DE69825798T2 - Filtermodul mit scheibenförmigem abstimmbarem optischen Filter - Google Patents

Filtermodul mit scheibenförmigem abstimmbarem optischen Filter Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein scheibenförmiges optisches Filter und insbesondere auf ein abstimmbares optisches Filtermodul.
  • Es wurde ein Transmissionssystem vom Wellenlängenmultiplex-Typ vorgeschlagen zum Übertragen einer großen Kapazität bzw. Volumens von Signalen, unter Verwendung von Licht von verschiedenen Wellenlängen. In solch einem System ist es bekannt, dass es ein Bedürfnis für eine Technik gibt, zum Unterscheiden und Überwachen jeder Wellenlänge. Eine typische herkömmliche Technik zur Wellenlängenunterscheidung ist eine, die Reflektion durch einen Gitterspiegel verwendet, der zum Unterscheiden jeder Wellenlänge bei einer hohen Auflösung (die minimale Auflösung aktuell erhältlich ist ungefähr 0,1 nm) in der Lage ist, abhängig von einem Einfallswinkel bezüglich des Gitters, sodass er zur Messung als ein optischer Spektrumsanalysator weitverbreitet benutzt wird. Weiterhin gibt es als eine Wellenlängeunterscheidungsvorrichtung mit sogar noch höherer Auflösung eine Vorrichtung, die das Michelson Interferometer benutzt, der kommerziell erhältlich ist.
  • Diese zwei herkömmlichen Vorrichtungen sind passend für eine Wellenlängenunterscheidungsvorrichtung für einen Messzweck, aber sie weisen Größen auf, die zu groß sind, um sie als eine Komponente mit einer Funktion zum Unterscheiden und Überwachen von Wellenlängen in einem System zu benutzen, und es gibt ein Bedürfnis für eine Wellenlängenunterscheidungsvorrichtung mit einer kompakteren Größe. Als eine Anordnung, die dieses Erfordernis erfüllen kann, gibt es einen Vorschlag einer Anordnung (rotierendes abstimmbares optisches Filter), in welcher eine Mitteltransmissionswellenlänge abstimmbar gemacht werden kann, durch Rotieren eines dielektrischen Mehrlagenfilters.
  • Jedoch weist diese Anordnung Nachteile dahingehend auf, dass die Polarisationsabhängigkeit der Transmissionseffizienz stärker wird, wenn der Einfallswinkel größer wird, und der Betriebswellenlängenbereich ist durch die Einfallswinkel begrenzt. Um diese Nachteile zu überwinden, wurde ein lineares optisches Filter vorgeschlagen, in dem die Mittelwellenlänge entlang einer geraden Linie variiert. Wenn dieses lineare optische Filter benutzt wird, kann die Mittelwellenlänge gemäß einer Position, bei der der optische Strahl hindurchgeht, ausgewählt werden. Zusätzlich gibt es in diesem linearen optischen Filter keine Änderung in dem Einfallswinkel, selbst wenn die Transmissionswellenlänge verändert wird, sodass es kaum irgendeine Polarisationsabhängigkeit gibt.
  • Auch gibt es, in diesen optischen Filtern, um die Hoch-Geschwindigkeitswellenlängenveränderung zu realisieren, ein Bedürfnis einen Hochgeschwindigkeits-Antriebsmechanismus bereitzustellen. In dieser Hinsicht weist der Rotationsmechanismus im wesentlichen eine Hochgeschwindigkeitseigenschaft auf, aber das rotierbare abstimmbare optische Filter benötigt eine Rotation einer Scheibenplatte, sodass es schwierig ist eine Balance in einer Rotation zu realisieren, sodass die Rotationsgeschwindigkeit stark begrenzt ist.
  • Auf der anderen Seite in dem Fall des linearen optischen Filters, gibt es ein Bedürfnis für einen Hochgeschwindigkeits-Schnellhinundherfahr-Bewegungsmechanismus mit einer großen Amplitude, um eine große Wellenlängenveränderungsfähigkeit zur gleichen Zeit zu realisieren. Dieses Erfordernis läuft quantitativ auf die Beschleunigung von 4 × 104 m/s2 heraus, zum Beispiel in dem Fall des Realisierens der schnellen Hin- und Herbewegung mit einer Amplitude von 10cm und einer Frequenz von 100 Hz, und die Realisierung dieser Beschleunigung durch die aktuelle erhältliche Technologie würde ein gigantisches Antriebssystem erfordern.
  • In dem Wellenlängenmultiplexnetzwerksystem ist es nun wichtig eine Referenzwellenlängen-Lichtquelle mit Bezug auf Referenzwellenlängengitter zu stabilisieren, die auf absolute Wellenlängen kalibriert sind. Herkömmlich wurde eine Distributed Feed-Back Laser Diode (DFB-LD) als die Referenzwellenlängenlichtquelle vorgeschlagen, die in der Lage ist eine Wellenlängen-steuerbare einmodige Oszillation zu realisieren, und ein Verfahren, das einen wie in 1 gezeigten Monochromator verwendet, wurde als ein Verfahren zum Stabilisieren der Referenzwellenlänge dieser DFB-LD vorgeschlagen.
  • 1 zeigt einen herkömmlichen Monochromator, in dem ein gewünschtes Spektrum erhalten wird mit einem Beugungsgitter 4 auf einem Rotationsabschnitt von einer Lichtquelle in Form einer Photodiode (PD) 1 durch einen Schlitz 2 und einen Spiegel 3, und kollimierte Strahlen werden durch einen Spiegel 5, einen Schlitz 6 und eine Linse 7 erhalten und in eine optische Faser 9 ausgegeben. Der Monochromator weist nämlich eine Wellenlängenunterscheidungsfunktion mit einer hohen absoluten Präzision bzw. Genauigkeit auf, wobei das Referenzwellenlängenlicht durch Einstellen des Monochromators auf die spezifizierte Wellenlänge und Steuern der Laseroszillationswellenlänge erhalten werden kann, sodass die Intensität des zu unterscheidenden Laserstrahls maximal wird.
  • Jedoch benötigt die Vorrichtung zum Stabilisieren der Referenzwellenlänge unter Verwendung des Monochromators, wie es in 1 gezeigt ist, ein optisches System mit einem langen optischen Strahlpfad, weil seine Wellenlängeunterscheidungsfunktion die Wellenlängenabhängigkeit von dem Beugungswinkel des Gitters verwendet, sodass die Vorrichtung groß wird.
  • Zusätzlich, um die Wellenlängenstabilisierung zu sichern, gibt es ein Bedürfnis das optische System mechanisch stark bzw. stabil zu machen, und aufgrund dessen ist es notwendig einen Rahmen mit sehr hoher Steifheit bereitzustellen.
  • Auch wird zu einer Zeit des Steuerns der Oszillationswellenlänge gewöhnlich eine Differenz zwischen zwei Wellenlängen aufgenommen und ein Feedback bereitgestellt, sodass diese Differenz annulliert wird, aber es ist schwierig die Differenz zwischen zwei Spitzen des Spektrums aufzunehmen, sodass die Oszillationswellenlänge gewöhnlich bei einer niedrigen Frequenz (5 bis 10 KHz) nahe der spezifizierten Wellenlänge moduliert wird. Jedoch wird dieser Modulation eine Intensitätsmodulationskomponente übergelagert und diese Intensitätsmodulation kann einige Probleme aufgrund von Rauschen zu einer Zeit einer Taktgewinnung oder ähnlichem in dem Transmissionssystem hervorgerufen.
  • Es ist zu erwähnen, dass durch Rotieren des Beugungsgitters bei hoher Geschwindigkeit in dem oben beschriebenen Monochromator es möglich ist eine abtastservo-artige Wellenlängen-Kontroll- bzw. Steuervorrichtung zu konstruieren, zum Erzeugen von guten kontinuierlichen monochromatischen Lichtern ohne Wellenlängenmodulation, aber solch eine Vorrichtung weist ein Problem dadurch auf, dass der Abtastservo nicht richtig funktionieren kann, da eine Grenze in dem Kleinermachen der Abtastperiode auftritt, weil das Beugungsgitter anders als in dem Fall der Scheibe, mit einer starken Begrenzung der Anzahl von Rotationen in Zusammenhang steht.
  • Des weiteren wurde der Beugungsgittermonochromator allgemein zu dem Zweck eines Ausführens der Wellenlängenspektrumsanalyse verwendet, die die grundlegende Technik der optischen Messung darstellt. In diesem Fall wird die spezifische Wellenlänge durch Beugen nur einer Wellenlänge unterschieden, die die Bragg-Bedingung erfüllt, und die zu unterscheidende Wellenlänge wird durch Rotieren des Beugungsgitters ausgewählt. Hier wird eine Übereinstimmung zwischen der Wellenlänge und dem Rotationswinkel eindeutig definiert, sodass die hohe Präzisionsmessung durch akkurates Steuern des Rotationswinkels möglich wird. Jedoch verlangt dies einen langen optischen Strahlpfad, um die hohe Auflösung zu erhalten, und deshalb ist es schwierig ein Modul zu bilden, das passend für eine Einbeziehung in ein System ist, sodass seine Anwendbarkeit begrenzt wurde.
  • Die herkömmliche optische Paketerzeugungsvorrichtung erzeugt nun optische Pakete unter Verwendung eines Wellenlängenschalters basierend auf einem AOTF, (Akoustooptischen abstimmbares Filter). Es sei bemerkt, dass sich in der vorliegenden Beschreibung durchgehend die optischen Pakete auf eine Zeitfolge von monochromatischen Pulslichtern mit Wellenlängen beziehen, die sich durch ein konstantes Zeitintervall unterscheiden.
  • Dieses AOTF arbeitet, wie ein Schmalbandbreiten-Wellenlängenauswahlschalter durch Verwenden von oberflächenelastischen Wellen auf einem elektrooptischen Kristall, (wie zum Beispiel LiNbO3) als Beugungsgitter und ist in der Lage eine Wellenlänge bei hoher Geschwindigkeit umzuschalten. Die Umschaltgeschwindigkeit ist bis zu 10 μs schnell oder weniger, weil es sich um elektrisches Umschalten handelt. Zum Beispiel wurde gezeigt, dass Umschalten von 1560 nm auf 1552 nm in 6 μs möglich ist durch Optimieren des Steuersystems des AOTF (siehe M. Misono et al., "High-speed wavelength switching and stabilization of an acoustooptic tunable filter for WDM network in broadcasting stations", IEEE Photonics Technol. Lett., Vol. 4, Seiten 572-574, 1996; und H. Hermann et al., "Low-Loss Tunable Integrated Acoustooptical Wavelength Filter in LiNbO3 with Strong Sidelobe Suppression", IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 10, No. 1, Seiten 120-122, Januar 1998).
  • Die Wellenlängenauswahlfunktion des AOTF verwendet die Wellenlängenabhängigkeit von dem Beugungsgitter. Aus diesem Grund ergibt sich eine Grenze für eine Wellenlänge, bei der das gebeugte Licht wieder in die optische Faser gekoppelt werden kann, sodass die betriebsfähige Wellenlängenbandbreite begrenzt wird. Dieser Bereich ist aktuell ungefähr 10 nm.
  • Auf der anderen Seite benötigt das Netzwerksystem mit einem großen Umfang, das ein CATV Übertragungssystem oder ähnliches enthält, ein Zuführen von optischen Paketen durch Umschalten von Wellenlängen über eine weite Bandbreite. Die tatsächlich benötigte Wellenlängenbandbreite hängt von dem individuellen System ab, aber über 100 nm ist im allgemeinen erwünscht. Daher war die Bandbreite des aktuell erhältlichen AOTF ungenügend für diesen Zweck.
  • In US-A-3832548 wird ein Gasdetektor offenbart, der ein rotierbares optisches Filter verwendet, wobei ein Teil dessen zwischen eine Probenzelle und einen Detektor platziert wird.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein abstimmbares optisches Filter in Form eines Moduls passend zum Integrieren in einem System bereitzustellen, welches nicht mit den herkömmlich anzutreffenden Limitierung in seiner Anwendung verbunden ist.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein scheibenförmiges optisches Filtermodul bereitgestellt, umfassend ein scheibenförmiges optisches Filter mit einer solchen Filtercharakteristik, dass eine mittlere Transmissionswellenlänge bzw. Mitteltransmissionswellenlänge linear variiert entlang einer Umfangsrichtung in Bezug auf einen Drehwinkel; einen Abtastmechanismus zum Abtasten eines weiten Bereichs von mittleren Transmissionswellenlängen durch Drehen des scheibenförmigen optischen Filters um eine Drehachse, welche lotrecht zu einer Ebene des scheibenförmigen optischen Filters in einem Zentrum des scheibenförmigen optischen Filters verläuft während des Abstimmens von auf das scheibenförmige optische Filter einfallender optischer Strahlen; gekennzeichnet durch einen Korrekturmechanismus zum Steuern einer Transmissionsposition der optischen Strahlen des Abtastmechanismus durch Bewegen der Transmissionsposition der optischen Strahlen in tangentialer Richtung, um eine von dem Abtastmechanismus abgetastete Abweichung der mittleren Transmissionswellenlänge zu korrigieren.
  • Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen ersichtlich, in welchen:
  • 1 ein schematisches Diagramm zeigt, das eine Konfiguration eines herkömmlichen Monochromators zeigt;
  • 2 ein Diagramm zeigt, das eine Grundkonfiguration eines scheibenförmigen optischen Filters zeigt, das nicht gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist;
  • 3 ein Blockdiagramm zeigt, das eine spezifische Konfiguration einer ersten Hochgeschwindigkeits-Wellenlängenunterscheidungsvorrichtung zeigt, die nicht gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist, aber die zum Verständnis derselben nützlich ist;
  • 4A ein Diagramm zeigt, das eine Zeiteinteilungs-Detektionsmarkierung zeigt, die auf einem scheibenförmigen optischen Filter in der ersten Hochgeschwindigkeits-Wellenlängenunterscheidungsvorrichtung nach 3 bereitgestellt ist;
  • 4B ein Zeiteinteilungsschaubild zeigt, das ein Verfahren der Startzeiteinteilungsdetektion gemäß der in 4A gezeigten Zeiteinteilungs-Detektionsmarkierung zeigt;
  • 5 ein Diagramm zeigt, das ein scheibenförmiges optisches Filter zeigt, das in einem abstimmbaren optischen Filtermodul gemäß der vorliegenden Erf indung verwendet wird;
  • 6 ein Diagramm zeigt, das eine Konfiguration des scheibenförmigen optischen Filters zeigt, das in dem abstimmbaren optischen Filtermodul gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
  • 7 ein Schaubild zeigt, das eine beispielhafte Beziehung zwischen einer Mitteltransmissionswellenlänge und einem Betrachtungswinkel für das scheibenförmige optische Filter zeigt, das in dem abstimmbaren optischen Filtermodul gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
  • 8 ein Diagramm zeigt, das eine Korrektur einer in dem abstimmbaren optischen Filtermodul gemäß der vorliegenden Erfindung herzustellenden Transmissionsposition der optischen Strahlen zeigt;
  • 9 ein Diagramm zeigt, das eine Konfiguration eines ersten abstimmbaren optischen Filtermoduls gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 10 ein Blockdiagramm zeigt, das eine Konfiguration eines Steuersystems für das abstimmbare optische Filtermodul gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 11 ein Diagramm zeigt, das eine Konfiguration eines zweiten abstimmbaren optischen Filtermoduls gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Mit Bezug auf 2 wird nun ein nicht-erfindungsgemäßes grundlegendes scheibenförmiges optisches Filter im Detail beschrieben zum Vereinfachen des Verständnisses der vorliegenden Erfindung.
  • 2 zeigt eine Grundkonfiguration der Hochgeschwindigkeits-Wellenlängenunterscheidungsvorrichtung, die ein scheibenförmiges optisches Filter 12 mit solch einer Filtereigenschaft umfasst, dass die Mitteltransmissionswellenlänge entlang einer Umfangsrichtung variiert, die auf einem optischen Strahlpfad 11 von kolliminierten Lichtern positioniert ist, sowie einen variablen Rotationsmechanismus 13 zum Rotieren des optischen Filters 12 bei einer hohen Geschwindigkeit synchron mit externen Signalen. In dieser Vorrichtung ist ein Scheibenrotationsmechanismus für den variablen Rotationsmechanismus 13 eingesetzt, um die mechanische Begrenzung der maximalen Anzahl von Rotationen zu eliminieren.
  • Es sei bemerkt, dass in 2 das scheibenförmige optische Filter 12 so angeordnet ist, dass es sich leicht von einer Richtung rechtwinklig zu einer optischen Achse des optischen Strahlpfads 11 neigt (eine vertikale Richtung der optischen Achse), aber es ist nicht notwendigerweise begrenzt auf diese Anordnung, und es ist möglich, dass scheibenförmige optische Filter 12 entlang der Richtung rechtwinklig zu der optischen Achse (die vertikale Richtung der optischen Achse) anzuordnen. Wenn das scheibenförmige optische Filter 12 so angeordnet ist, dass es leicht von der vertikalen Richtung der optischen Achse, wie in 2 gezeigt, angeordnet ist, entsteht ein Vorteil dadurch, dass ein einfallendes Licht nicht direkt zurück zu der Einfallsseite reflektiert werden wird. In solch einem Fall, ist es bevorzugt, diese Neigung so einzustellen, dass es ungefähr mehrere Radianten sind, hinsichtlich einer Beziehung mit der Filtereigenschaft.
  • Es sei bemerkt, dass die Hochgeschwindigkeitsrotationen einer Scheibe schon von dem optischen Scheiben- bzw. Plattengerät und dem Festplattengerät gezeigt werden und ungefähr 7000 Umdrehungen pro Minute (117 Hz) wird aktuell in der Praxis erreicht. Des weiteren weist, anders als bei den existierenden Plattengeräten, die einer Begrenzung aufgrund einer Speicherkapazität ausgesetzt sind, das optische Filter 12 im wesentlichen keine Begrenzung eines Scheibendurchmessers auf, sodass es auch möglich ist, weiterhin die Bedingungen zum Realisieren von Hochgeschwindigkeitsrotationen zu verfolgen.
  • Das scheibenförmige optische Filter 12 umfasst ein Substrat 14 in einer Form einer Quarzscheibe und eine Filterschicht 15 mit entlang einer Umfangsrichtung variierenden Mitteltransmissionswellenlängen, die auf dem Substrat 14 bereitgestellt wird, um die Wellenlängenunterscheidung zu realisieren. Die Filterschicht 15 wird durch die gewöhnliche dielektrische Mehrlagenschicht gebildet. Der Wellenlängenunterscheidungsbereich und die Bandbreite werden durch die Konfiguration dieser Filterschicht 15 bestimmt.
  • Hier wird Quarz für das Substrat 14 benutzt, auf dem die Filterschicht 15 zu bilden ist, aufgrund seiner hohen Transparenz, seiner hohen Verlässlichkeit bezüglich Hochgeschwindigkeitsrotationen basierend auf seiner hohen mechanischen Stärke und seiner exzellenten Stabilität gegenüber Temperatur. Einer Scheibenoberfläche des Substrats 14, die der variablen Rotationsmechanismus-13-Seite gegenüberliegt, das heißt auf der entgegensetzten Seite der Filterschicht 15, wird eine weite Bandbreiten-Antireflektions-Beschichtung angelegt.
  • In 2 sind Faserkollimatoren 18 jeder eine optische Faser 16 und eine kollimierende Linse 17 umfassend, einander gegenüberstehend angeordnet, und das scheibenförmige optische Filter 12 wird in den optischen Strahlpfad 11 eingebracht, der zwischen den Faserkollimatoren 18 gebildet ist, sodass Lichter durch das scheibenförmige optische Filter 12 hindurchgehen.
  • Es gibt ein Bedürfnis den Strahldurchmesser genügend klein zu machen, sodass die Filtereigenschaft nicht abnimmt, aber der gewöhnlich kollimierte Strahl einen Strahldurchmesser von 300 μm aufweist, der genügend klein ist bezüglich einer Scheibe von 2,5 Inch- bzw. Zoll-Durchmesser, sodass diese Bedingung erfüllt werden kann. Auch mit diesem Strahldurchmesser ist es möglich den optischen Strahl durch ungefähr 60 mm Raum unter der Bedingung des Koppelverlustes von 0.5 dB oder weniger zu propagieren, sodass es ausreicht, die in 2 gezeigte Konfiguration zu realisieren.
  • Unter Verwendung des in 2 gezeigten scheibenförmigen optischen Filters 12 ist es möglich eine Wellenlängenunterscheidungsvorrichtung zu realisieren, in der die Mitteltransmissionswellenlänge kontinuierlich über eine weite Bandbreite variiert. Insbesondere durch Bilden der Filterschicht 15, sodass die Mitteltransmissionswellenlänge linear entlang der Umfangsrichtung variiert, ist es möglich, die Wellenlängenunterscheidung synchron mit einer Zeiteinteilung bzw. Taktung zu realisieren, die von einem System mit willkürlicher Mittelwellenlängenvariationsrate verlangt wird, unter Verwendung der Steuerung einer Anzahl von Rotationen und der herkömmlichen elektrischen Synchronisierungstechnik.
  • Zum Beispiel sind, wenn mehrere optische Strahlen mit kontinuierlichen Wellenlängen, die bei gleichen Wellenlängenintervallen angeordnet sind, auf diese Wellenlängenunterscheidungsvorrichtung einfallen, können die einfallenden Lichter in Ausgabelichter in Form einer Folge von Pulslichtern angeordnet mit gleichen Intervallen auf einer Zeitachse, umgesetzt werden. Dies läuft auf die Umsetzung zwischen der Wellenlängenachse und der Zeitachse heraus, sodass es möglich wird, die Messung von absoluten Wellenlängen auf der Zeitachse zu realisieren, vorausgesetzt, dass absolute Wellenlängen entsprechend der mehreren Wellenlängen der einfallenden Lichter kallibriert werden.
  • 3 zeigt eine Konfiguration einer ersten Hochgeschwindigkeits-Wellenlängenunterscheidungsvorrichtung, die ein scheibenförmiges optisches Filter 12 umfasst, das aus einer Quarzscheibe 14 und aus einer Filterschicht 15 gebildet wird, die in einen optischen Strahlpfad 11 platziert wird, sowie einen mit dem scheibenförmigen optischen Filter 12 verbundenen variablen Rotationsmechanismus 13, eine Rotationssteuereinheit 19 zum Steuern des variablen Rotationsmechanismus 13 gemäß einer Synchronisierungssignaleingabe 27, Faserkollimatoren 18, wobei jeder durch eine optische Faser 16 und eine kollimierende Linse 17 gebildet wird zwischen denen der optische Strahlpfad 11 gebildet wird, WDM (Wellenlängenmultiplexen) – Koppler 20 zum Koppeln eines Eingabetaktsignallichts 26 und eines Eingabesignallichts 25 in eine Eingangsseite des Faserkollimators 18 und Auskoppeln eines Ausgabesignallichts 25 und eines Ausgabetaktsignallichts 26 aus einer Ausgangsseite des Faserkollimators 18, ein Splitter bzw. Verteiler 21 zum Verteilen des Ausgabesignallichts 25, Fotodetektoren (PD) 22 zum Umsetzen des Ausgabetaktsignallichts 26 von dem WDM-Koppler 20 und dem Ausgabesignallicht 25 von dem Splitter 21 in elektrische Signale und ein Synchronoskop 23, das elektrische Signale von den Fotodioden 22 mit einem von dem Ausgabetaktsignallicht 26 erhaltenen Triggersignal 28 empfängt und Spiegel 31 zum Bilden des optischen Strahlpfads 11, der durch das scheibenförmige optische Filter 12 von seiner Oberseite zu seiner Unterseite hindurch geht.
  • In der Konfiguration nach 3 weist das scheibenförmige optische Filter 12 die Mitteltransmissionswellenlängen auf, die linear entlang der Umfangsrichtung so variieren, dass die Wellenlängenachse direkt in die Zeitachse umgesetzt werden kann, unter der Bedingung konstanter Rotationen, die durch den Phasenvergleich unter Verwendung einer Ausgabe eines Rotationskodierers oder ähnlichem realisiert werden können, wobei er die Anzahl von Rotationen und eine Master-Zeitgeber oder ähnliches überwacht. Folglich wird die Hochgeschwindigkeits-Wellenlängenunterscheidung ermöglicht durch Bereitstellen des Master-Zeitgebers und Synchronisieren des Rotationssystems und des Messsystems (Fotodioden 22 und des Synchroskop 23) mit dem Master-Zeitgeber. Die Zeitachse wird sofort in die Wellenlängenachse umgesetzt gemäß einer Mittelwellenlängenverschiebung pro Rotationswinkeleinheit, die vorher in einem stationären System gemessen wurde.
  • Hier ist die Detektion eines Taktens bzw. Zeiteinteilens eines Filterschichtstartabschnitts das Schlüsselproblem weil die Umsetzung der Wellenlängenachse in die Zeitachse unmöglich wird sofern nicht diese Zeiteinteilung detektiert wird. Um diese Zeiteinteilungsdetektion möglich zu machen, wird eine Zeiteinteilungsdetektionsmarkierung (Header) 30 an die Startposition der Filterschicht 15 angebracht, wie in 4A gezeigt, sodass die Startzeiteinteilung durch Detektieren einer Zeiteinteilung detektiert werden kann, bei welcher der kollimierte Strahl durch diesen Header 30 hindurchgeht, wie in 4B gekennzeichnet.
  • In der Konfiguration nach 3 wird das Taktsignallicht 26, mit einer Wellenlänge unterschiedlich von der des Signallichtes 25, an der Eingangsseite des WDM-Kopplers 20 eingegeben und wird an der Ausgangsseite des WDM-Kopplers 20 extrahiert nachdem es durch das Filter hindurch gegangen ist, sodass die Zeiteinteilungsextrahierung ohne ein Beeinflussen des Signallichts 25 realisiert werden kann.
  • Es sei bemerkt, dass in der Konfiguration nach 3 eine kompakte Konfiguration durch Anpassen eines kollimierenden Systems realisiert wird, in welchem die optische Achse durch die Spiegel 31 verändert wird.
  • Mit Bezug auf 5 bis 11 wird nun eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben. Diese Ausführungsform ist auf ein abstimmbares optisches Filtermodul gerichtet, das durch Modifizieren des oben beschriebenen grundlegenden scheibenförmigen optischen Filters realisiert wird.
  • Als ein scheibenförmiges optisches Filter mit einer Markierung wurde zum Beispiel ein scheibenförmiges optisches Filter 301 mit einer Markierung 302, wie in 5 gezeigt, verwendet. Wie in 6 gezeigt, kann dieses optische Filter 301 durch die Filterschicht 303 mit der keilförmigen Zwischenraumschicht 306 einer variierenden Dicke gebildet werden, die auf einem SiO2-Substrat mit einer an ihrer Unterfläche aufgetragenen Antireflektionsschicht 305 bereitgestellt wird. Die Mitteltransmissionswellenlänge der Filterschicht 303, in welcher die keilförmige Zwischenraumschicht 306 zwischen Hochreflektionsschichten (HR) 307 und 308 gelegt ist, ist proportional zu der effektiven optischen Strahlpfadlänge der keilförmigen Zwischenraumschicht 306. Daher ist es möglich, durch akkurate Anpassung dieser effektiven optischen Strahlpfadlänge an den spezifischen Wert in Relation zu dem Betrachtungswinkel (Rotationswinkel), die Transmissionswellenlänge auf der Zeitachse mit einer hohen Genauigkeit zu unterscheiden durch synchrones Rotieren des scheibenförmigen optischen Filters 301.
  • Jedoch ist es praktisch schwierig, solch ein optisches Filter mit der Zwischenraumschichtdicke akkurat gesteuert bzw. kontrolliert bezüglich des Betrachtungswinkels herzustellen durch Verwenden der konventionellen Herstellungsverfahren (wie zum Beispiel dem Aufdampfen unter Vakuum, Filmbildung durch Sputtern). Aus diesem Grund kann es praktisch schwierig sein, die nach der Zeit zu unterscheidende Wellenlänge akkurat zu bestimmen und die Spektrumsanalyse mit einer hohen Genauigkeit zu realisieren.
  • Hinsichtlich dieser Tatsache integriert das abstimmbare optische Filtermodul dieser Erfindung einen Mechanismus zum Korrigieren der Mitteltransmissionswellenlänge bei einer hohen Geschwindigkeit durch Steuern der Transmissionsposition der optischen Strahlen.
  • Hier wird der beispielhafte Fall beschrieben, wo das Verhältnis zwischen der Mitteltransmissionswellenlänge und des Betrachtungswinkels linear ist. Es ist zu bemerken, dass die Wellenlänge linear durch Rotieren der Scheibe bei einer konstanten Geschwindigkeit abgetastet werden kann. Dies ist günstig für die Spektrumsanalyse, weil die Zeitachse direkt in die Wellenlängenachse umgewandelt werden kann.
  • 7 zeigt eine beispielhafte Beziehung zwischen der Mitteltransmissionswellenlänge und des Betrachtungswinkels in dem optischen Filter für eine praktische Verwendung. Hier kennzeichnet δλ eine Abweichung von der linearen Beziehung für die Mitteltransmissionswellenlänge. Diese Abweichung tritt nicht zufällig bezüglich des Betrachtungswinkels auf, aber ändert sich kontinuierlich und nach und nach, um die gewünschte lineare Beziehung. Dies basiert auf der Tatsache, dass es möglich ist, die Zwischenraumschichtdicke kontinuierlich und nach und nach durch die gegenwärtige Filterfilmbildungstechnik zu ersetzen. Durch Messen solch einer Abweichung von der Mitteltransmissionslänge im vorhinein für alle abstimmbaren Winkel, so dass die Messergebnisse später konsultiert werden können, ist es möglich, die Abweichung durch Erfassen des Betrachtungswinkels in dem tatsächlichen Rotationszustand zu sichern, und deshalb ist es möglich, die Abweichung der Wellenlänge aufzuheben durch Korrigieren der Transmissionsposition der optischen Strahlen in einer Richtung tangential zu dem Umfang, wie in 8 gezeigt.
  • Noch genauer kann, wenn die Winkelabhängigkeit der Mitteltransmissionswellenlänge von dem optischen Filter als λc = β·θ + λ0 (6)ausgedrückt wird, der Änderungsbetrag der Mitteltransmissionswellenlänge aufgrund der Abweichung δx der Strahlposition in der Umfangsrichtung ausgedrückt werden als:
    Figure 00160001
  • Folglich wird der Korrekturbetrag so bestimmt, dass δλ' mit δλ übereinstimmt. Es ist möglich, diese Korrektur durch folgende Änderung auszuführen, selbst in einem Zustand, wo die Scheibe rotiert durch Annehmen einer fahrenden Bandbreite des Kopfes, die wesentlich weiter ist, verglichen zu der Scheibenrotation, und daher ist es möglich, das ideale Wellenlängenabtasten zu realisieren (das vollständige lineare Abtasten in diesem Beispiel).
  • Zwei spezifische Konfigurationen eines abstimmbaren optischen Filtermoduls gemäß der Erfindung werden nun beschrieben.
  • 9 zeigt eine Konfiguration eines ersten abstimmbaren optischen Filtermoduls gemäß der Erfindung, das einen linearen Antrieb 312 des Schub-Zug-Typs für einen Korrekturmechanismus verwendet. In der Konfiguration nach
  • 9 wird ein rechtwinklig geformter Rahmen hoher Stabilität für ein Kollimierkopplungssystem 316 verwendet, um die Verschlechterung der Kopplungseffizienz aufgrund einer Deformation der Vorrichtung zu verhindern. Auf diesem Rahmen werden die optischen Fasern 317 optisch durch einen gefalteten optischen Strahlpfad in Strahlform unter Verwendung von Prismenreflektionsspiegeln 318 gekoppelt. Es ist zu bemerken, dass ein optisches System notwendig ist zum Realisieren eines dünnen abstimmbaren optischen Filtermoduls in dem Fall einer Verwendung des optischen Filters mit einem großen Durchmesser. Dieser Rahmen wird durch zwei parallele Führungsstäbe 311 so geführt, dass er gleichförmig in die Richtung tangential zu dem Umfang bewegbar ist. Der Antrieb des Schub-Zug-Typs ist durch Anordnen von zwei sich auf diesem Rahmen gegenüberstehenden Permanentmagneten 314 gebildet, und zwei elektromagnetische Spulen 315 stehen sich an den äußeren Seiten dieser Permanentmagnete 314 an diesem Rahmen gegenüber, und dieser Antrieb des Schub-Zug-Typs kann durch Betreiben dieser zwei elektromagnetischen Spulen simultan so betrieben werden, dass es möglich ist, die Strahltransmissionspositionskorrektur bei einer hohen Geschwindigkeit auszuführen. Zusätzlich wird die optimale Steuerung des Antriebs durch die Versetzungserfassung verwirklicht unter Verwendung eines linearen Codierers 313, der auf dem Kollimierkopplungssystem 316 bereitgestellt wird.
  • 10 zeigt ein Steuersystem zum Bewirken solch einer Korrektur der Mitteltransmissionswellenlänge. In 10 ist das optische Filter 301 an einer Spindel 321 eines Gleichstromservomotors 322 festgeklammert, der es in stabilen Rotationen durch eine Phasenregelkreis (PLL)-Schaltung 324 gemäß rotations-codierten Signalen und elektrischen Signalen eines Taktgebers 325 antreibt. Andrerseits wird, unter Verwendung eines Signals, das von einer auf der Scheibe als Referenz bereitgestellten Markierung erfasst wird, der Betrachtungswinkel auf der Scheibe auf der Zeitachse durch einen Betrachtungswinkeldetektor 326 synchron mit der Frequenz des Taktgebers 325 erfasst. Ein Treiber für einen Antrieb 327 berechnet dann den Korrekturbetrag δx durch Konsultieren des Winkels und des Abweichungsbetrags, der in einem Speicher 328 gemäß diesem Betrachtungswinkel gespeichert wird und bestimmt einen Wert eines an den Antrieb 312 anzulegendes Antriebssignal.
  • An diesem Punkt wird der Korrekturbetrag durch den an dem Kollimierkopplungssystem 316 bereitgestellten linearen Codierer 313 überwacht, welches ein bewegbares Teil ist. Die Abweichung von der Mitteltransmissionswellenlänge kann nicht kontinuierlich so überwacht werden, dass die Steuerung des vorwärts-gekoppelten Typs des Kopfes durch Überwachen der Abweichung der Mitteltransmissionswellenlänge nicht die komplette geschlossene Kreissteuerung darstellt und kann nicht mit den abrupten Änderungen zurechtkommen, aber der Korrekturmechanismus des optischen Systems wird durch die geschlossene Kreissteuerung bezüglich dem optimalen Korrekturbetrag gesteuert.
  • Es ist auch zu bemerken, dass durch Addieren der Abweichungsbeträge basierend auf Temperatur und Druck zu den in dem Speicher 328 gespeicherten Daten und durch Überwachen der Temperatur und des Drucks zu einer Zeit, eines Betriebs des abstimmbaren optischen Filtermoduls, wie in 10 gekennzeichnet, es auch möglich ist, die Abweichungen aufgrund von Temperatur und Druck zu korrigieren.
  • 11 zeigt eine Konfiguration eines zweiten abstimmbaren optischen Filtermoduls gemäß der Erfindung, die einen Rotationsantrieb 332 des Schub-Zug-Typs für einen Korrekturmechanismus verwendet. In der Konfiguration nach 11 verfolgt das optische System den gefalteten optischen Strahlpfad in Strahlform, ähnlich wie in der Konfiguration nach 9, und es ist möglich, eine Auslegerstruktur, die einer Deformation standhält, zu adoptieren durch ausreichendes Verkleinern der räumlichen Kopplungslänge. Das Kollimierkopplungssystem 336 mit solch einem optischen System wird auf einer geraden Linie angeordnet, die durch ein Rotationszentrum des optischen Filters 301, wie in 11 gezeigt, hindurchgeht. Durch Befestigen dieses optischen Systems an einer Spindel mit ihrem Rotationszentrum an der oberen geraden Linie und das Rotieren dieses aufgelagerten Teils, ist es möglich, die Strahltransmissionsposition auf dem optischen Filter wesentlich in eine tangentiale Richtung zu bewegen.
  • Wenn der Rotationswinkel δα ausreichend klein ist, weisen der Rotationswinkel und die Abweichung δx der Strahltransmissionsposition die folgende proportionale Beziehung auf: δx = Lδα (8)wobei L eine Länge eines Arms ist, der den kollimierten Strahl unterstützt (ein Abstand von dem Rotationszentrum zu der Strahlposition).
  • Für den Rotationsantrieb ist es möglich, einen Galvanometer-Spiegel zu verwenden, der eine Breite Ansprech-Bandbreite aufweist. Der Rotationswinkel wird durch einen Codierer erfasst (Rotationscodierer in diesem Fall) und wird an das Steuersystem ähnlich wie in der Konfiguration nach 9 zurück-gekoppelt.
  • Für den oben beschriebenen Korrekturmechanismus ist das Steuersystem ähnlich zu dem von 10 anwendbar. Jedoch gibt es Unterschiede in dem Verhältnis zwischen dem Antrieb und dem Bewegungsbetrag, der Transferfunktion des Antriebs, etc., so dass es einen Bedarf gibt zum unabhängigen Optimieren jedes dieser Faktoren gemäß dem adoptierten System.
  • Es ist zu bemerken, dass es theoretisch möglich ist, die Korrektur der Mitteltransmissionswellenlänge ähnlich zu der oben beschriebenen zu realisieren durch Verwenden der Rotationsgeschwindigkeitssteuerung an dem Gleichstromservomotor, der die optische Scheibe direkt rotiert, aber der Gleichstrommotor hat ein relativ großes Drehmoment für den Zweck stabiler Rotationen, so dass erwartet wird, dass es schwer ist, Korrekturen durch schnelles Ansprechen auf winzige Abweichungen der Mitteltransmissionswellenlänge hervorzurufen.
  • Wie beschrieben, ist es gemäß der Erfindung möglich, das vollständige Wellenlängenabtasten durch Korrigieren der abstimmbaren Filtereigenschaft zu realisieren, die einige in dem Herstellungsprozess eingebrachten Variationen aufweisen kann. Es ist auch möglich, das Driften der Filtereigenschaft aufgrund von Temperatur und Druck zu unterdrücken. Daher ist es möglich, die Wellenlängenspektrumsanalyse mit hoher Genauigkeit zu realisieren.
  • Es ist auch zu bemerken, dass in der vorliegenden Erfindung eine Kombination des Photokopplers und der Markierungen, die auf dem scheibenförmigen optischen Filter bereitgestellt werden, wie zum Beispiel die entlang des Umfangs des in 5 gezeigten scheibenförmigen optischen Filters bereitgestellt werden, effektiv als ein Codierer mit einer hohen Genauigkeit funktionieren können.
  • Es ist auch zu bemerken, dass neben diesen oben schon bemerkten, viele Modifizierungen und Variationen der obigen Ausführungsformen gemacht werden können, ohne die neuen und vorteilhaften Merkmale der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Demgemäß sind alle solche Modifizierungen und Variationen vorgesehen innerhalb des Umfangs der anhängenden Ansprüche enthalten zu sein.

Claims (5)

  1. Scheibenförmiges optisches Filtermodul, umfassend: ein scheibenförmiges optisches Filter (301) mit einer solchen Filtercharakteristik, dass eine mittlere Transmissionswellenlänge linear variiert entlang einer Umfangsrichtung in Bezug auf einen Drehwinkel; einen Abtastmechanismus (316, 321, 322, 324, 325; 336) zum Abtasten eines weiten Bereichs von mittleren Transmissionswellenlängen durch Drehen des scheibenförmigen optischen Filters (301) um eine Drehachse, welche lotrecht zu einer Ebene des scheibenförmigen optischen Filters (301) in einem Zentrum des scheibenförmigen optischen Filters (301) verläuft während des Abstimmens von auf das scheibenförmige optische Filter einfallender optischer Strahlen; gekennzeichnet durch einen Korrekturmechanismus (312, 313, 323, 326, 327, 328; 332, 333, 336) zum Steuern einer Transmissionsposition der optischen Strahlen des Abtastmechanismus durch Bewegen der Transmissionsposition der optischen Strahlen in tangentialer Richtung, um eine von dem Abtastmechanismus abgetastete Abweichung der mittleren Transmissionswellenlänge zu korrigieren.
  2. Scheibenförmiges optisches Filtermodul nach Anspruch 1, wobei der Korrekturmechanismus (312, 313, 323, 326, 327, 328; 332, 333, 336) die Transmissionsposition der optischen Strahlen durch Erfassen eines Drehwinkels des scheibenförmigen optischen Filters (301) und Verwenden eines vorbestimmten Korrekturumfangs für jeden Drehwinkel des scheibenförmigen optischen Filters (301) steuert.
  3. Scheibenförmiges optisches Filtermodul nach Anspruch 1, wobei der Korrekturmechanismus (312, 313, 323, 326, 327, 328; 332, 333, 336) eine Verschiebungseinheit (312) unter Verwendung einer linearen Stellvorrichtung zum linearen Verschieben der Transmissionsposition der optischen Strahlen einschließt und eine Versatzbeobachtungseinheit (313) zum Erfassen eines durch die lineare Stellvorrichtung vorgenommenen Versatzes.
  4. Scheibenförmiges optisches Filtermodul nach Anspruch 1, wobei der Korrekturmechanismus (312, 313, 323, 326, 327, 328; 332, 333, 336) eine Drehversatzeinheit (332) unter Verwendung einer Drehstellvorrichtung zum drehenden Versetzen der Transmissionsposition der optischen Strahlen einschließt und eine Versatzbeobachtungseinheit (333) zum Erfassen eines durch die Drehstellvorrichtung vorgenommenen Versatzes.
  5. Scheibenförmiges optisches Filtermodul nach Anspruch 1, wobei der Korrekturmechanismus (312, 313, 323, 326, 327, 328; 332, 333, 336) auch eine durch den Abtastmechanismus (316, 321, 322, 324, 325; 336) abgetastete durch Temperatur oder Druck bedingte Abweichung der mittleren Durchlasswellenlänge korrigiert.
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