(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディスク状の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、
前記基板の一方の面に積層されてディスク回転軸のまわりに沿った見込み角度に比例して変化する膜厚を持ち該基板と同じ屈折率の誘電体膜のスペーサー層と、
前記スペーサー層の上面と前記基板の他の面にそれぞれ積層した多層コーティングからなる高反射率ミラーとを有し、
前記スペーサー層と前記基板とが一体となって共振器部分を形成していることを特徴とする光フィルタ。
【請求項２】
前記ディスク状の波長可変光フィルタの外縁部または該波長可変光フィルタの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具えたことを特徴とする請求項１に記載の光フィルタ。
【請求項３】
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、前記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を垂直に透過するように該波長可変光フィルタを挟んで配置し、ディスク状の前記波長可変光フィルタを回転させて前記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波長可変光フィルタ装置。
【請求項４】
ディスク状の前記波長可変光フィルタ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請求項３に記載の波長可変光フィルタ装置。
【請求項５】
請求項２に記載の波長可変光フィルタに設けた前記ロータリーエンコーダマークを検出する検出手段と、
前記検出手段の出力をカウントして該カウント値を前記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、
前記カウンター手段から提供される前記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該中心波長の変化率を求め、該変化率から該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、
前記第１の演算手段で算出された前記位置情報をパラメータとする前記最適瞬時回転速度を記憶する記憶手段と、
前記カウンター手段から提供される前記位置情報から瞬時回転速度を算出し、該位置情報から前記記憶手段の前記最適瞬時回転速度を参照して該瞬時回転速度との偏差を算出する第２の演算手段と、
前記第２の演算手段で算出された前記偏差を回転数補正値として前記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請求項３または４に記載の波長可変光フィルタ装置。
【請求項６】
請求項２に記載の波長可変光フィルタに設けた前記ロータリーエンコーダマークを検出する検出手段と、
前記検出手段の出力をカウントして該カウント値を前記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、
前記カウンター手段から提供される前記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該中心波長の変化率を記憶する記憶手段と、
前記カウンター手段から提供される前記位置情報から瞬時回転速度を算出し、該位置情報から前記記憶手段の前記透過光スペクトルの中心波長の変化率を参照して、該変化率から該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、該最適瞬時回転速度と前記算出された瞬時回転速度との偏差を算出し、該偏差を回転数補正値として前記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請求項３または４に記載の波長可変光フィルタ装置。
【発明の詳細な説明】
【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】
0003621632.tif 000002
【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】
0003621632.tif 000003
【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】
0003621632.tif 000004
【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】
0003621632.tif 000005
【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】
0003621632.tif 000006
【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】
0003621632.tif 000007
【００２９】
と書くと、
【００３０】
【数７】
0003621632.tif 000008
【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】
0003621632.tif 000009
【００３３】
これを上式（７）に適用すると、
【００３４】
【数９】
0003621632.tif 000010
【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】
0003621632.tif 000011
【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ＳｉＯ２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】
0003621632.tif 000012
【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ＳｉＯ２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ω０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
６  Ｚ相マーク
７  Ａ相マーク
８  Ｂ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
【図１】
0003621632.tif 000013
【図２】
0003621632.tif 000014
【図３】
0003621632.tif 000015
【図４】
0003621632.tif 000016
【図５】
0003621632.tif 000017
【図６】
0003621632.tif 000018
【図７】
0003621632.tif 000019