ファブリペローチューナブルナローバンドパスフィルタ

Operating Wavelength Ranges Covering 550 nm to 1300 nm
Transmission >80% for Low-Intensity Spectra Detection
30 GHz Free Spectral Range
5 mm Plano-Concave Cavity Mirror Separation

FPQFA-5

Wavelength Range: 550 - 845 nm

Application Idea

The FPQFA filters can be aligned using a setup built on XT66SD rails and 30 mm cage components. The filter, collimating fiber output lens, focusing lens, and mirrors are kept centered over the optical axis during adjustments. See the Alignment Guide tab for details.

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概要
アライメントガイド
用途例
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ファブリペローフィルタの概略図
(リング型ピエゾトランデューサについては
型番PA44M3Kのページをご参照ください)。

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フィルタはこちらのPOLARIS-K1Eのように標準的なØ25.4 mm(Ø1インチ)キネマティックマウントに取り付け可能です。1100 nmまでの測定用にSM05ネジ付きマウントに取り付け済みのフォトダイオード(型番SM05PD2A、別売り)がフィルタの出射ポートに取付けられています。

特長

動作波長範囲：550 nm～845 nmまたは845 nm～1300 nm
量子エミッタのスペクトル評価
フリースペクトルレンジ(FSR)：30 GHz
透過率： 80%以上、低光量のスペクトル検出用
フィネス： 300以上
分解能： 100 MHz以下
共振器の平面ミラーと凹面ミラーの間の距離：5 mm

ファブリペローチューナブルナローバンドパスフィルタFPQFAシリーズは、約0.1 nmの狭帯域(波長1 μmのレーザの場合)、または30 GHzのフリースペクトルレンジ(FSR)における低光量光源のスペクトルのフィルタリングに適しています。ファブリペローフィルタは、平面ミラーと凹面ミラーの2枚の高反射ミラーで構成されたノンコンフォーカル(非共焦点)の共振器がベースとなっております。光共振器が伝送する特定の周波数(波長)は、右の図のようにピエゾトランデューサを用いてミラー間の距離を調整することによりチューニングが可能です。フィルタは、550～845 nm(型番FPQFA-5)または845 nm～1300 nm(型番FPQFA-8)の波長範囲向けの光学コーティング付きです。これらの波長範囲は、ダイヤモンドのSi¹およびNV²中心や、InGaAs量子ドット³のフォトルミネッセンススペクトルの一般的な範囲です。フィルタの80%を超える透過率、30 GHzのFSR、そして100 MHz未満の分解能により、これら低光量の量子エミッタのスペクトルの微細構造を調査することができます。

FPQFAシリーズフィルタには、ディテクタなどは付属していませんので、ご用途により柔軟にカスタマイズすることができます。フィルタを使用して、ローレンツ型の透過特性で与えられる入射光のスペクトルの一部を選択し、スペクトルがフィルタリングされた光を光学系の下流で使用することができます。またはフィルタをファブリペロー干渉計SAシリーズと同様に走査デバイスとして動作させることも可能で、透過光をフォトダイオードで瞬時に測定し、トランスインピーダンスアンプで増幅した後、オシロスコープやデータ収集カードで表示または記録することができます。使用例については「用途例」タブをご覧ください。当社ではいくつかのディテクタをご用意しております。マウント済みフォトダイオードSM05PDシリーズはフィルタのSM05ネジ付き出射ポートに取り付けが可能です。その他にも外付けのディテクタとしてバイアスディテクタDETシリーズ、増幅ディテクタPDAシリーズ、アバランシェディテクタAPDシリーズをご用意しています。

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ファブリペローフィルタは、-30dB以上のオフレゾナンスモードの光を抑制し、30GHz FSRの基本共振モードを透過し、高次モードを含みません。基本モードのピーク右側にある高次モードは大きく抑制されていますが、この測定ではまだ透過しています。抑制量はモードマッチングの質に大きく依存します。

フィルタの外側のコンパクトなアルミ筐体は長さ32 mmで、SM05ネジ付きの入射・出射ポートが付いています。間隔が5 mmの共振器ミラーは、UV溶融石英(UVFS)製で、温度変動によるミスアライメントがないよう断熱筐体に収められています。各フィルタのケーブルには、ピエゾ制御用にBNCコネクタ付きとなっています。筐体のフォーカスアライメント溝は、ファブリペロー共振器の平面ミラーの位置を示しています。当社では、フィルタをPOLARIS-K1EまたはKS1などの安定したØ25.4 mm(Ø1インチ)キネマティックマウントに取り付けることを推奨します。上の写真のように、キネマティックマウントの面がフォーカスアライメント溝に一致しています。

アライメント
フィルタの平面-凹面ミラー共振器の設計は、共焦点共振器と比較してミラー間の距離が短い(FSRが大きい)ほど、より高い性能(光学フィネス、分解能、透過率)が得られます。例えば、フィルタのオンレゾナンスの透過率は80%以上で、通常-30 dB以上の光を抑制することができます(右のグラフ参照)。オンレゾナンスのピークは30 GHz (FSR)分離れており、これは共振器長d = 5 mm、FSR = c/2dで与えられます。

しかし平面-凹面ミラー共振器は、ファブリペロー干渉計SAシリーズで用いられている共焦点共振器よりも変動に敏感です。イルミネーションモードと共振器が対応する基本モード間ではより高いモードマッチングが必要になります。共振器に入力するイルミネーションモードが基本共振モードとよくマッチしない場合、高次モードが励起され、透過率が下がります。イルミネーションモードはモードのウェストサイズ、角度、ラジアルおよび縦方向の位置の観点でマッチングしていなければなりません。適切なアライメント方法については「アライメントガイド」タブをご覧ください。

コントローラ
特定の周波数を選択し、オンレゾナンスに固定したフィルタリングを行う用途では、高速で閉ループの制御システムでフィルタを使用するために、開ループピエゾコントローラMDT694Bや高電圧ピエゾアンプBPA100などの高出力アンプと信号発生器の組み合わせが必要になる場合があります。通常、それほど高い電力を必要としないスキャン用途には、ファブリペローフィルタにコントローラSA201Bをご使用いただけます。このコントローラは、ファブリペロー共振器長を繰り返し走査し、フィルタの1 FSRを掃引するために必要な鋸歯状波または三角波の電圧を生成します。また、ファブリペロー共振器を透過した光の強度を測定するフォトダイオードディテクタの出力増幅に使用できるトランスインピーダンスアンプを内蔵しています。またこのコントローラはオシロスコープに対してトリガ信号を出力することも可能です。このトリガ信号は走査の開始時だけでなく、走査範囲内でその位置(タイミング)を設定することも可能です。

Item #	Wavelength Range	Mirror Substrate	Free Spectral Range	Finesse	Resolution	On-Resonance Transmission	Extinction^a	Cavity Length	Piezo Voltage	Voltage for 1 FSR^b	Electric Impedance
FPQFA-5	550 - 845 nm	UV Fused Silica	30 GHz	> 300	< 100 MHz	> 80%	Typ. 30 dB	5 mm	0 to 150 V	≤22×(λ/845) V	2.2 µF
FPQFA-8	845 - 1300 nm	UV Fused Silica	30 GHz	> 300	< 100 MHz	> 80%	Typ. 30 dB	5 mm	0 to 150 V	≤22×(λ/845) V	2.2 µF

高次モードを除く
電圧 50 V以下、波長: < 50 V, 550 nm ≤ λ ≤ 1300 nm

参考文献

Lindner, S. et al. Strongly Inhomogeneous Distribution of Spectral Properties of Silicon-Vacancy Color Centers in Nanodiamonds. New J. Phys. 2018, 20, 115002.
Savvin, A., Dormidonov, A., Smetanina, E. et al. NV^– Diamond Laser. Nat Commun 12, 7118 (2021).
Dey, A.B., Sanyal, M.K., Farrer, I. et al. Correlating Photoluminescence and Structural Properties of Uncapped and GaAs-Capped Epitaxial InGaAs Quantum Dots. Sci Rep 8, 7514 (2018).

下記では当社のファブリペローフィルタのアライメント方法の概要を説明しています。下のリンクから特定の説明に飛ぶことができます。

一般的な手順
推奨するビームウェストとレンズ
コリメートビームをファブリペローフィルタに結合するためのセットアップ例
アライメントの最適化

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図1:FPフィルタの平面ミラーの面位置は、
デバイス本体の溝に示されています。

一般的な手順
まず当社のファブリペローチューナブルフィルタのアライメントを開始するには、POLARIS-K1EやKS1など、安定性が高く固定が可能なØ25 mm(Ø1インチ)キネマティックミラーマウントに取り付け、共振器にビームを集光するレンズ(後述)を選択します。入射光の形状と共振器とをモードマッチさせるための適切なレンズを選択した後、ビームウェストと共振器の平面ミラー位置を調整するといったフォーカス位置の調整も必要になることから、アライメント治具には十分な自由度を持たせる必要があります。平面ミラーの位置は、図1のとおり、筐体のフォーカスアライメント溝に合わせます。共振器を走査しながらビームをアライメントするために推奨する基本セットアップは2通りあります。

1つのセットアップでは、ファブリペローフィルタの前に置かれた2つのステアリングミラーを使用します。ファブリペローフィルタは、キネマティックマウントにセットされていますが、調整は行われず固定されます(フィルタ面がビームに対して垂直となるよう、最初は若干の調整が必要かもしれません)。1つ目のミラーは主に位置の制御を行い、2つ目のミラーは主に入射ビームの角度の制御を行います。ウエストの軸方向の位置は、ミラーのすぐ上流に置かれた集光レンズを動かすことで調整されます。レンズの上流に置かれたビームスプリッタ(別売り)も、正しいレンズ位置を設定するのに役立つ場合があります。ビームウェストが平面ミラー位置に適正に配置されれば、反射ビームはコリメートされるため、ビームスプリッタからの反射光を見ることで評価が可能です。また、レンズとミラーの間に設置された絞りを用いて、共振器からの反射ビームが絞りを通過して戻ってくるように調整すると、ビームが共振器の平面ミラーに対して垂直になります。このセットアップは、共振器によって光の方向が固定されているため、光学系の下流で透過ビームをさらに使用するのに便利です。

もう1つの推奨セットアップでは、キネマティックマウント付きフィルタの前にステアリングミラーを1つだけ使用します。この場合では、ステアリングミラーは共振器内でのビームの水平・垂直位置を制御し、主にファブリペローフィルタのチップ・チルトの調整により、共振器内のビームの方向を制御します。こちらのセットアップは、ファブリペローフィルタのすぐ後ろにディテクタやカメラを設置する場合に推奨されます(アライメント中に透過ビームの向きが変わるため)。前述のセットアップと同様に、入射ビームのウエストがフィルタ筐体のフォーカスアライメント溝と一致するよう、レンズをミラーの前に置いて調整してください。

ファブリペローフィルタのアライメントに2枚のミラーを使用した例は下記でご覧いただけます。アライメント方法の詳細については、マニュアルをご参照ください。

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図2:共振器フィルタFPQFAで対応可能なモードウエスト値(平面ミラーにおけるサイズ)を式(1)から波長の関数としてプロットしています。ファブリペローフィルタの下流の光学素子は、effective waist sizeを考慮して設計されています。

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図3: ファブリペローフィルタの下流の光学素子は、ウェスト位置は平面ミラーの実際のウェストに対してシフトされています(正の値は平面ミラーから後ろに向かった移動量です)。

平面-凹面共振器のビームウエストの計算
平面-凹面共振器は、ビーム径またはウエストω_cavが平面ミラー上においてで与えられる基本モードに対応しています。

ここでdは共振器長、Rは球面ミラーの曲率半径、λはビームの波長です。ファブリペローフィルタFPQFAでは、d = 5 mm、R = 250 mmです。この共振器の形状が対応するウェスト値は図2に示されています。ビームが共振器を透過する際、ウェストサイズとウェスト位置は、球面ミラー通過時の屈折によりわずかにシフトするため、フィルタ下流の光学系は、有効ウェストサイズと位置(effective waist size and position)を考慮して設計されていることにご留意ください。有効ウエストサイズと実際のモードウエスト値は図2、平面ミラー後の有効ウエストのシフト位置は図3に示しています。

自由空間ビーム用に推奨するレンズ
ウエストがω₀^inc(測定値)の自由空間ビームが、fを持つレンズに入射すると、下記の半径に集光します。

ここでz₀^inc = πw₀²/λ はガウシアンビームのレイリー長です。レイリー長は、ビームのウエストω₀^incが√2になるレンズからの距離です。レンズは、筐体のフォーカスアライメント溝から

の距離に置いてください(図5参照)。z₀^inc >> fの場合、式(3)はD = fに、式(2)は

となります。これは、式(1)から求められるω_cavの値と、レンズでの入射ビームウエストの測定値ω₀^incから、必要なレンズ焦点距離が決まるということを意味します。例えば、ω₀^inc = 0.56 mmでレンズに入射し、λ = 633 nmでω_cav = 84 µmを必要とするコリメートビームにより、与えられる焦点距離はf = 233 mmとなります。同じ入射ビーム半径でω_cav = 120 µmの共振器ウエストをλ = 1300 nmでモードマッチさせるには、f = 163 mmの焦点距離が必要です。最初のケースでは焦点距離がf = 250 mm、後者の例ではf = 150 mmまたは175 mmのレンズが妥当な選択となります。セットアップのスペースの問題で短焦点レンズを使用できない場合、入射ビームウエストω₀^incを大きくすると、必要な焦点距離も長くなります。

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図4: 平面ミラーにアライメントされたウエスト ω_cavのビームの基本モード形状を決定する共振器の構造

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図5:ウエストω₀^incのビームがレンズ上に入射し、距離Dにおけるビームウェストω_cavに集光している図

コリメートビームをファブリペローフィルタに結合するセットアップ例

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ファブリペローフィルタは、30 mmケージシステムと、2本の66 mmレールに固定されたアリ溝付きマウントから構成されるセットアップを使用してアライメントすることができます。

Fabry-Perot Alignment Setup Parts List
Item #	Qty.	Description	Item #	Qty.	Description
FPQFA-5^a	1	Tunable Fabry-Perot Filter, 550 - 845 nm	RCA1	6	SM1-Threaded 30 mm Cage Plate for 66 mm Rails
SM05PD2A	1	Mounted Silicon Photodiode, 200-1100 nm	AD12F	1	SM1-Threaded Adapter for Ø12 mm, ≥0.35" (8.9 mm) Long Cylindrical Components
CA2912	1	SMA Coaxial Cable	TC06APC-633	1	633 nm, f=6.01 mm, NA=0.28, FC/APC Triplet Collimator
POLARIS-K1E	1	Polaris^® Ø1" Mirror Mount, 3 Adjusters	KCB1^c	2	Right-Angle Kinematic Mirror Mount with Tapped Cage Rod Holes
XT66P2^b	1	Rail Carriage for 66 mm Rails	RS05P8E	1	Ø1" Pedestal Pillar Post, 8-32 Taps, L = 0.5"
XT66SD-250	2	66 mm Single Dovetail Rail, L = 250 mm	RS4M	1	Ø25.0 mm Post Spacer, Thickness = 4 mm
SPT1CT	1	Coarse ±1 mm XY Thick Slip Plate Positioner	P3-630Y-FC-1	1	Single Mode Patch Cable, 633 - 780 nm, FC/APC, 1 m Long
SPT1CT	1	Coarse ±1 mm XY Thick Slip Plate Positioner	LA1461-B-ML	1	Ø1" N-BK7 Plano-Convex Lens, SM1-Threaded Mount, f = 250 mm, ARC: 350-700 nm
SD1^b	1	1/4" (M6) to #8 (M4) Counterbore Adapter Ring	ER2	6	Cage Assembly Rod, 2" Long, Ø6 mm

フィルタFPQFA-8は、845～1300 nmの波長を必要とする用途で使用できます。
レールキャリッジXT66P2の中央ザグリ穴に#8-32ネジ付き台座ポストRS05P8Eを取り付けるには、アダプターリングSD1が必要です。
直角ミラーマウントKCB1には、目的のスペクトル範囲に適した広帯域誘電体ミラーを取り付けることができます。その他に、銀やアルミニウムの保護膜付き金属ミラーもお使いいただけます。

上の写真は、光ファイバから出射されたビームをファブリペローフィルタにモードマッチさせるセットアップです。光ファイバから出たビームは拡散するので、トリプレットファイバーコリメータTC06APC-633のようなコリメートレンズでまずビームをコリメートする必要があります。その後、集光レンズLA1461-B-MLをコリメータの後ろに配置し、レンズとファブリペローフィルタ間の距離を調整することで、フィルタ内の希望の位置にウエストを得ることができます。ファブリペローフィルタ、集光レンズ、コリメータはレールXT66SD-250に取り付けられているので、距離を調整する際にもシステム全体で一貫したアライメントを得ることができます。スリッププレートポジショナSPT1CTは、コリメータTC06APC-633とファイバを出た後、集光レンズ上で最初にビームをセンタリングするためのXYの粗調整を行います。2枚の直角ミラーKCB1は、安定性を高めるために2枚のプレートRCA1を使ってレールに取り付けられており、ファブリペローフィルタに入力する光の位置と角度を調整します。マウントPOLARIS-K1Eは、安定性とアライメントの自由度をもたらします。最後に、ファブリペローフィルタに取り付けられたフォトダイオードSM05PD2Aは、透過ビームを検出します。別のセットアップとして、ビームスプリッタと外付けフォトディテクタをファブリペローフィルタの前に設置し、アライメントを補助したり、用途によってファブリペローフィルタの後ろに設置することも可能です。

アライメントの最適化
最初にビームを大まかに合わせるには、光学系をビームと同じ高さにセットする必要があります。各ミラーからビームが90°偏向するように、ミラーの面を45°の角度で配置するのが理想的です。ビームがファブリペローフィルタの開口部の中心に来たら、レンズを適切な位置に置き、ビームがレンズの中心に来るようにして、かつできるだけ垂直入射するように調整します。すべての光学系でビームが中心にあることを確認し、適宜調整してください。アライメントディスクSM05A7をフィルタのSM05ネジ付き入射ポートに取り付けることで、ビームをセンタリングの初期調整が容易になります。フォトダイオードまたはディテクタの出力部をオシロスコープに接続し、ファブリペローコントローラボックスSA201B または信号発生器と増幅器からの出力部からピエゾランプ信号をオンにし、ピエゾアクチュエータで共振器長の走査を開始します(1つ以上のピークが表示されるように十分に高い電圧で振幅を設定してください。詳細はマニュアルのセクション 4.5 を参照してください)。共振器長がビームの波長と共振しているため、わずかな透過信号が観測されます。その後、アライメントを最適化することで、モードマッチングを高め、透過信号を増加させることができます(下図参照)。この時点で信号が検出されない場合には、粗アライメントを確認する必要があるかもしれません。

共振器を走査し、オシロスコープで信号を注意深く観察します。次のようにビームを操作しながら、2つのステアリングミラーのアライメントを最適化します。共振器から遠い方のミラーの水平軸ノブを時計方向に少し回し、近い方のミラーの水平軸を使って透過パワーを最適化します。パワーが向上した場合は、最初のミラーの水平軸に戻り、時計回りにもう1度回し、これを繰り返します。開始時よりもパワーが悪化している場合は、最初のミラーに戻り、ノブを反時計回りに回してください。近い方のミラーで水平軸のパワーを再度最適化し、これを繰り返します。水平軸のみを使用してパワーが最適化されるまでこれを続けます。今度は垂直軸を使ってこの手順を繰り返してください。両方の方向について、透過ピークが最適化されるまで続けます。この時点では、高次モードへのパワー結合はほとんどないはずです。まだ、モードマッチングが十分でない場合は、レンズを軸方向に移動させるか、焦点距離を変更する必要があるかもしれません。

下の図は、オシロスコープのランプ信号の軌跡を青色で、ファブリペローフィルタからのフォトダイオード/ディテクター出力の軌跡を黄色で示したもので、アライメントによって共振器へのビームのモードマッチングが改善されていることがわかります。

最初の調整の後、透過量は基本モードだけでなく多くの高次モードとともに改善されますが、さらなる最適化が必要です。

大まかなアライメント後、多くの小さなピークが現れ始めます。

2回目の調整で基本共振モードが増加し、高次モードが抑制され始めます。

ここで、モードマッチングが達成され、高次モードはほとんど結合されなくなります。黄色の軌跡のスケールが500 mVから1.00 Vに変化していることにご留意ください。

ファブリペローフィルタFPQFAを使用する代表的な使用例を2つ下の図に示しています。

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ファブリペローフィルタで周波数を走査し、光のスペクトル特性を測定することが可能です。ファブリペローフィルタからの透過信号の一部は、ビームスプリッタからの反射光を用いて瞬時に測定され、フォトディテクタに送られた後、オシロスコープに表示されます。ビームスプリッタを通過した透過光は、用途に応じて下流の光学系で使用することができます。信号発生器によって生成され増幅された三角波は、フィルタのピエゾを駆動するために使用されます。信号発生器のトリガ信号は、伝送信号と同位相になるようにオシロスコープに送られます。

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特定の周波数を選択するために、ファブリペローフィルタを閉ループフィードバックシステムで使用し、スペクトルをフィルタリングされた光を下流の光学系に伝送させることができます。ここでは共振器から伝送された共振信号は、検出のためにビームスプリッタから分岐され、PIDレギュレータに送られ、共振器を継続的にオンレゾナンスに保つために増幅されます。

Posted Comments:

Ozan Arı (posted 2024-04-18 20:27:38.217)

Can we use this device as a spectrometer to measure transmittance from a nano-cavity with 5-10 nm FSR and a few GHz FWHM, such as wavelength vs transmitted intensity with 100 MHz resolution?

acanales (posted 2024-04-19 07:01:52.0)

Thank you for contacting Thorlabs! The FPQFA is not a spectrometer but rather a very narrow bandpass filter (100 MHz) with a tunable transmitted wavelength window. It can be used to measure spectral properties like linewidth but not to obtain wavelength information. Instead, we can suggest an OSA30x with a resolution of 1.9 GHz. Unfortunately, 100 MHz is too high a resolution for our spectrometers.