JP3621632B2

JP3621632B2 - Optical filter and tunable optical filter device

Info

Publication number: JP3621632B2
Application number: JP2000214960A
Authority: JP
Inventors: 祥雅片桐; 悦橋本
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2000-07-14
Filing date: 2000-07-14
Publication date: 2005-02-16
Anticipated expiration: 2020-07-14
Also published as: JP2002031714A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、透過中心波長が可変なエタロン型の光フィルタと、この光フィルタを用いて透過中心波長を高速に掃引する波長可変光フィルタ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光スペクトル解析に必要な狭帯域光フィルタとして、従来から、エタロン型の光フィルタが利用されている。エタロン型の光フィルタとは、対向して配置した２枚のミラーの間に形成される光共振器のことをいう。このような光共振器を通過できる光は特定の波長を持つものに限定される。この波長は光共振器の共鳴波長と等しく、共振器のＱ値が高いほど透過波長帯域幅が狭い。
【０００３】
一般に、反射率Ｒのミラーを対向させた場合の透過率Ｔは、平面波近似では、
【０００４】
【数１】

【０００５】
となる。ただし、λは透過波長、Ｌは共振器長（ミラー間の距離）、ｎはミラー間に充填されている物質の屈折率である。
【０００６】
この式（１）は、光周波数ｖ（＝ｃ／λ）換算で、
【０００７】
【数２】

【０００８】
という周期を持つ関数であることを示していると同時に、透過する帯域幅（半値全幅）ｗが、
【０００９】
【数３】

【００１０】
であることも示している。
【００１１】
従って、ミラーの高反射率化（Ｒを１に漸近させる）と同時に、共振器長Ｌを大きくすることにより、極めて狭い透過帯域幅を実現することができる。例えば、Ｒ＝０．９９であってもＬ＝２ｍｍ、ｎ＝１．５のガラスをキャビティ（共振器部分）とすることにより、帯域幅（半値全幅）をｗ＝１６ＭＨｚ（０．００１２５ｎｍ）と狭窄化できる。この帯域幅は、２分の１波長のスペーサー層を、屈折率の異なる２種の４分の１波長膜を交互に積層して成る多層コーティングの高反射率ミラーで挟んだ従来のバンドパスフィルタの帯域幅（０．３ｎｍ程度）よりも大幅に小さい。
【００１２】
このような狭帯域幅のエタロン型光フィルタの急峻な透過波長特性を利用することにより、光スペクトル測定が実現されている。図７はこのエタロン型光フィルタの原理を説明する図で、上式（２）が示す透過波長特性の周期性が示されているが、測定対象とする波長帯域を１周期に限定すると、透過ピークの一つが透過帯域幅を分解能とした波長選択機能を持つことになる。このピークの中心波長は、図７において破線で示すように、共振器を構成するミラーを移動させて共振器長Ｌを変えることにより制御可能である。また、ピーク波長が１周期を掃引するために必要なミラーの移動量は２分の１波長である。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来のエタロン型光フィルタの透過中心波長はミラー間の距離により定まるので、中心波長を精密に設定しようとする場合にはこの距離を精密に制御する必要がある。しかし、ミラー間距離は主に機械的擾乱と熱的な擾乱により変動するため、透過中心波長の精密設定が困難となっていた。ここで、機械的擾乱とは、エタロンを構成するミラーおよびそれを支持するマウントの固有振動に起因する不規則な共振器長変動を云い、数十キロヘルツ程度にわたる帯域を有している。一方、熱的擾乱とは、支持マウントおよびミラー基板およびミラーそのものの熱膨張に起因した共振器長変動を云い、変動の帯域は数ヘルツ程度にとどまるが、熱膨張係数等の材料物性のみならず共振器を構成する機構部品の構造にも依存するため予測困難なドリフト的変動を招いている。
【００１４】
さらに、光スペクトル測定に必要な透過中心波長を高速かつ精密に掃引しようとした場合、運動形態による高速化の限界と可動機構により本質的に発生する機械的擾乱が、その高速かつ精密掃引の目的の主な阻害要因となっていた。ここで、運動形態とは、波長掃引のためにミラーを共振器の光軸に沿った加速度運動を伴う往復直線運動を云い、アクチュエータの駆動力により掃引速度が制限されている。
【００１５】
本発明は、上述の点に鑑みてなされたもので、その目的は、透過中心波長が可変ながら機械的擾乱の影響を受けないエタロン型の光フィルタと、この光フィルタを用いて透過中心波長を高速にかつ精密に掃引することの可能な波長可変光フィルタ装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１に記載の光フィルタは、ディスク状の外形を呈する波長可変光フィルタであって、ディスク状の透明な平行平面基板と、膜厚がディスクの回転軸のまわりの見込み角に対して変化する誘電体膜からなり上記基板と等しい屈折率を有するスペーサー層とが一体となってキャビティ（共振器部分）を構成し、さらにそれらの両側に多層コーティングからなる高反射率ミラーを配置してエタロン型の共振器を構成したことを特徴とする。
【００１７】
この構成により、本発明の光フィルタを用いれば、共振器長を制御するのに直接ミラーを移動する必要がなくなり、機械的擾乱を除去することが可能となる。
【００１８】
ここで、上記ディスク状の波長可変光フィルタ（以下、ディスクという）の外縁部またはディスク面のいずれかに絶対位置を検出するためのロータリーエンコーダマークを備えたことを特徴とすることができる。この構成により、共振器の機構部品の構造に依存することなく光フィルタの波長特性を材料物性からのみ予測することが可能となる。
【００１９】
上記目的を達成するために、請求項３に記載の本発明の波長可変光フィルタ装置は、対向させた一組の光ファイバ端の間をコリメートビームにより結ぶ光学系を、そのコリメートビームが請求項１または２に記載の波長可変光フィルタの基板に対して垂直に透過するようにその波長可変光フィルタを挟んで配置し、ディスク（ディスク状の波長可変光フィルタ）を回転させてコリメートビームの透過位置を変えることで透過波長特性を制御することを特徴とする。
【００２０】
入射角を限定するこのような構成により、本発明の波長可変光フィルタ装置によれば、ビームアライメントに依存せずに高精度かつ高速に透過中心波長を掃引することが可能となる。
【００２１】
ここで、上記ディスクを回転させる駆動機構が電気信号に同期した等速回転を行う制御手段を有することを特徴とすることができる。この構成により、ディスクを電気的精度で一定速度で回転させることが可能となり、その結果、透過中心波長を機械的擾乱を排除して安定に高速に掃引することが可能となる。
【００２２】
また、請求項５に記載したように、本発明は、請求項２に記載の波長可変光フィルタに設けたロータリーエンコーダマークを検出する検出手段と、この検出手段の出力をカウントしてこのカウント値を波長可変光フィルタの位置情報として提供するカウンター手段と、このカウンター手段から提供される位置情報をパラメータとして、透過光スペクトルの中心波長とこの中心波長の変化率を求め、この変化率からその透過光スペクトルの中心波長の時間変化率が一定となるような最適瞬時回転速度を算出する第１の演算手段と、第１の演算手段で算出された位置情報をパラメータとする最適瞬時回転速度を記憶する記憶手段と、カウンター手段から提供される位置情報から瞬時回転速度を算出し、その位置情報から記憶手段の最適瞬時回転速度を参照してその瞬時回転速度との偏差を算出する第２の演算手段と、第２の演算手段で算出された偏差を回転数補正値として波長可変光フィルタを回転するモータの回転数を微調整する回転数制御手段とを有することを特徴とすることができる。この構成により、透過光スペクトルの中心波長を線形で掃引することができる。
【００２３】
演算手段として例えば演算処理プロセッサとランダムアクセスメモリを利用することで、カウンター回路から提供される位置情報をパラメータ（見込み角）として、透過光スペクトルの中心波長とこの中心波長の変化率を求め、この変化率から透過光スペクトルの中心波長の時間変化率が一定となるような最適瞬時回転速度を算出することができる。すなわち、透過光スペクトルの中心波長λｃと見込み角θとの関係を
【００２４】
【数４】

【００２５】
とする。ここでΠ（θ）は見込み角に対する透過中心波長の変化率の線形性からのずれを表す。この式（４）から透過中心波長の時間変化率は、
【００２６】
【数５】

【００２７】
と書ける。ここで、角度の時間微分はディスクの瞬時回転角速度ωである。瞬時角速度を一定回転速度と偏差成分とに分離して
【００２８】
【数６】

【００２９】
と書くと、
【００３０】
【数７】

【００３１】
となる。ここで２次の微小量は無視した。透過中心波長の時間変化率が次のように常に一定であるとする。
【００３２】
【数８】

【００３３】
これを上式（７）に適用すると、
【００３４】
【数９】

【００３５】
となる。このδωは式（８）を満足するためのディスクの回転角速度の補正値である。従って、瞬時角速度が
【００３６】
【数１０】

【００３７】
となるようなディスクの回転制御化で透過中心波長は線形に掃引される。
【００３８】
演算処理プロセッサとランダムアクセスメモリを利用することで、カウンター回路から提供されるディスクの位置情報から瞬時回転速度を実測し、それと同時にディスクの位置情報により不揮発性メモリに記憶した見込み角に対する最適瞬時回転速度を参照して上記実測した瞬時回転速度との偏差を計算できる。この偏差を回転数補正値（誤差信号）として、モータの回転数を微調整する回路へ入力すれば、上述の透過光スペクトルの中心波長の線形掃引が実現できる。
【００３９】
また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明の変形例であり、請求項２に記載の波長可変光フィルタに設けたロータリーエンコーダマークを検出する検出手段と、検出手段の出力をカウントしてカウント値を波長可変光フィルタの位置情報として提供するカウンター手段と、カウンター手段から提供される位置情報をパラメータとして、透過光スペクトルの中心波長とこの中心波長の変化率を記憶する記憶手段と、カウンター手段から提供される位置情報から瞬時回転速度を算出し、位置情報から記憶手段の透過光スペクトルの中心波長の変化率を参照して、この変化率から透過光スペクトルの中心波長の時間変化率が一定となるような最適瞬時回転速度を算出し、最適瞬時回転速度と算出された瞬時回転速度との偏差を算出し、偏差を回転数補正値として波長可変光フィルタを回転するモータに最適な回転を与える駆動信号を生成する演算手段とを有することを特徴とする。
【００４０】
【実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００４１】
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態における波長可変光フィルタの外形を示す。この波長可変光フィルタ１はディスク状となっている。ディスク（ディスク状の波長可変光フィルタ）１の内周と外周をほぼ同心としている。波長可変光フィルタ１の透過波長特性はディスクの回転軸のまわりの見込み角に対して線形に（一定割合で）変化するようになっている。
【００４２】
図２は、上記の波長可変光フィルタ１の断面構造を示す。ディスク状の平行平面基板４の上に、見込み角に比例して変化する膜厚を持つ誘電体多層膜のスペーサー層２を堆積している。基板４の屈折率とスペーサー層２の誘電体膜との屈折率とを一致させることにより、これらは一体の光媒質として作用する。屈折率を一致させるには、これらの光学媒質の材質を同じにすればよい。例えば、基板１に溶融石英を用いた場合には、スペーサー層２として、スパッタ法により堆積した緻密でバルクの屈折率とほぼ同じＳｉＯ_２膜が利用できる。この膜付き基板の表裏に、多層高反射率コーティングからなる高反射率ミラー３を付与する。
【００４３】
多層高反射率コーティングは、屈折率の異なる２種の４分の１波長膜を交互に積層したものである。４分の１波長膜の高い方の屈折率は上記基板４の屈折率よりも高いことが望ましい。これら２種の膜をＨ，Ｌ（Ｈ：高屈折率、Ｌ：低屈折率）とすると、高反射率ミラー３の層構造は、
【００４４】
【数１１】

【００４５】
ｎは正整数
となる。
【００４６】
このような構成により、円周方向に沿って波長特性が変化する波長可変光フィルタ１を実現することができる。なお、ディスク（ディスク状の波長可変光フィルタ）１の半径方向には波長特性は変化しない。
【００４７】
（第２の実施の形態）
図３は、本発明の第２の実施の形態における波長可変光フィルタを示す。図３の（Ａ）に示すように、図１と図２で説明した構成のディスク（ディスク状の可変光フィルタ）１の外周部にロータリーエンコーダマーク５が付与されている。このマーク５をディスク面上に付与する場合には、角度分解能を最大にするために、ディスク１の外縁近傍がマークの描画領域となる。
【００４８】
図３の（Ｂ）に示すように、ロータリーエンコーダマーク５として利用できる一般的なマークは、Ｚ相マーク６、Ａ相マーク７、Ｂ相マーク８から成る。Ｚ相マーク６は見込み角の基準を与えるマークで１周にひとつだけ与えられる。Ａ相マーク７およびＢ相マーク８は見込み角の相対角を与えるマークで、互いに９０度ずれた位相差により回転方向を知ることが可能となっている。このようなマーク５を透過光により検出する場合には、クロム等の金属膜パターンが利用できる。フィルタ領域がディスク１の全面にわたる場合でも、フィルタの対象としている波長と大きく異なる波長の光はフィルタを通過できるので、マーク検出用の光として利用可能である。例えば、フィルタが１．５μｍの長波長帯域を対象としている場合には、０．８μｍの短波長光が利用可能である。
【００４９】
温度が変化すると光フィルタ１の透過波長特性は熱膨張のため変化する。しかし、温度変化に拘わらず上記のロータリーエンコーダマーク５の位置は円周方向に対して不変である。このため、光フィルタ１の透過波長特性の温度特性は、ほぼ光フィルタ１の共振器を構成する材料物性（熱膨張係数）にのみに依存するので、予測され得る。つまり、温度センサの出力から透過波長特性の補正値が容易に算出できる。さらに、その共振器の材料として極低膨張率のＳｉＯ_２を利用すれば、温度依存性が極めて小さい、温度に安定な波長可変光フィルタを実現することが可能である。
【００５０】
（第３の実施の形態）
図４は、本発明の第３の実施の形態における波長可変光フイルタ装置の構成を示す。光ファイバ９の出射端面にコリメートレンズ１０を配置してコリメート光１１を得る光学系を一対用意する。この光学系を、図４に示すように、対向させることにより、光ファイバ９間をコリメート光１１で結合する系を実現する。そして、図１または図２のディスク状の波長可変光フィルタ（ディスク）１をこのコリメート光１１内に、コリメート光１１が波長可変光フィルタ１の基板４に垂直に透過するように配置する。
【００５１】
この構成により、コリメート光１１の光軸に沿って実効的な光共振器が形成される。ディスク１を回転させると、コリメート光１１の透過位置が変わり、上記の実効的な共振器の長さが変わる。従って、ディスク１を精密に回転すれば、透過光スペクトルの中心波長を精密に制御できる。ディスク１の円周に沿った見込み角に対しての共振器長の変化率は微小で、機械的位置決め制御であってもサブナノメートル以下の超微小長さ制御が可能である。
【００５２】
さらに、ディスク１を偏芯がないようにモータのスピンドル（図示しない）に取りつければ、高速回転が可能となり、従って、高速波長掃引が可能となる。
【００５３】
（第４の実施の形態）
図５は、本発明の第４の実施の形態における波長可変光フイルタ装置の構成を示し、図４の構成に駆動系を加えた具体例を示す。ディスク１を回転させるモータには電圧により回転数の制御が可能なサーボモータ１６を用いている。サーボモータ１６は瞬時の回転速度信号１３を発生するエンコーダ（図示しない）を備えている。モータ駆動回路１４はこの回転速度信号１３をモニタし、ディスク１の回転速度が一定となるようにサーボモータ１６に駆動信号１２を与えることにより安定なディスク回転を得る。
【００５４】
このような駆動制御を行う方法として、例えば、リファレンス（参照信号）となる安定な電気信号と上記の回転速度信号１３とを位相比較して、その誤差信号成分を適当なループフィルタ（図示しない）により位相補償して、電気信号に同期した回転を得る公知の位相同期ループ回路が利用できる。
【００５５】
（第５の実施の形態）
図６は、本発明の第５の実施の形態における波長可変光フイルタ装置の構成を示し、図５の構成に透過光スペクトルの中心波長を線形掃引するための制御系を加えた具体例を示す。ディスク状の可変光フィルタ１の外縁部にはロータリーエンコーダマーク５が備えられ、エンコーダセンサ１５によりＺ相信号，Ａ相信号、およびＢ相信号を得る。これらの信号はカウンター回路１８に入力され、そのカウント値によりＺ相を基準とするディスク１の位置情報を得る。
【００５６】
課題を解決するための手段の欄で詳述したように、この位置情報を演算処理プロセッサ１９により処理すれば、瞬時の回転速度ω_０が得られ、さらに不揮発性メモリ２１に予め記憶した最適瞬時回転速度を参照することで、一定の掃引透過波長を得るための回転数補正値δωを得られ、この回転数補正値δωを微調整量２４として入出力インタフェイス２２を介して回転数微調整回路２５へ与える。同時に、サーボモータ１６自体を安定回転させるモータ駆動回路１４へは前述のように入出力インタフェイス２２を介して回転速度信号１３が入力される。
【００５７】
回転数微調整回路２５では、これらの信号（微調整量２４と回転速度信号１３）から最適な回転を与える駆動信号１２を得て、この駆動信号１２によりサーボモータ１６を制御し、これにより一定の割合での透過中心波長（透過光スペクトルの中心波長）の掃引速度を実現する。
【００５８】
このようなサーボ制御系は、データバス２３により速やかにデータを転送することにより、演算処理を含むループでも成立する。
【００５９】
（他の実施の形態）
なお、上記の最適な回転を与える駆動信号１２は演算処理プロセッサ１９により計算処理して生成することも可能であり、この場合は、この最適な回転を与える駆動信号１２を入出力インタフェイス２２を介してモータ駆動回路１４に直接入力して回転制御しても、線形の透過中心波長掃引速度を実現できる。
【００６０】
また、上記第５の実施の形態では、不揮発性メモリー２１に最適瞬時回転速度を記憶するようにしたが、本発明はこれに限定されず、不揮発性メモリー２１には前記カウンター手段から提供される位置情報をパラメータとして、透過光スペクトルの中心波長とこの中心波長の変化率を予め記憶させ、上記の一定の掃引透過波長を得るための回転数補正値δωを生成する際に、演算処理プロセッサ１９によりその中心波長の変化率を基に最適瞬時回転速度を算出させるように構成してもよい。
【００６１】
また、上記の最適瞬時回転速度、瞬時回転速度は、それぞれ最適瞬時角速度、瞬時角速度であってもかまわない。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、機械的擾乱を受けることなく、波長分解能のみならず波長確度が高い高速波長分別を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における光フィルタの外形を示す斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態における光フィルタの共振器構造を示す断面図である。
【図３】（Ａ）は本発明の第２の実施の形態における光フィルタの外形を示す斜視図であり、（Ｂ）はその光フィルタの外周縁に設けたロータリーエンコーダマークの拡大図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態における波長可変光フイルタ装置の構成を示す斜視図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態における波長可変光フイルタ装置の構成を示す斜視図である。
【図６】本発明の第５の実施の形態における波長可変光フイルタ装置の構成を示すブロック図である。
【図７】エタロン型の波長可変光フィルタの波長分別作用の原理を説明するグラフである。
【符号の説明】
１ディスク状の波長可変光フィルタ（ディスク）
２スペーサー層
３高反射率ミラー（多層高反射率コーティング）
４平行平面基板
５ロータリーエンコーダマーク
６Ｚ相マーク
７Ａ相マーク
８Ｂ相マーク
９光ファイバ
１０コリメートレンズ
１１コリメート光
１２駆動信号
１３回転速度信号
１４モータ駆動回路
１５エンコーダセンサ
１６サーボモータ
１８カウンター回路
１９演算処理プロセッサ
２０ランダムアクセスメモリ
２１不揮発性メモリー
２２入出力インタフェース
２３データバス
２４微調整量[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an etalon type optical filter having a variable transmission center wavelength, and a wavelength tunable optical filter device that sweeps the transmission center wavelength at high speed using the optical filter.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, an etalon type optical filter has been used as a narrow band optical filter necessary for optical spectrum analysis. An etalon-type optical filter refers to an optical resonator formed between two mirrors arranged to face each other. Light that can pass through such an optical resonator is limited to light having a specific wavelength. This wavelength is equal to the resonance wavelength of the optical resonator, and the higher the Q value of the resonator, the narrower the transmission wavelength bandwidth.
[0003]
In general, the transmittance T when a mirror having a reflectance R is opposed to each other is expressed by a plane wave approximation.
[0004]
[Expression 1]

[0005]
It becomes. Where λ is the transmission wavelength, L is the resonator length (distance between mirrors), and n is the refractive index of the material filled between the mirrors.
[0006]
This equation (1) is converted into optical frequency v (= c / λ),
[0007]
[Expression 2]

[0008]
And the transmission bandwidth (full width at half maximum) w is
[0009]
[Equation 3]

[0010]
It also shows that.
[0011]
Therefore, an extremely narrow transmission bandwidth can be realized by increasing the resonator length L at the same time as increasing the reflectivity of the mirror (R is made asymptotic to 1). For example, even if R = 0.99, the bandwidth (full width at half maximum) is set to w = 16 MHz (0.00125 nm) by using L = 2 mm and n = 1.5 glass as the cavity (resonator portion). Can be narrowed. This bandwidth is a conventional band-pass filter in which a half-wave spacer layer is sandwiched between high-reflection mirrors of a multilayer coating in which two types of quarter-wave films having different refractive indexes are alternately laminated. Is significantly smaller than the bandwidth (about 0.3 nm).
[0012]
Optical spectrum measurement is realized by utilizing the steep transmission wavelength characteristic of such a narrow bandwidth etalon type optical filter. FIG. 7 is a diagram for explaining the principle of the etalon type optical filter. The periodicity of the transmission wavelength characteristic indicated by the above equation (2) is shown. If the wavelength band to be measured is limited to one period, the transmission wavelength characteristic is transmitted. One of the peaks has a wavelength selection function with the transmission bandwidth as resolution. The center wavelength of this peak can be controlled by moving the mirror constituting the resonator and changing the resonator length L, as indicated by a broken line in FIG. Further, the movement amount of the mirror necessary for the peak wavelength to sweep one period is a half wavelength.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, since the transmission center wavelength of the conventional etalon type optical filter is determined by the distance between the mirrors, it is necessary to precisely control this distance in order to set the center wavelength precisely. However, since the distance between the mirrors varies mainly due to mechanical disturbances and thermal disturbances, it has been difficult to precisely set the transmission center wavelength. Here, the mechanical disturbance refers to an irregular resonator length variation caused by the natural vibration of the mirror constituting the etalon and the mount that supports the etalon, and has a band of about several tens of kilohertz. On the other hand, the thermal disturbance refers to the resonator length variation caused by the thermal expansion of the support mount, mirror substrate, and mirror itself. Because it also depends on the structure of the mechanical parts that make up the resonator, it causes drifting fluctuations that are difficult to predict.
[0014]
Furthermore, when trying to sweep the transmission center wavelength necessary for optical spectrum measurement at high speed and precisely, the limitation of speeding up due to the motion form and mechanical disturbances inherently generated by the moving mechanism are the purpose of the high speed and precise sweep. It was a major hindrance factor. Here, the motion form means a reciprocating linear motion accompanied by an acceleration motion along the optical axis of the resonator for wavelength sweeping, and the sweep speed is limited by the driving force of the actuator.
[0015]
The present invention has been made in view of the above-described points, and an object of the present invention is to provide an etalon-type optical filter that is not affected by mechanical disturbance while the transmission center wavelength is variable, and the transmission center wavelength by using this optical filter. An object of the present invention is to provide a wavelength tunable optical filter device that can be swept at high speed and precisely.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, an optical filter according to claim 1 of the present invention is a tunable optical filter having a disk-shaped outer shape, a disk-shaped transparent parallel flat substrate, and a film thickness of the disk. A cavity layer (resonator part) is formed with a spacer layer consisting of a dielectric film that changes with respect to the prospective angle around the rotation axis and has the same refractive index as that of the above substrate, and multilayer coating is provided on both sides thereof. An etalon type resonator is configured by arranging a high reflectivity mirror made of
[0017]
With this configuration, if the optical filter of the present invention is used, it is not necessary to move the mirror directly in order to control the resonator length, and mechanical disturbance can be eliminated.
[0018]
Here, a rotary encoder mark for detecting an absolute position may be provided on either the outer edge or the disk surface of the disk-shaped variable wavelength optical filter (hereinafter referred to as a disk). With this configuration, the wavelength characteristic of the optical filter can be predicted only from the material properties without depending on the structure of the mechanical component of the resonator.
[0019]
In order to achieve the above object, a wavelength tunable optical filter device according to a third aspect of the present invention includes an optical system that connects a pair of opposed optical fibers with a collimated beam. The wavelength tunable optical filter described in 1 or 2 is disposed so as to pass perpendicularly to the substrate of the wavelength tunable optical filter, and the disk (disk-shaped wavelength tunable optical filter) is rotated to transmit the collimated beam. The transmission wavelength characteristic is controlled by changing the position.
[0020]
With such a configuration that limits the incident angle, the tunable optical filter device of the present invention can sweep the transmission center wavelength with high accuracy and high speed without depending on beam alignment.
[0021]
Here, the drive mechanism for rotating the disk may include control means for performing constant speed rotation in synchronization with an electric signal. With this configuration, the disk can be rotated at a constant speed with electrical accuracy. As a result, the transmission center wavelength can be stably and rapidly swept away from mechanical disturbances.
[0022]
According to a fifth aspect of the present invention, the present invention provides a detection means for detecting a rotary encoder mark provided in the wavelength tunable optical filter according to the second aspect, and counts the output of the detection means by counting the output of the detection means. Counter means for providing the position information of the wavelength tunable optical filter, and using the position information provided by the counter means as parameters, the center wavelength of the transmitted light spectrum and the rate of change of the center wavelength are obtained, and the transmission rate is determined from the rate of change. A first calculation means for calculating an optimum instantaneous rotation speed so that a time change rate of the center wavelength of the optical spectrum is constant, and an optimum instantaneous rotation speed using the position information calculated by the first calculation means as a parameter are stored. The instantaneous rotation speed is calculated from the position information provided from the storage means and the counter means, and the optimum instantaneous rotation speed of the storage means is calculated from the position information. The second calculation means for calculating the deviation from the instantaneous rotation speed with reference to the above, and the rotation speed of the motor that rotates the wavelength tunable optical filter with the deviation calculated by the second calculation means as the rotation speed correction value And a rotation speed control means for adjusting. With this configuration, the center wavelength of the transmitted light spectrum can be swept linearly.
[0023]
By using, for example, an arithmetic processor and a random access memory as the calculation means, the position information provided from the counter circuit is used as a parameter (expected angle) to determine the center wavelength of the transmitted light spectrum and the rate of change of this center wavelength. From the change rate, it is possible to calculate the optimum instantaneous rotation speed so that the time change rate of the center wavelength of the transmitted light spectrum is constant. That is, the relationship between the center wavelength λc of the transmitted light spectrum and the prospective angle θ is
[Expression 4]

[0025]
And Here, Π (θ) represents a deviation from the linearity of the rate of change of the transmission center wavelength with respect to the prospective angle. From this equation (4), the time change rate of the transmission center wavelength is
[0026]
[Equation 5]

[0027]
Can be written. Here, the time derivative of the angle is the instantaneous rotational angular velocity ω of the disk. Separate the instantaneous angular velocity into a constant rotational speed and deviation component.
[Formula 6]

[0029]
And write
[0030]
[Expression 7]

[0031]
It becomes. Here, the secondary minute amount was ignored. Assume that the temporal change rate of the transmission center wavelength is always constant as follows.
[0032]
[Equation 8]

[0033]
Applying this to equation (7) above,
[0034]
[Equation 9]

[0035]
It becomes. This δω is a correction value of the rotational angular velocity of the disk for satisfying the equation (8). Therefore, the instantaneous angular velocity is [0036]
[Expression 10]

[0037]
The transmission center wavelength is swept linearly by controlling the rotation of the disk.
[0038]
By using an arithmetic processor and random access memory, the instantaneous rotation speed is measured from the disk position information provided by the counter circuit, and at the same time, the optimum instantaneous rotation for the expected angle stored in the nonvolatile memory based on the disk position information. The deviation from the actually measured instantaneous rotational speed can be calculated with reference to the speed. If this deviation is input as a rotational speed correction value (error signal) to a circuit that finely adjusts the rotational speed of the motor, a linear sweep of the center wavelength of the transmitted light spectrum can be realized.
[0039]
The invention described in claim 6 is a modification of the invention described in claim 5, and includes a detection means for detecting a rotary encoder mark provided on the wavelength tunable optical filter according to claim 2, Counter means for counting the output and providing the count value as position information of the tunable optical filter, and storing the center wavelength of the transmitted light spectrum and the change rate of the center wavelength using the position information provided from the counter means as a parameter The instantaneous rotation speed is calculated from the position information provided from the storage means and the counter means, and the change rate of the center wavelength of the transmitted light spectrum of the storage means is referred to from the position information, and the center wavelength of the transmitted light spectrum is calculated from this change rate. Calculate the optimum instantaneous rotation speed so that the rate of change in time is constant, calculate the deviation between the optimum instantaneous rotation speed and the calculated instantaneous rotation speed, It characterized by having a calculating means for generating a driving signal which gives the optimum rotation to the motor for rotating the wavelength-tunable optical filter as a rotation speed correction value differences.
[0040]
Embodiment
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0041]
(First embodiment)
FIG. 1 shows the outer shape of a wavelength tunable optical filter according to a first embodiment of the present invention. The wavelength tunable optical filter 1 has a disk shape. An inner periphery and an outer periphery of a disk (disk-shaped wavelength tunable optical filter) 1 are substantially concentric. The transmission wavelength characteristic of the wavelength tunable optical filter 1 changes linearly (at a constant rate) with respect to the expected angle around the disc rotation axis.
[0042]
FIG. 2 shows a cross-sectional structure of the wavelength tunable optical filter 1 described above. A dielectric multilayer spacer layer 2 having a film thickness that changes in proportion to the prospective angle is deposited on a disk-like parallel flat substrate 4. By matching the refractive index of the substrate 4 with the refractive index of the dielectric film of the spacer layer 2, they act as an integral optical medium. In order to match the refractive indexes, the materials of these optical media may be the same. For example, when fused quartz is used for the substrate 1, a dense SiO ₂ film having the same refractive index as that of the bulk deposited by the sputtering method can be used as the spacer layer 2. A high reflectivity mirror 3 made of a multilayer high reflectivity coating is applied to the front and back of the film-coated substrate.
[0043]
The multilayer high reflectivity coating is obtained by alternately laminating two types of quarter-wave films having different refractive indexes. The higher refractive index of the quarter-wave film is preferably higher than the refractive index of the substrate 4. If these two types of films are H and L (H: high refractive index, L: low refractive index), the layer structure of the high reflectivity mirror 3 is:
[0044]
[Expression 11]

[0045]
n is a positive integer.
[0046]
With such a configuration, the tunable optical filter 1 whose wavelength characteristics change along the circumferential direction can be realized. Note that the wavelength characteristics do not change in the radial direction of the disk (disk-shaped wavelength tunable optical filter) 1.
[0047]
(Second Embodiment)
FIG. 3 shows a wavelength tunable optical filter according to the second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3A, a rotary encoder mark 5 is provided on the outer periphery of the disk (disk-shaped variable optical filter) 1 having the configuration described in FIGS. When the mark 5 is applied on the disk surface, the vicinity of the outer edge of the disk 1 becomes a mark drawing area in order to maximize the angular resolution.
[0048]
As shown in FIG. 3B, general marks that can be used as the rotary encoder mark 5 include a Z-phase mark 6, an A-phase mark 7, and a B-phase mark 8. The Z-phase mark 6 is a mark that gives a reference of the prospective angle and is given only once per round. The A-phase mark 7 and the B-phase mark 8 are marks that give a relative angle of the prospective angle, and the rotation direction can be known by a phase difference that is shifted by 90 degrees from each other. When such a mark 5 is detected by transmitted light, a metal film pattern such as chromium can be used. Even when the filter region covers the entire surface of the disk 1, light having a wavelength significantly different from the wavelength to be filtered can pass through the filter and can be used as mark detection light. For example, when the filter is intended for a long wavelength band of 1.5 μm, a short wavelength light of 0.8 μm can be used.
[0049]
When the temperature changes, the transmission wavelength characteristic of the optical filter 1 changes due to thermal expansion. However, the position of the rotary encoder mark 5 does not change with respect to the circumferential direction regardless of the temperature change. For this reason, the temperature characteristic of the transmission wavelength characteristic of the optical filter 1 can be predicted because it substantially depends only on the material properties (thermal expansion coefficient) constituting the resonator of the optical filter 1. That is, the correction value of the transmission wavelength characteristic can be easily calculated from the output of the temperature sensor. Furthermore, if SiO ₂ having an extremely low expansion coefficient is used as the material of the resonator, it is possible to realize a temperature-stable wavelength tunable optical filter having extremely low temperature dependence.
[0050]
(Third embodiment)
FIG. 4 shows the configuration of a wavelength tunable optical filter device according to the third embodiment of the present invention. A pair of optical systems for obtaining collimated light 11 by arranging a collimating lens 10 on the emission end face of the optical fiber 9 is prepared. As shown in FIG. 4, this optical system is opposed to realize a system in which the optical fibers 9 are coupled with collimated light 11. Then, the disk-shaped wavelength tunable optical filter (disk) 1 shown in FIG. 1 or 2 is arranged in the collimated light 11 so that the collimated light 11 is transmitted perpendicularly to the substrate 4 of the wavelength tunable optical filter 1.
[0051]
With this configuration, an effective optical resonator is formed along the optical axis of the collimated light 11. When the disk 1 is rotated, the transmission position of the collimated light 11 changes, and the effective resonator length changes. Therefore, if the disk 1 is precisely rotated, the center wavelength of the transmitted light spectrum can be precisely controlled. The rate of change of the resonator length with respect to the prospective angle along the circumference of the disk 1 is very small, and ultra-fine length control of sub-nanometers or less is possible even with mechanical positioning control.
[0052]
Further, if the disk 1 is mounted on a motor spindle (not shown) so as not to be eccentric, high-speed rotation is possible, and therefore high-speed wavelength sweep is possible.
[0053]
(Fourth embodiment)
FIG. 5 shows the configuration of a wavelength tunable optical filter device according to the fourth embodiment of the present invention, and shows a specific example in which a drive system is added to the configuration of FIG. A servo motor 16 capable of controlling the number of rotations by voltage is used as a motor for rotating the disk 1. The servo motor 16 includes an encoder (not shown) that generates an instantaneous rotation speed signal 13. The motor drive circuit 14 monitors the rotation speed signal 13 and gives a drive signal 12 to the servo motor 16 so that the rotation speed of the disk 1 is constant, thereby obtaining stable disk rotation.
[0054]
As a method for performing such drive control, for example, a stable electric signal serving as a reference (reference signal) and the rotational speed signal 13 are compared in phase, and an error signal component thereof is appropriately loop-filtered (not shown). A known phase-locked loop circuit that obtains rotation synchronized with the electric signal by phase compensation by the above can be used.
[0055]
(Fifth embodiment)
FIG. 6 shows the configuration of a wavelength tunable optical filter device according to the fifth embodiment of the present invention, and shows a specific example in which a control system for linearly sweeping the center wavelength of the transmitted light spectrum is added to the configuration of FIG. . A rotary encoder mark 5 is provided on the outer edge of the disk-shaped variable optical filter 1, and a Z-phase signal, an A-phase signal, and a B-phase signal are obtained by the encoder sensor 15. These signals are input to the counter circuit 18, and the position information of the disk 1 based on the Z phase is obtained from the count value.
[0056]
As described in detail in the section of the means for solving the problem, if this position information is processed by the arithmetic processor 19, an instantaneous rotational speed ω ₀ can be obtained, and the optimum instantaneous stored in the nonvolatile memory 21 in advance. By referring to the rotational speed, a rotational speed correction value δω for obtaining a constant sweep transmission wavelength can be obtained, and this rotational speed correction value δω is used as a fine adjustment amount 24 to finely adjust the rotational speed via the input / output interface 22. To the circuit 25. At the same time, the rotational speed signal 13 is input to the motor drive circuit 14 that stably rotates the servo motor 16 itself via the input / output interface 22 as described above.
[0057]
The rotation speed fine adjustment circuit 25 obtains a drive signal 12 that gives an optimum rotation from these signals (fine adjustment amount 24 and rotation speed signal 13), and controls the servo motor 16 by this drive signal 12, thereby making it constant. The sweep speed of the transmission center wavelength (the center wavelength of the transmitted light spectrum) at the rate of is realized.
[0058]
Such a servo control system is established even in a loop including arithmetic processing by transferring data quickly by the data bus 23.
[0059]
(Other embodiments)
The drive signal 12 that gives the optimum rotation can be generated by calculation processing by the arithmetic processor 19. In this case, the drive signal 12 that gives the optimum rotation is sent to the input / output interface 22. A linear transmission center wavelength sweep speed can be realized even if the rotation is directly input to the motor drive circuit 14 via the rotation control.
[0060]
In the fifth embodiment, the optimum instantaneous rotational speed is stored in the nonvolatile memory 21, but the present invention is not limited to this, and the nonvolatile memory 21 is provided by the counter means. When the position information is used as a parameter, the central wavelength of the transmitted light spectrum and the rate of change of the central wavelength are stored in advance, and the rotational speed correction value δω for obtaining the above-described constant sweep transmission wavelength is generated. Thus, the optimum instantaneous rotation speed may be calculated based on the change rate of the center wavelength.
[0061]
Further, the optimum instantaneous rotational speed and the instantaneous rotational speed may be the optimum instantaneous angular speed and the instantaneous angular speed, respectively.
[0062]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to perform high-speed wavelength classification with high wavelength accuracy as well as wavelength resolution without receiving mechanical disturbance.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing an outer shape of an optical filter according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a resonator structure of the optical filter according to the first embodiment of the present invention.
3A is a perspective view showing an outer shape of an optical filter according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 3B is an enlarged view of a rotary encoder mark provided on the outer peripheral edge of the optical filter. .
FIG. 4 is a perspective view illustrating a configuration of a wavelength tunable optical filter device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a perspective view illustrating a configuration of a wavelength tunable optical filter device according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of a wavelength tunable optical filter device according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a graph for explaining the principle of wavelength separation action of an etalon type tunable optical filter.
[Explanation of symbols]
1 Disc-shaped tunable optical filter (disc)
2 Spacer layer 3 High reflectivity mirror (Multilayer high reflectivity coating)
4 Parallel plane substrate 5 Rotary encoder mark 6 Z phase mark 7 A phase mark 8 B phase mark 9 Optical fiber 10 Collimating lens 11 Collimated light 12 Drive signal 13 Rotational speed signal 14 Motor drive circuit 15 Encoder sensor 16 Servo motor 18 Counter circuit 19 Arithmetic processor 20 Random access memory 21 Non-volatile memory 22 Input / output interface 23 Data bus 24 Fine adjustment amount

Claims

A disk-shaped tunable optical filter,
A disk-like transparent parallel flat substrate;
A spacer layer of a dielectric film having a film thickness that is laminated on one surface of the substrate and changes in proportion to a prospective angle around the axis of rotation of the disk, and having the same refractive index as the substrate;
A high reflectivity mirror made of a multilayer coating laminated on the upper surface of the spacer layer and the other surface of the substrate,
An optical filter, wherein the spacer layer and the substrate are integrated to form a resonator portion.

2. The optical filter according to claim 1, further comprising a rotary encoder mark for detecting an absolute position on either an outer edge of the disk-shaped wavelength tunable optical filter or a disk surface of the wavelength tunable optical filter. .

3. An optical system that connects a pair of opposed optical fiber ends with a collimated beam so that the collimated beam passes vertically through the substrate of the wavelength tunable optical filter according to claim 1 or 2. The wavelength tunable optical filter device is characterized in that the transmission wavelength characteristic is controlled by rotating the disk-shaped wavelength tunable optical filter and changing the transmission position of the collimated beam.

4. The wavelength tunable optical filter device according to claim 3, wherein the drive mechanism for rotating the disk-shaped wavelength tunable optical filter has a control means for performing constant speed rotation synchronized with an electric signal.

Detection means for detecting the rotary encoder mark provided in the wavelength tunable optical filter according to claim 2;
Counter means for counting the output of the detection means and providing the count value as position information of the wavelength tunable optical filter;
Using the position information provided from the counter means as a parameter, the center wavelength of the transmitted light spectrum and the rate of change of the center wavelength are obtained, and the time rate of change of the center wavelength of the transmitted light spectrum is constant from the rate of change. First calculating means for calculating a suitable optimum instantaneous rotational speed;
Storage means for storing the optimum instantaneous rotation speed using the position information calculated by the first calculation means as a parameter;
Second computing means for calculating an instantaneous rotational speed from the position information provided by the counter means and calculating a deviation from the instantaneous rotational speed by referring to the optimum instantaneous rotational speed of the storage means from the position information When,
4. A rotation speed control means for finely adjusting a rotation speed of a motor that rotates the wavelength tunable optical filter using the deviation calculated by the second calculation means as a rotation speed correction value. 5. The wavelength tunable optical filter device according to 4.

Detection means for detecting the rotary encoder mark provided in the wavelength tunable optical filter according to claim 2;
Counter means for counting the output of the detection means and providing the count value as position information of the wavelength tunable optical filter;
Storage means for storing the center wavelength of the transmitted light spectrum and the rate of change of the center wavelength using the position information provided from the counter means as a parameter;
The instantaneous rotational speed is calculated from the position information provided from the counter means, and the change rate of the center wavelength of the transmitted light spectrum of the storage means is referred to from the position information, and the transmitted light spectrum is calculated from the change rate. An optimum instantaneous rotation speed is calculated such that the rate of change of the central wavelength with time is constant, a deviation between the optimum instantaneous rotation speed and the calculated instantaneous rotation speed is calculated, and the deviation is used as a rotation speed correction value to determine the wavelength. 5. The wavelength tunable optical filter device according to claim 3, further comprising arithmetic means for generating a drive signal that gives an optimum rotation to a motor that rotates the variable optical filter.