DE10240211A1

DE10240211A1 - Fabry-Perot interferometer resonant frequency measurement method, which is applicable to a micro-mechanically tunable interferometer, involves measurement of the capacitance of electrodes attached to the cavity mirrors

Info

Publication number: DE10240211A1
Application number: DE2002140211
Authority: DE
Inventors: Frank Riemenschneider
Original assignee: Riemenschneider Frank Dipl-Ing
Current assignee: Riemenschneider Frank Dipl-Ing
Priority date: 2002-08-28
Filing date: 2002-08-28
Publication date: 2004-03-11

Abstract

Method for absolute measurement of the resonant frequency of a micro-mechanically tunable Fabry-Perot interferometer, whereby the resonant frequency or wavelength is determined from a filtered signal by determination of the capacitance between two electrodes attached to mirror surfaces of the interferometer cavity in areas of the mirrors that are optically not used.

Description

Ein Fabry-Perot Interferometer besteht aus zwei sich gegenüberstehenden hoch reflektierenden Spiegeln, die einen optischen Resonator bilden und ankommendes Licht spektral filtern. Die Resonanzwellenlänge des transmittierten Lichts kann durch leichtes Andern des Spiegelabstands verschoben werden. Mikromechanisch abstimmbare Fabry-Pérot Filter wurden bereits mehrfach veröffentlicht [1–3].A Fabry-Perot interferometer exists from two facing each other highly reflective mirrors that form an optical resonator and spectrally filter incoming light. The resonance wavelength of the transmitted light can be changed by slightly changing the mirror distance be moved. Micromechanically tunable Fabry-Perot filter have already been published several times [1–3].

Die genaue Messung von Spektren optischer Signale mit Hilfe von mikromechanisch hergestellten, abstimmbaren Fabry-Pérot Filtern ist prinzipiell problematisch, da sich die Resonatorlänge aufgrund geringer Erwärmung (durch geringfügige Absorption der Signalleistung) der Spiegelmembran ungewollt ändern kann. Somit lassen sich relative Frequenz-Meßmethoden nur sehr beschränkt anwenden. Das hier vorgestellte Frequenz-Meßverfahren ist unempfindlich gegenüber thermischen Schwankungen in der Membran. Dadurch lassen sich optische Spektrumanalysatoren mit Hilfe von mikromechanisch abstimmbaren Fabry-Pérot Filtern äußerst kostengünstig herstellen.The exact measurement of spectra of optical signals with the help of micromechanically manufactured, tunable Fabry-Pérot filters is principally problematic because the resonator length changes due to little warming (by slight Absorption of the signal power) of the mirror membrane can change unintentionally. Relative frequency measurement methods can therefore only be used to a very limited extent. The frequency measurement method presented here is insensitive across from thermal fluctuations in the membrane. This allows optical Spectrum analyzers with the help of micromechanically tunable Fabry-Perot Manufacture filters extremely inexpensively.

Die beschriebene Meßmethode läßt sich auch zur absoluten, temperaturunempfindlichen Frequenzreglung von abstimmbaren optischen Komponenten, wie. z.B. Laser heranziehen.The measurement method described can also for absolute, temperature-insensitive frequency control of tunable optical components, such as. e.g. Use laser.

Das hier vorgestellte Meßverfahren beruht auf der Verwendung eines mikromechanisch hergestellten, abstimmbaren Fabry-Pérot Filters, auf dessen beiden optisch ungenutzten Spiegelflächen sich jeweils im Resonatorinneren eine Metallelektrode befindet. Es wird nun ausgenutzt, daß die Kapazität zwischen diesen Elektroden in direktem Zusammenhang mit der Resonatorlänge steht. Diese wiederum ist unmittelbar an die Resonanzfrequenz bzw. Wellenlänge des gefilterten Lichts gekoppelt. Eine Bestimmung der Kapazität des Filters gibt demnach direkt Aufschluß über die absolute Frequenz des transmittierten Signals.The measuring method presented here is based on the use of a micromechanically produced, tunable Fabry-Perot Filters, on the two optically unused mirror surfaces each there is a metal electrode inside the resonator. It is now being exploited that the capacity between these electrodes is directly related to the length of the resonator. This in turn is directly related to the resonance frequency or wavelength of the filtered light coupled. A determination of the capacity of the filter therefore gives direct information about the absolute frequency of the transmitted signal.

Die Bestimmung der Kapazität kann mit herkömmlichen Verfahren, die z.B. auf der Resonanzfrequenzmessung eines elektrischen Schwingkreises beruhen, durchgeführt werden. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, daß man eine direkte Information über die Frequenz des gefilterten Signals erhält, unabhängig davon, ob die bewegliche Filtermembran und damit die Filtertransmission sich aufgrund Temperatureinflüsse verschiebt. Eine solche Verschiebung wirkt sich auch auf die zu messende Kapazität aus. Die Zuordnung von Kapazität zu Resonanzfrequenz kann im einfachsten Fall einmal gemessen und anschließend in einer Zuordnungstabelle gespeichert werden.The capacity can be determined with usual Methods which e.g. on the resonance frequency measurement of an electrical Based on the resonant circuit become. The advantage of this method is that one direct information about receives the frequency of the filtered signal, regardless of whether the moving Filter membrane and thus the filter transmission shifts due to temperature influences. Such a shift also affects the capacity to be measured. The Allocation of capacity to resonance frequency can be measured once in the simplest case and subsequently be stored in an assignment table.

Mit Hilfe dieses Verfahrens läßt sich nun sehr einfach ein optischer Spektrumanalysator realisieren (siehe Patentanspruch 2). Dazu muß lediglich das Filter kontinuierlich durchgestimmt und die entsprechende Leistung am Ausgang des Filters über der mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens ermittelten Resonanzfrequenz bzw. -wellenlänge aufgezeichnet werden. 1 zeigt ein Blockdiagramm zur Messung optischer Spektren. Ein Sägezahnsignal läßt den schmalen Transmissionspeak der Filtercharakteristik kontinuierlich über das Frequenzband fahren. Die Photodiode am Ausgang des Fabry-Pérot Filters mißt die Leistung innerhalb der Filterbandbreite, während die Kapazitätsmessung simultan dazu die Kapazität des Resonators und damit die in der Zuordnungstabelle gespeicherte Wellenlänge des Signals ermittelt.With the aid of this method, an optical spectrum analyzer can now be implemented very easily (see patent claim 2). To do this, the filter only has to be continuously tuned and the corresponding power at the output of the filter recorded over the resonance frequency or wavelength determined using the described method. 1 shows a block diagram for measuring optical spectra. A sawtooth signal allows the narrow transmission peak of the filter characteristic to travel continuously over the frequency band. The photodiode at the output of the Fabry-Pérot filter measures the power within the filter bandwidth, while the capacitance measurement simultaneously determines the capacitance of the resonator and thus the wavelength of the signal stored in the assignment table.

Dasselbe Verfahren kann nun auch angewandt werden, um ein abstimmbares Frequenzetalon zur Stabilisierung von abstimmbaren optischen Bauelementen zu realisieren (siehe Patentanspruch 3). Hierbei wird die Resonatorlänge mir Hilfe der Kapazitätsmessung so eingestellt und geregelt, daß das Filter die gewünschte Kapazität und somit die gewünschte Resonanzwellenlänge besitzt. 2 zeigt ein Blockdiagramm zur Realisierung eines Frequenzetalons in Zusammenhang mit der Frequenzstabilisierung eines abstimmbaren Lasers. Die Filterregelung stimmt die Spiegelmembran so ab, daß die über die Kapazitätsmessung ermittelte Filterresonanz mit dem vorgegebenen Sollwert übereinstimmt. Man hat so ein variables Filteretalon realisiert. Wird nun ein Teil des Lasersignals auf den Eingang des Filters gegeben, so kann die Laserregelung die Laserfrequenz so regeln, daß die Photodiode am Ausgang des Filters eine maximale Leistung empfängt. Dann ist sichergestellt, daß die Frequenz des Lasers mit dem eingestellten Sollwert übereinstimmt.The same method can now also be used to implement a tunable frequency etalon for stabilizing tunable optical components (see claim 3). The resonator length is adjusted and regulated using the capacitance measurement so that the filter has the desired capacitance and thus the desired resonance wavelength. 2 shows a block diagram for realizing a frequency acetone in connection with the frequency stabilization of a tunable laser. The filter control adjusts the mirror membrane in such a way that the filter resonance determined via the capacitance measurement corresponds to the specified target value. A variable filter salon has been realized in this way. If part of the laser signal is now applied to the input of the filter, the laser control can regulate the laser frequency so that the photodiode receives maximum power at the output of the filter. This ensures that the frequency of the laser matches the setpoint.

Zur besseren Erläuterung der Funktionsweise eines Fabry-Pérot Filters ist in 3 eine Zeichnung eines für oben genannte Anwendungen vorgesehenes Filter dargestellt. 4 zeigt eine Fotographie einer abstimmbaren, dielektrischen Spiegelmembran, welche in einem solchen Fabry-Pérot Filter zum Einsatz kommen kann. Solche Arten von Filtern wurden bereits mehrfach veröffentlicht u.a. in [1–3].For a better explanation of how a Fabry-Perot filter works, see in 3 a drawing of a filter intended for the above applications is shown. 4 shows a photograph of a tunable, dielectric mirror membrane, which can be used in such a Fabry-Perot filter. Such types of filters have been published several times, including in [1–3].

VeröffentlichungenPublications

[1] M. Aziz et al., "Micromachined two-chip WDM-Filter with stable half-symmetric cavity'", SPIE Annual Meeting 2001, Proc. 4455 (2001), S.198–197.
[2] F. Riemenschneider et al., "Low-Cost Electrothermally Tunable Optical Microcavities based on GaAs", accepted for publication in IEEE Photonics Technology Letters, Nov. 2002
[3] F. Riemenschneider et al., " Electro-Thermally Tunable Dielectric Mirror Membranes for Optical Filters and VCSELs", accepted for publication at ECOC 2002, Kopenhagen.[ 1] M. Aziz et al., "Micromachined two-chip WDM filter with stable half-symmetric cavity '", SPIE Annual Meeting 2001, Proc. 4455 (2001), pp. 198-197.
[2] F. Riemenschneider et al., "Low-Cost Electrothermally Tunable Optical Microcavities based on GaAs", accepted for publication in IEEE Photonics Technology Letters, Nov. 2002
[3] F. Riemenschneider et al., "Electro-Thermally Tunable Dielectric Mirror Membranes for Optical Filters and VCSELs", accepted for publication at ECOC 2002, Copenhagen.

Claims

Procedure for absolute measurement of the reso The frequency of a micromechanically tunable Fabry-Perot interferometer, characterized in that the absolute determination of the resonance frequency or wavelength of the filtered signal is based on the determination of the capacitance between two electrodes attached to the optically unused mirror surfaces of the Fabry-Pérot interferometer.

measurement methods according to claim 1, characterized in that this measurement methods used to determine the spectrum of an optical signal the resonance of the tunable filter over the the frequency range to be measured is tuned.

measurement methods according to claim 1, characterized in that this Method for realizing a tunable frequency etalon for frequency stabilization optically tunable components, e.g. tunable laser is used.