は,"A study on all-optical switching devices using active multimode interferometers (能動多モード干渉計を用いた全光スイッチング素子に関する研究)"と題し,干渉計型の全光スイッチにおける相互位相変調光非線型領域に能動多モード干渉計(multimode inteferometer; MMI)を導入して高性能化する試みに関し,モデリング,シミュレーション,設計,素子試作,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"Using active multimode interferometer for all-optical switching"と題し,能動MMIを用いた全光スイッチングの基本が述べられている.能動MMIでは,屈折率の不均一性,キャリア拡散および自然放出光雑音の効果を考慮することが必要である.能動MMIの二つの入力から注入された連続光の間に発生する相互位相変調を,上記の効果を勘案して解析するシミュレータを開発している.シミュレーションの結果,10~12μm幅の能動MMIにおいて,πの数倍におよぶ位相変化が,3.2kA/cm2程度の比較的低い注入電流と低い制御光パワーで得られることが明らかになった.

第3章は"Modeling and simulation of pulse propagation in narrow active MMI"と題し,全光スイッチで重要なパルス光間の相互位相変調を解析するための新たなモデリングとシミュレーション手法について論じている.パルス光伝搬時のキャリア分布とフォトン分布の時間変化を自己無撞着的に決定する方程式を導き,有限差分法によりこれらを解くことを可能とした.この手法を用いて,動的な相互位相変調とキャリア回復の解析を行っている.

第4章は"Device fabrication"と題し,実際に個別の能動MMIと,それを相互位相変調領域に集積化した全光スイッチを,InP系化合物半導体光デバイスプロセスに基づいて試作したことについて述べている.特に,誘導結合プラズマエッチングによる導波路の形成において,光伝搬損失を低減する技術を開発している.能動MMIと光スイッチ用干渉計を集積化するオフセット量子井戸構造についても論じられている.

第5章は"Device static characterization"と題し,4章で試作されたデバイスの特性評価結果が述べられている.まず,個別の能動MMIにおいて,クロスポート間の相互利得変調が測定評価された.次に,能動MMIを集積化した全光スイッチ素子において,全光スイッチ動作を実際に観測している.入力制御光のパワーが7dBmの時,10dBの全光スイッチング消光比が得られた.このことから,全光スイッチングにおける能動MMIの有効性が実証された.

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.特に,テーパー構造の能動MMIの提案と,共振構造による相互位相変調効率の改善の提案を行っている.

以上のように本論文は,全光スイッチ素子の高度化のため,能動MMIを相互位相変調領域に導入,利用することを提唱し,その動特性を解析するシミュレータを新たに開発して,非線型光混合器としての性能を定量的に明らかにした.さらに,1.55μm帯で動作するInP系の個別能動MMIと,同MMIを集積化した全光スイッチ素子を実際に作製し,光非線型性と全光スイッチング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.