JP2528533B2

JP2528533B2 - 同調可能なオプチカル・フイルタ

Info

Publication number: JP2528533B2
Application number: JP2028602A
Authority: JP
Inventors: ニコラス・リチヤード・ドノ; ポール・エリオツト・グリーン、ジユニア; フイリツプ・アンドレ・ペリエア
Original assignee: インターナシヨナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーシヨン
Priority date: 1989-02-21
Filing date: 1990-02-09
Publication date: 1996-08-28
Anticipated expiration: 2011-08-28
Also published as: JPH02262024A; US5103340A; EP0384116A2; EP0384116A3

Description

【発明の詳細な説明】 A.産業上の利用分野本発明は光通信、レーザ及びスペクトロスコピー（sp
ectroscopy）に使われる同調可能なオプチカル・フィル
タ、より詳細に言えば、単一の制御信号を用いてフイル
タのキヤビテイの長さを同時に変化することによつて同
調される単純化した同調可能なオプチカル・フイルタに
関する。

B.従来の技術及び解決しようとする課題オプチカル・フイルタの波長を判別する能力を改良す
るために、即ち、精巧さ（finesse）を効果的に増加す
るために、２つの方法が試みられてきた。即ち、これら
２つの方法とは、（１）ミラーの性質に細心の注意を払
うことによつて単一のキヤビテイのオプチカル・フイル
タの精巧さを改良する方法と、（２）或る所定の光の波
長においてだけ、すべてのキヤビテイが一緒に共振し、
そして、他の光の波長において、すべてのキヤビテイが
殆どの波長の入射光を通過しないような態様で、縦続的
（カスケード）に結合された複数個のキヤビテイを通し
て光を通過させる方法である。キヤビテイを縦続的に結
合する時に必要とする精巧さは、どのキヤビテイが持つ
ている個々の精巧さよりも遥かに高い精巧さが必要であ
る。複数のキヤビテイを用いる方法は、効果的であり、
しばしば用いられるけれども、この方法は、複数個のキ
ヤビテイの調節を個々に行わねばならないので、柔軟性
に欠けるという大きな欠点を持つている。単一キヤビテ
イのフアブリー・ペローのオプチカル・フイルタは、例
えば1986年のケンブリツジ大学プレス（Cambridge Uni
v.Press）の「フアブリー・ペロー干渉計」（Fabry−Pe
rot Interferometers）と題するフエルナンデス（G.Fer
nandez）の書籍、1987年の「応用光学」（Applied Opti
cs）第26巻第430頁乃至第436頁の「フアブリー・ペロー
干渉計を使用した単一モードの光フアイバWDMシステム
のための波長選択フイルタ」（Wavelength−Selective
Filters for Single−Mode Fiber WDM Systems using F
abry−Perot Interferometers）と題するマリンソン
（S.R,Malinson）の文献、1963年の「応用光学」第２巻
第873頁乃至第885頁の「PEPSIOS純粋干渉計の高分解能
走査スペクトロメータ」（The PEPSIOS Purely Interfe
rometric High−Resolution Scanning Spectrometer）
と題するマツク（J.E.Meck）等の文献、米国特許第3373
651号の発明、1989年２月の光波技術に関するIEEE誌（I
EEE Jour.of Lightwave Tech.）第７巻の「光学FDMAのL
ANにおけるデマルチプレクサとしての２段のフアブリー
・ペロー・フイルタ」（Tow−Stage Fabry−Perot Filt
er As Demultiplexors In Optical FDMA LANs）と題す
るホゲベーン（S.J.Hogeveen）等などで広く知られてい
る。

従来の技術において、２つ（または、それ以上）のキ
ヤビテイは、独立して分離した構造であり、通常、２つ
の制御電圧が別個に設けられていることと、ただ１つの
サーボ・ループだけではなく、２つのサーボ・ループを
必要とした。先ず、フアブリー・ペローのキヤビテイＩ
のピーク数ｎが、所定の波長に同調され、ロツクされ、
そして次に、フアブリー・ペローのキヤビテイIIのピー
ク数ｍが、同じ波長に同調され、ロツクされる。このよ
うな方法は、研究用「光学ベンチ」のような研究施設で
のみ調節可能である。

上述の米国特許第3373651号の装置において、発明者
等は、１つのキヤビテイではなく、２つのキヤビテイを
使用することによつて、全体的な波長スペクトル転送機
能の改良を分析研究している。この発明において、キヤ
ビテイは別個に制御されることに基いている。発明者
は、縦続的（カスケード）に配列され分離された２つの
ミラーを持つキヤビテイと、２番目の「第３ミラー」と
で構成された構造、即ち左側のキヤビテイの右側のミラ
ーと、右側のキヤビテイの左側のミラーとが、上述のホ
ゲベーン等で提案された装置と同じミラー構成を持つて
いる装置を分析している。過度な共振ピーク（第１ミラ
ーと第３ミラーとの間の定常波による共振ピーク）を阻
止するために、この３個のミラー装置は、３個のミラー
の反射を制御することに依存しているので、これらは、
ある許容範囲内の相互位置に関する或る比率に従わなけ
ればならない。２つのキヤビテイにおけるフイルタの通
常４個のミラーの装置においては、或る他の手法（以下
に説明されるように、第１のキヤビテイに対して相対的
に第２のキヤビテイを僅かに傾けること）が過度の反射
を抑制するために従来から使用されている。

上述のマツクのPEPSIOS装置において、同調は、本発
明の同調方法と同じように、間隔を変化することによつ
て行われていない。PEPSIOS装置において、同調は、す
べてのキヤビテイ内のガスの圧力及び量を同時に変化さ
せ、従つて、異なつたガスの量によつてすべてのキヤビ
テイ中の屈折率を変化することによつて行われている。
所望の共振周波数の変化を得るために、ガスの圧力の変
化（間隔を調節するものではない）を使用することは、
非常に複雑である。マツク等がこのような同調方法を行
つた理由は、同調を行うためにピエゾ電気材料の利用に
は気ずかなかつたか、またはその時代のピエゾ電気材料
の性能が充分でなかつたかの何れかであつたことは明ら
かであろう。何れにせよ、マツク等の装置は、３つのキ
ヤビテイが同時に同調されたときの波長において装置全
体を操作するばかりでなく、最初の位置の一致をセツト
するために、３つのチヤンバのすべてにおいて異なつた
ガス圧力を使用していた。３つのチヤンバ中のガス圧力
が、同じでなく、適宜の量によつて変化するのを確実に
するために、精密な一連のニードル・バルブが用いられ
ていた。

米国特許第4225236号の装置は、本発明と同じ種類の
装置、即ち２つ（または、それ以上）のキヤビテイを同
時に制御することの出来るただ１つの制御電圧を持つ装
置に関している。然しながら、この特許で得られるもの
は、簡単で、低価格で高速な復帰が必要な装置ではな
く、非常に複雑で、嵩張る装置であつた。この特許の装
置は、垂直方向に向けられた大きな光学ベンチを含み、
この光学ベンチの水平方向がピエゾ電気に基いて制御さ
れている。光は左側から水平方向に入射し、キヤビテイ
Ｉ（間隔＝ｘ）を通つて通過する。このキヤビテイの左
側ミラーは固定され、右側ミラーはピエゾ電気によつて
動かされる光学段上に設けられている。光学段の右側
に、角度θだけ水平方向に対して上方向に傾けられた角
度で光反射する他のミラーがある。反射光は、キヤビテ
イIIの右側ミラー（可動）を通つて角度θで通過し、そ
して左側ミラー（固定）を通つて投射される。この装置
を同調させるために、光学段は、コサインθに比例した
大きさのｘの変化量及びｙの変化量で移動される。この
特許に記載されているように大きな構造の許容誤差を制
御することが、困難な問題である。加えて、角度θは装
置の作つた時から固定しているので、本発明とは異なつ
て、装置を作つた後に、キヤビテイのサイズの比率を選
択する方法はない。上述のような要素のために、この特
許に開示された技術では、小型で、経済的で、迅速に同
調することが出来る構造を持ち、同調可能なレーザ及び
光通信に要求されている装置を達成することは不可能で
ある。

本発明の目的は、広い範囲の波長に亙つて同調するこ
とが出来、しかも簡単で、経済的な同調可能なオプチカ
ル・フイルタを提供することにある。

C.課題を解決するための手段本発明は複数個の共振キヤビテイと、単一の制御信号
に応答してほぼ単一の軸に沿つて各キヤビテイの反射面
の１つを同時に移動させる手段とを与えることによつて
上述の問題を解決している。従つて、キヤビテイは、光
学的信号が上述の軸に沿つて通過し、複数個の共振キャ
ビティの各キャビティの長さを、所定の比率を維持しな
がら所定の長さに調節することにより、選択された波長
において共振する。

D.実施例第１図は本発明に従つた同調可能なオプチカル・フイ
ルタの実施例の図である。図示された装置において、導
電性素子２の両側に対向して導電性素子２と接触してい
るピエゾ電気材料製の円筒状スリーブ１がある。剛体の
スペーサ３はピエゾ電気材料のスリーブ１の端部と接触
し、そして、夫々ミラー８、または11の一方とに接触し
ている。ミラー８及び９の反射面４及び５は、共振キヤ
ビテイ18の内側に面しているが、他方、ミラー10及び11
の反射面６及び７は、夫々、共振キヤビテイ19の内側に
面している。術語、共振キヤビテイとは、反射面を持つ
一対のミラーの２つの反射面の間の空間を意味し、他
方、共振キヤビテイの長さとは、共振キヤビテイの反射
面の間の距離を意味する。例えば、第１図において、共
振キヤビテイ18の長さｘは、一対の反射面４及び５によ
り形成され、共振キヤビテイ19の長さｙは、一対の反射
面６及び７によつて形成されている。ガラス片８及び９
の反射面４及び５は、ガラス片８及び９の夫々一方の面
上の被膜であり、他方の面12及び13は、反復した反射
（定常波）による過度の共振を避けるために、従来の技
術に従つて傾けられている。同様に、ガラス片10及び11
の一方の反射面６及び７は、ガラス片10及び11上の被膜
であり、ガラス片10及び11の他方の面14及び15は上述の
同じ理由によつて、傾けられている。第１図の左側のス
リーブの長さは、Ｘであり、他方、右側のスリーブの長
さは、Ｙである。

２つのフアブリー・ペロー干渉計の縦続的な結合が、
夫々独立したものよりも、より大きな選択性を有してい
ることは、良く知られたアイデアである。若し、キヤビ
テイ18が波長λにおいて共振しているならば、ミラーの
有効間隔は、ｘ＝ｎλ/2である。上式において、ｎは正
の整数である。ミラーの有効間隔は、ミラー間の実際の
距離と、ミラーの間にある媒体の有効屈折率とを乗算し
たものである。フイルタを通過する光波のスペクトルの
ピークは、次式の「自由スペクトル範囲（free spectra
l range即ちFSR）」によつて分離される。

FSR₁＝c/2x＝f/n 上式において、ｃは光の速度であり、ｆは光の周波数
である。他方、若し、入射光線がキヤビテイ18を通り、
次にキヤビテイ19を通過するように、第２のキヤビテイ
19が第１のキヤビテイに縦続的に結合されており、そし
て、若し、λで共振するキヤビテイ19のミラーの有効間
隔が、ｘと異なるｙ＝ｍλ/2であるならば、その自由ス
ペクトル範囲は、 FSR₂＝c/2y＝f/m である。

従つて、キヤビテイ18の転送スペクトルは、テイース
（teeth）距離f/nだけ離れ、キヤビテイ19に対してはテ
イース距離f/mだけ離れている。ここで、ｍ及びｎを相
互に近い整数に選ぶことによつて、両方のキヤビテイを
通過する光の完全な転送が、大きなテイース距離で生じ
るから、キヤビテイの配列の精巧さを非常に高度にする
ことが出来る。直列結合されたキヤビテイ全体のFSR
は、個々のFSRの最小公倍数とすることが出来る。単一
のキヤビテイの精巧さは、ミラーの平面度、平滑度及び
並行度の製造公差によつて、通常、制限されるので、直
列結合によるアプローチは、質の良くない２つ以上の装
置から高い分解能の装置を作るための強力な手段であ
る。

第１図の左側から、コリメートされた光が入射し、相
次ぐ２つのキヤビテイ18及び19を通過し、そして右側に
放射する。ピエゾ電気材料の円筒形スリーブ１の全体の
長さ（Ｘ＋Ｙ）は印加電圧Ｖによつて制御される。スリ
ーブの長さと印加電圧との間の関係はリニヤである必要
はなく、重要なことは、ピエゾ電気材料のスリーブ１の
ピエゾ電気作用による伸長が均一であることである。導
電性シリンダ２は、反射面５及び６の間で一定の間隔を
正確に保つことが要求される。２つのスリーブ１の内側
には、低温度係数の材料で作られた２つの剛性の円筒形
状のスペーサ３がある。また、これらのスペーサ３はス
リーブ１の端部の電気的端子としても用いられる。

共振キヤビテイ19の反射面６及び７と並行した面は、
例えば共振キヤビテイ18の左側ミラーと、共振キヤビテ
イ19の右側ミラーとの間の過度の定常波を共振の発生を
減衰するために、共振キヤビテイ18の平行な反射面４及
び５の面から、僅かな量だけ（キヤビテイの可成り高い
精巧さに対して充分に大きい角度）傾斜される。この状
態が示されている第３図において、軸線16は反射面４及
び５の法線であり、線17は反射面６及び７の法線であ
る。共振キヤビテイが単一制御電圧に応答して長さを変
化した時、２つの軸線がその共通軸から僅か傾斜されて
いるけれども、反射面はほぼ単一の軸に沿つて移動す
る。

最初の調節の時に、テスト光（転送光）の波長λの半
分の波長に、既知の数ｎを乗じた距離（即ち、ｘ＝ｎλ
/2）だけ、反射面４及び５を相互に離すことによつて、
反射面４及び５がテスト光の波長λと共振するようにセ
ツトされる。次に、波長λ及び距離ｘを一定に保ち、波
長λの半分の波長に、既知の数ｍを乗じた距離（即ち、
ｙ＝ｍλ/2）だけ、ミラー面６から離すことによつて、
同様に、反射面７が、テスト仮（転送光）と共振するよ
うに調節される。

剛性のスペーサ３の長さは重要である。ピエゾ電気材
料のスリーブ１の左側端部と反射面５との間の距離は、
Ｘで表わしている。同様に、ピエゾ電気材料のスリーブ
１の右側端部と反射面６との間の距離はＹで示されてい
る。若し、Ｘが或る任意に選んだ大きなｘの倍数Ｋ（Ｋ
＝10から100）とすれば、同様にＹはKyでなければなら
ない。

上述の距離において、第１図の装置は以下に説明する
ように動作する。この装置を、所定の波長に同調させる
場合、単一の電圧がピエゾ電気材料のスリーブ１に印加
される。この電圧が、共振キヤビテイ18を新しい波長に
共振させるような、適正な電圧である時、これは、共振
キヤビテイ18中に定在している新しい波長の半分の波長
が、ｎ個存在していることを意味している。上述した距
離関係の定義に従つて、所定のように、Ｘ＝Kxであり、
従つて、Ｙ＝（m/n）Kxであり、ｙ＝Y/K＝（m/n）ｘで
あることが判る。

キヤビテイ18の左側ミラーから、キヤビテイ19の右側
ミラーまでだけの非常に小さな値のピエゾ電気材料のス
リーブの伸長を使用することなく、ミラー間隔のＫ倍の
長い距離にピエゾ電気スリーブを装着することには理由
がある。現在のピエゾ電気材料は、その伸長比、Δl/l
が約１％の小さな値であるという弱点を持つている。従
つて、若しピエゾ電気材料のスリーブ１が外側のミラー
位置に装着されているならば、同調範囲（Δf/f）は、
１％に制限されざるを得ない。広範囲の装着間隔、K:1
の「機械的利益」を使用することによつて、約Ｋ％の同
調率を得ることが出来る。大多数の従来の単一フアブリ
ー・ペローの同調可能なオプチカル・フイルタは、上述
した理由のために、この機械的な利益を利用している。

第４図及び第５図は、本発明の他の実施例を示す図で
ある。この実施例は、第１図、第２図及び第３図に示し
た上述の４個のミラーの装置の代りに、「３個のミラ
ー」を使用した装置である。第４図及び第５図のピエゾ
電気素子のスリーブ21は、正確に中央に位置付けられね
ばならないミラー構造が設けられた第１の実施例におい
て要求された導電性シリンダ２を持たない連続し一体的
な構造のものである。第１図のように、２つのミラーの
間に中央構造体を設ける代りに、第４図においては、両
方の方向に反射する単一のミラー26が設けられており、
これにより、ミラー24及び26を含む共振キヤビテイと、
ミラー26及び25を含む共振キヤビテイ29とが形成されて
いる。第４図において、ミラー26は細い線で示されてい
るが、実際には、このミラーは薄いガラス板であり、一
方の面には反射薄膜が設けられ、他方の面には無反射薄
膜が設けられている。第１図と同様に、第４図の装置に
もミラー24及び25を含むスペーサ23が設けられている。
キヤビテイ28の長さｘは、ミラー24の反射面22からミラ
ー26の反射面までの距離であり、キヤビテイ29の長さｙ
は、ミラー26の反射面からミラー25の反斜面27までの距
離である。また、スリーブ21の左端からミラー26までの
距離Ｘと、ミラー26からスリーブ21の右端までの距離Ｙ
は、第４図に示されている。特に、単一の制御信号（Ｖ
ボルト）がスリーブ21に印加されていることは注意を要
する。再度説明すると、距離関係、x/y＝n/m＝X/Y及びX
/x＝Y/y＝Ｋは維持されねばならず、この位置関係を保
つことによつて、単一の制御電圧によつて、広い波長範
囲に亙つて同調可能な装置が与えられる。また、本発明
は２つ以上のキヤビテイを持つオプチカル・フイルタに
適用することが出来、また、共焦ミラーのような非平面
ミラーにも適用することが出来る。

２つのキヤビテイを持つ装置の実施例の数値例を以下
に示す。

それらは、波長＝1.5ミクロン、整数ｎ＝100、ｘ＝50
×1.5＝75ミクロン、1.5ミクロンにおける第１キヤビテ
イの自由スペクトル範囲＝1.5²/2x＝0.015ミクロン、整
数ｍ＝104、ｙ＝78ミクロン、1.5ミクロンにおける第２
キヤビテイの自由スペクトル範囲＝1.5²/2y＝0.014423
ミクロン、有効な合計自由スペクトル範囲＝26×0.0144
23≒25×0.015≒0.375ミクロン、Ｋ（レバー・アーム係
数）＝100である。代表的な材料として、PZT（鉛ジルコ
酸塩−チタン酸塩）の積層、またはピエゾ電気材料のス
リーブ用のシリンダと、円筒形スペーサ用の不変鋼と、
ミラー構造のための光学用のガラスとが使用される。代
表的な制御用電圧は、０ボルトから500ボルトである。

E.発明の効果本発明は、小型で、経済的で、広い範囲に亙つて迅速
に同調することが出来る構造を持ち、同調可能なレーザ
及び光通信に要求されているオプチカル・フイルタを提
供する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の同調可能なオプチカル・フイルタの第
１の実施例の側面を示す断面図、第２図は第１図の破線
で切断した本発明の第１の実施例の断面図、第３図は２
つのキヤビテイの間の過度な共振を回避するために、左
側の共振キヤビテイの並行ミラーに関して、右側の共振
キヤビテイの平行ミラーを僅かに傾けた構造を説明する
ための図、第４図は４個のミラーを使用しない第２の実
施例の側面を示す断面図、第５図は第４図の破線で切断
した第２の実施例の断面図である。１……ピエゾ電気材料のスリーブ、２……導電性素子、
３……剛体のスペーサ、４、５、６、７……反射面、
８、９、10、11……反射面、18……第１の共振キヤビテ
イ、19……第２の共振キヤビテイ、Ｘ……左側のスリー
ブの長さ、Ｙ……右側のスリーブの長さ、ｘ……第１の
共振キヤビテイの長さ、ｙ……第２の共振キヤビテイの
長さ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者フイリツプ・アンドレ・ペリエアフランス国ヴイロスレイ、78220、アヴエニユ・ゲージ17番地

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】（ａ）各キャビティがその長さ方向の２つ
の対向する端部の夫々に反射面を有し、上記各キャビテ
ィの長さは、互いに異なり所定の比率を有している複数
個の共振キャビティと、（ｂ）単一の制御信号に応答して、ほぼ単一の軸に沿っ
て各上記共振キャビティの上記反射面の一方を同時に動
かして、上記複数個の共振キャビティの各キャビティの
長さを、上記所定の比率を維持しながら所定の長さに調
節する調節手段とからなり、（ｃ）上記調節手段により調節された上記複数個の共振
キャビティの長さにより、上記複数個の共振キャビティ
を通過する光学的信号を、選択された波長において共振
させることを特徴とする同調可能なオプチカル・フィル
タ。
【請求項２】（ａ）各キャビティがその長さ方向の２つ
の対向する端部の夫々に第１及び第２の反射面を有し、
上記各キャビティの長さは、互いに異なり所定の比率を
有している一対の共振キャビティと、（ｂ）上記一対の共振キャビティの上記第２の反射面間
に設けられた導電性素子と、上記導電性素子に接続さ
れ、上記一対の共振キャビティの各上記第１の反射面に
スペーサを介してそれぞれ接続され、両端に印加される
単一の制御信号に応答して、ほぼ単一の軸に沿って上記
第１の反射面のそれぞれを同時に反対方向に動かして、
上記一対の共振キャビティの各キャビティの長さを、上
記所定の比率を維持しながら所定の長さに調節するよう
に上記所定の比率と同じ比率の長さに形成されたピエゾ
電気材料からなる一対のスリーブとを備え、（ｃ）上記一対のスリーブにより調節された上記一対の
共振キャビティの長さにより、上記一対の共振キャビテ
ィを通過する光学的信号を、選択された波長において共
振させることを特徴とする同調可能なオプチカル・フィ
ルタ。
【請求項３】（ａ）両面反射鏡を介して各キャビティが
その長さ方向に上記両面反射鏡と対向する端部の夫々に
反射面を有し、上記各キャビティの長さは、互いに異な
り所定の比率を有している一対の共振キャビティと、（ｂ）上記両面反射鏡に接続され、上記一対の共振キャ
ビティの上記反射面にスペーサを介してそれぞれ接続さ
れ、両端に印加される単一の制御信号に応答して、ほぼ
単一の軸に沿って各上記反射面を同時に反対方向に動か
して、上記一対の共振キャビティの各キャビティの長さ
を、上記所定の比率を維持しながら所定の長さに調節す
るように、上記両面反射鏡からの長さが上記所定の比率
と同じ比率のピエゾ電気材料からなるスリーブとを備
え、（ｃ）上記スリーブにより調節された上記一対の共振キ
ャビティの長さにより、上記一対の共振キャビティを通
過する光学的信号を、選択された波長において共振させ
ることを特徴とする同調可能なオプチカル・フィルタ。