JPH02278132A - オプチカル・フイルタ - Google Patents

オプチカル・フイルタ

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JPH02278132A
JPH02278132A JP2038533A JP3853390A JPH02278132A JP H02278132 A JPH02278132 A JP H02278132A JP 2038533 A JP2038533 A JP 2038533A JP 3853390 A JP3853390 A JP 3853390A JP H02278132 A JPH02278132 A JP H02278132A
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cavities
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Philippe A Perrier
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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(5p
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、単一の制御電圧に
応答して、オプチカル・フィルタの各キャビティ(空洞
)内の電子光学的材料の屈折率を同時に変化させる手段
を有する単純化された複数キャビティのオプチカル・フ
ィルタに関する。
B、従来の技術及び解決しようとする課題本発明は、異
なった波長で到達した光線を判別する光学手段に関する
0代表的なアブリケーションは、光通信(異なった情報
を担持するチャンネルが異なった光波長を持つ場合)、
同調可能なレーザ(レーザの外部にあるキャビティが、
レーザの発射波長を制御する場合)、及びスペクトロス
コピー(光波長とエネルギのベクトルとの関係の詳細を
解析しなければならない場合)の分野にある。
ファプリー・ベロー共振器(調節用の間隔を有する1対
の平行ミラー)は、この同調可能の狭い帯域のフィルタ
動作に広く使用されている。上述め3つの分野のアプリ
ケーションに対して、光の波長を選択するための重要な
因子は、キャビティの「精巧さJ (finesse 
)であり、これは転じて、ミラーの反射率と、ミラーの
平面度及び平行度とを如何にして高度に達成出来るかに
かかつている。
周波数の間数として、装置の光度の転送は、等しい間隔
で置かれた1組のティース(teeth )であり、そ
して「精巧さ」は、ティース、自由スペクトル範囲と、
各ティースの最大幅の半分との間の距離の比率として定
義される。
オプチカル・フィルタの波長の判別能力を向上するため
に、即ち、「精巧さ」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って
単一のキャビティのすブチカル・フィルタの精巧さを改
良する方法と、(2)成る所定の光の波長においてだけ
、すべてのキャピテイが一緒に共振し、そして、他の光
の波長において、すべてのキャビティが殆どの波長の入
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ャビティを通して光を通過させ
る方法である。キャビティを縦続的に結合する時に必要
とする精巧さは、どのキャビティが持っている個々の精
巧さよりも遥かに高い精巧さが必要である。複数のキャ
ビティを用いる方法は、効果的であり、しばしば用いら
れるけれども、この方法は、複数個のキャビティの調節
を個々に行わねばならないので、柔軟性に欠けるという
大きな欠点を持っている0本発明は、複数個のキャビテ
ィを同時に制御することを、簡単に、しかも経済的に行
う方法によって、上述の問題を解決する。
例えば、単一キャビティの7アブリー・ベローのすブチ
カル・フィルタは、例えば1986年のケンブリッジ大
学プレス(Cambridge Univ、 Pres
s )の「ファプリー・ベロー干渉計J (Fabry
−PerotInterferometers )と題
するヘルナンデス(G、 Hernandez )の書
籍や、1987年の「応用光学J (Applied 
0ptics )第26巻第430頁乃至第436頁の
「ファプリー・ベロー干渉計を使用した単一モードの光
ファイバWDMシステムのタメノ波長選択フィルタJ 
(Wavelength−Selectfve Fil
ters for Single−Mode Fibe
r WDMSystems using Fabry−
Perot Interferometers )と題
するマリンソン(S、R,Malinson )の文献
などに記載されている。
複数のキャビティのすブチカル・フィルタも、例えば、
1963年の「応用光学」第2巻第873頁乃至第88
5頁のrPEPsIO5純粋干渉計の高分解能走査スペ
クトロメータ」(ThePEPSIOS Purely
 Interferometric High−Res
olution Scanning Spectrom
eter )と題するマツグ(J、E、 Hack )
等の文献や、「直列に結合された3個のファプリー・ベ
ロー・エタロンを使用したインターフェロメータ型のス
ペクトルメータ」(InterferoIIletri
c 5pectroa+eter Utilizing
Three Fabry−Perot Etalons
 In 5eries )と題するマツグ(J、E、 
Maek )等の文献や、米国特許第3373651号
の発明や、1989年2月の光波技術に間するIEEE
誌(IEEE Jour、 of Lightwave
Tech、 )第7巻の「光学FDMAのLANにおけ
るデマルチプレクサとしての2段のファプリー・ベロ1
嶺フィルタJ (Tow−Stage Fabry−P
erotFilter As Demultiplex
ors In 0ptical FDMA LAN5 
)と題するサレ(A、M、 5aleh )等などの文
献で広く知られている。
2個のキャビティのすブチカル・フィルタの特殊なミラ
ー装置が、応用光学誌、第25巻第22号第4184頁
乃至第4186頁のホゲベーン(S、J、 #■oge
veen )等の「3個のミラーを持つファプリー・ベ
ロー・インターフェロメータ」(Fably−Pero
t  Interferometers  With 
Three  Mirrors )と題する文献に記載
されている。
従来の技術において、2つ(または、それ以上)のキャ
ビティは、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、ファプリー・ペローのキャビティ■の
ピーク数nが、所定の波長に同調され、ロックされ、そ
して次に、ファプリー・ベローのキャビティi!のピー
ク数mが、同じ波長に同調され、ロックされる。システ
ムが他の周波数に復帰される時、2つの別個の再同調が
必要である。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。以下に説明す
る本発明の装置は、第1のキャビティの適当な光学的通
路長Xと、第2のキャビティの適当な光学通路長yとを
同時に単一の印加電圧を供給する手段を有し、両方のキ
ャビティが一体的に設けられた単一の装置である。
上述の1989年2月の光波技術に間するIEEE誌の
第7巻に記載された装置において、発明者等は、1つの
キャビティではなく、2つのキャビティを使用すること
によって、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、キャビティは別個
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
ャビティと、2番目の「第3ミラー」とで構成された構
造、即ち左側のキャビティの右側のミラーと、右側のキ
ャピ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っている装置を分析
している。過度な共振ピーク(第1ミラーと第3ミラー
との闇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成る比率に従わなければならない、
2つのキャピテイにおけるフィルタの通常4個のミラー
の装置においては、成る他の手法(以下に説明されるよ
うに、第1のキャビティに対して相対的に第2のキャビ
ティ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。
上述のフックのPEPS 105装置において、同調は
、本発明のように間隔だけを変化し、または屈折率だけ
を変化することによって行われでいない。このPEPS
IO5装置において、同調は、すべてのキャビティ内の
ガスの圧力及び量を同時に変化させ、従って、異なった
ガスの量によってすべてのキャビティ中の屈折率を変化
することによって行われている。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。フ
ック等がこのような同調方法を行った理由は、同調を行
うために電子光学材料の利用には気すかなかったか、ま
たはその時代の電子光学材料の性能が充分でなかったか
の何れかであったことは明らかであろう、何れにせよ、
フック等の装置は、3つのキャビティが同時に同調され
たときの波長において、装置全体を走査するばかりでな
く、最初の位置の一致をセットするために、3つのチャ
ンバのすべてにおいて異なったガス圧力を使用していた
。3つのチャンバ中のガス圧力が、同じでなく、適宜の
量によっ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。
上述のPEPS I O3装置はキャビティの内部の物
質を変化することを提案しているが、この装置は、複数
個の共振キャビティ中で同じ屈折率を変化し、同時に、
単一の制御電圧だけに応答させることを提案していない
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)のキャビティ
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、高張る装置であった。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、キャビテ
ィI(間隔=x )を通って通過する。このキャビティ
の左側ミラーは固定され、右側ミラーはピエゾ電気によ
って動かされる光学股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0反射光は、キャビ
ティ!■の右側ミラー(可動)t−通って角度θで通過
し、そして左側ミラー(固定)を通って投射される。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
。この装置は、ミラーの間隔を変化させるために、ミラ
ーを移動することに依存しており、屈折率の変化に依存
していない。
本発明の目的は、同調可能なレーザ及び光通信に使用す
ることが出来、小型で、経済的で迅速に同調可能なオプ
チカル・フィルタを提供することにある。
C1課題を解決するための手段 本発明に従って、両端に反射面を持つ複数個の共振キャ
ビティを有する同調可能なすブチカル・フィルタが与え
られる。また、本発明に従って、ただ1つの制御電圧に
応答して、オプチカル・フィルタの各キャビティの中の
電子光学的材料の屈折率を変化させる手段が与えられる
。共振キャビティは、光学的信号が共振キャビティを通
過し、そして、電子光学的材料の屈折率が、所定の値に
調節された時、選択された波長で共振する0本発明は、
波長の選択性を最大にするために、縦続的に結合された
複数のキャビティの同調を変化するためのただ1つの制
御電圧を使用する複数キャビティの同調可能なオプチカ
ル・フィルタである。
本発明において、n及びmを2つのキャビティ中の半波
長の定在波の数とし、X及びyを2つのキャビティの光
路の長さとした場合、常にx / y =n / mの
関係で、共振する波長が変化するように、キャビティの
光学路の長さの比率が設定される。
単一の制御電圧を持つ構造で電気的に同調させる本発明
の装置は、光路の長さを固定したキャビティ中の電子光
学的な材料の屈折率が電圧に依存する材料を使用する。
E、実施例 2つのファプリー・ベ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、キャビテ
ィ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、ミラー闇の実際
の距離と、ミラーの闇にある媒体の有効屈折率とを乗算
したものである。フィ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 
5pectral range即ちFSR)Jによって
分離される。
FSR=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、入射光線がキャビティ18を通り、
次にキャビティ19を通過するように、第2のキャビテ
ィ19が第1のキャビティに縦続的に結合されており、
そして、若し、人で共振するキャビティ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。従って、キャビティ18の転送スペクトルは、
ティース(teeth )距離f / nだけ離れ、キ
ャビティ19に対してはティース距離r/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
よって、両方のキャビティを通過する光の完全な転送が
、大きなティース距離で生じるから、キャビティの配列
の精巧さを非常に高度にすることが出来る。直列結合さ
れたキャビティ全体のFSRは、個々のFSRの最小公
倍数とすることが出来る。単一のキャビティの精巧さは
、ミラーの平面度、平滑度及び並行度の製造公差によっ
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図及び第2図は2つのキャビティを持つ本発明の実
施例を示す図である。第1図において、コリメートされ
た光が、2つの連続したキャビテイを通過するように、
左側から入射され、そして左側に出る。両方のキャビテ
ィ内で同じ屈折率を持つキャビティの媒体32は、適当
な電子光学的材料であり、その物質の屈折率は、電圧の
勾配の関数である(−次関数である必要はない)。電極
31の闇に印加される電圧を変化することによって、こ
の装置は同調される。キャビティの側壁33は、絶縁体
材料で作られており、上部壁及び下部壁は電極31であ
る。第2図に示したように、この装置は、長さに沿って
均一な断面を持っている。
光学路の長さXの共振キャビティ48は、1対の反射面
34及び35で構成されている。同様に、光学路の長さ
yの共振キャビティ49は、1対の反射面36及び37
で構成されている。鏡面(反射面とも言われる)34及
び35は、2枚のガラス38及び39上の適当な波膜に
よって形成されている。面40及び41は、キャビティ
の過剰な共振を避けるための従来の方法に従って、反射
面34及び35と平行になるのを避けるために、僅かに
傾けられている。同様に、面42及び43は、反射面3
6及び37と平行にならないように構成されている。
この装置が作られる時、キャビティ48を構成する対向
する平行な反射面34及び35は、間隔X(テスト波長
λの半波長のm倍)に設定される。
同様に、キャビティ48は、間隔y(同じテスト波長大
の半波長のn倍)に設定されている。
上述のような間隔が与えられた装置は、次のように動作
する。装置を任意の波長λに同調させる場合、所定の単
一の電圧が電極31に印加される。
この電圧が電極31に印加された時、キャビティ48中
の電子光学的材料の屈折率は、キャビティ48を波長λ
で共振させるような予め決められた値に調節される。従
って、この共振キャビティ中に波長λの半波長のn倍の
定在波がある。共振キャビティ49中の材料がキャビテ
ィ48中の材料と同じであれば、キャビティ49中の屈
折率は所定の値にあるから、所望のように、共振キャビ
ティ49中に波長人の半波長のm倍の定在波がある。
第3図及び第4図は、屈折率により共振させる方式を用
い、且つ3個のミラーと2個のキャビティで同調される
オプチカル・フィルタを示している。第3図に示された
ように、ミラー66は細線で示されているが、実際には
、薄いガラス板の一方の面に反射被覆を設け、他方の面
に無反射被覆を設けたものである。2つの共振キャビテ
ィはミラー64及び66と、ミラー66及び65とによ
って形成されている。制御電圧は、共振キャビティ68
及び69の上部の電極61と、下方の接地′:ri[i
61とに跨がって印加される。キャビティ内部の電子光
学材料は62で示されている。二次共振は、ミラーの反
射を注意深く選ぶことによって制御されているので、第
1図の実施例に必要であったように、一方のキャビティ
を他方のキャビティに対して傾斜させることは、3個の
ミラー装置の場合には必要がない。
2個のキャビティの実施例の細部のパラメータの1例を
以下に示す。それらは、波長=1.5ミクロン、整数n
=100、自由距離x=50X1゜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.自由距111y=78ミクロン、1.5ミ
クロンにおける自由スペクトル範囲=1.52/2y=
0.14423ミクロン、有効合計自由スペクトル範囲
=26xo、014423=25X0.015=0.3
75ミクロン、K(レバー・アーム係数)=1゜Oであ
る。電子光学的材料の代表的な材料は、ニオブ酸塩リチ
ウムであり、良好な安定1!極は、不変鋼(1nver
 )であり、絶縁性側壁は、セラミック材料であり、ミ
ラーの材料としては光学ガラスである。電圧Vの代表的
な値は0乃至500ボルトである。
本発明は2個以上のキャビティにも適用することが出来
るし、共焦ミラーのような非平面ミラーも使用すること
が出来る。
本発明の他の装置の例として、例えば非平面ミラー構造
(例えば共焦ミラー)を使用することが出来る。
E8発明の効果 本発明は、同調可能なレーザ及び光通信に使用すること
が出来、小型で、経済的で迅速に同調可能なオプチカル
・フィルタを提供する。
【図面の簡単な説明】
第1図は各端部に反射面を持つ2つの分離したキャビテ
ィを含む本発明のすブチカル・フィルタの第1の実施例
の断面図、第2図は第1図に示したII −11の線で
切断したオプチカル・フィルタの断面図、第3図は4個
のミラーでなく、3個のミラーを使用し、キャビティの
各端部に反射面を持つ本発明の第2の実施例の断面図、
第4図は第3図に示したIV −IVO線で切断したオ
プチカル・フィルタの断面図である。 31.61・・・・iai、32.62・・・・電子光
学的媒体、34.35.36.37・・・・反射面、4
8.49.68.69・・・・共振キャビティ、64.
65.66・・・・ミラー FIG、1 FIG。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)次の各要件からなる同調可能なオプチカル・フィ
    ルタ。 (a)内部に電子光学的材料を含み、両端に反射面を有
    する複数個の共振キャビティ。 (b)ただ1つの制御電圧に応答して、上記キャビティ
    中の上記電子光学的材料の屈折率を同時に変化させる手
    段。 (c)光学的信号が上記キャビティを通過し、且つ上記
    電子光学的材料の屈折率が予定された値に調節された時
    、上記キャビティが選択された波長に共振すること。
  2. (2)次の各要件からなる同調可能なオプチカル・フィ
    ルタ。 (a)内部に電子光学的材料を含み、2つの端部の各端
    部反射面を持つ複数個の共振キャビティ。 (b)上記共振キャビティの夫々の長さが、相互の長さ
    に対して整数倍に設定されていること。 (c)ただ1つの制御電圧に応答して、上記キャビティ
    中の上記電子光学的材料の屈折率を同時に変化させる手
    段。 (d)光学的信号が上記キャビティを通過し、且つ上記
    電子光学的材料の屈折率が予定された値に調節された時
    、上記キャビティが選択された波長に共振すること。
JP2038533A 1989-02-21 1990-02-21 オプチカル・フイルタ Expired - Lifetime JP2516266B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US312285 1989-02-21
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