CN106525020A - 单泵浦级联受激布里渊散射（sbs）环形激光陀螺仪 - Google Patents

单泵浦级联受激布里渊散射（sbs）环形激光陀螺仪 Download PDF

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Abstract

提供一种环形激光陀螺仪。该环形激光陀螺仪包括光学环形谐振器、在泵浦频率处提供泵浦射束的光源、拍探测器和光学时钟探测器。泵浦射束在第一方向上耦合至光学环形谐振器，并在从泵浦频率下移布里渊斯托克斯频率的第一斯托克斯波频率处激励第一光学增益曲线。一阶受激布里渊散射(SBS)射束在第二方向上传播，以及二阶SBS射束在第一方向上传播。拍探测器产生根据一阶SBS射束和二阶SBS射束间频率差而改变的光学拍信号。光学时钟探测器基于两个共同传播的射束生成参考频率信号。

Description

单泵浦级联受激布里渊散射(SBS)环形激光陀螺仪
本专利申请要求于2015年9月9日提交的、标题为“SINGLE-PUMP CASCADEDSTIMULATED BRILLOUIN SCATTERING(SBS)RING LASER GYRO”、编号为62/216,203的美国临时专利申请的优先权，该专利申请据此通过引用完全结合于本文中。
背景技术
对于导航系统、精密定点系统和制导系统存在对低成本、高性能的陀螺仪的需要。从历史上看，导航级陀螺仪市场已经偏爱诸如GG1320之类的HeNe环形激光陀螺仪(RLG)，但是在不给与GPS的任务中，热极端、高冲击和高振动的应用要求市场上出现新产品。在常规RLG中，要求“高频振动马达(dither motor)”以防止谐振频率以小速率发生退化；且高频振动马达要求易碎的移动部件，其不适于高冲击和振动应用。在没有移动部件的情况下光波导在单一硅基底上的单片集成，这在严苛的环境中提供了优势。
发明内容
本申请涉及环形激光陀螺仪。该环形激光陀螺仪包括配置为在第一方向和第二方向上传播光束的光学环形谐振器。第二方向与第一方向相反。该光学环形谐振器包括将光束耦合进和耦合出光学环形谐振器的至少一个光学耦合区。该环形激光陀螺仪还包括在泵浦频率上提供泵浦射束的光源。该泵浦射束在第一方向上被光学地耦合至光学环形谐振器。该泵浦射束在从泵浦频率下移布里渊斯托克斯频率的第一斯托克斯波频率上激励第一光学增益曲线。该光学环形谐振器具有位于第一光学增益曲线带宽中的谐振模式且谐振器往返损耗小于第一光学增益，使得一阶受激布里渊散射(SBS)射束在第二方向上传播。一阶SBS射束在从泵浦频率下移两倍布里渊斯托克斯频率的第二斯托克斯波频率上激励第二光学增益曲线。该光学环形谐振器具有位于第二光学增益曲线带宽中的谐振模式。谐振器往返损耗小于第二光学增益，使得二阶SBS射束在第一方向上传播。该环形激光陀螺仪还包括拍(beat)探测器和基于两个共同传播的射束而生成参考频率信号的光学时钟探测器，该拍探测器被配置为产生光学拍信号，该光学拍信号根据一阶SBS射束和二阶SBS射束间的频率差而变化。
附图说明
基于对附图仅描绘示例性实施例以及不被认为是在范围方面的限制的理解，通过附图的使用将以附加的特征和细节描述示例性实施例，在附图中：
图1示出了根据本申请的光学泵浦射束、一阶受激布里渊散射(SBS)射束和二阶SBS射束的频率分布；
图2示出了根据本申请的环形激光陀螺仪一实施例的一部分，其中光学泵浦射束、一阶SBS射束和二阶SBS射束在光学环形谐振器中传播；
图3示出了根据本申请的环形激光陀螺仪的一个实施例；
图4示出了根据本申请的位于芯片上的环形激光陀螺仪的一个实施例；
图5A示出了根据本申请的环形激光陀螺仪的一个实施例；
图5B示出了根据本申请的环形激光陀螺仪的一个实施例；
图6示出了根据本申请的配置为N-圈(N-turn)波导回路的光学环形谐振器的一个实施例；以及
图7示出了根据本申请的测量旋转的方法。
根据通常实践，各种所描述的特征并未按比例绘制，但这些特征被绘制成强调与示例性实施例相关的具体特征。
具体实施方式
在下文的详细说明中，参考形成本文一部分的附图，以及其中以举例说明的方式示出了具体说明性实施例。然而，可以理解，可利用其他实施例，并且可进行逻辑、机械和电的改变。此外，附图和说明书中呈现的方法并不被解释为限制其中各个步骤被实施的次序。因此，下文的详细说明不能被理解为具有限制性意义。
本文描述的系统和方法利用了受激布里渊散射(SBS)的性质，通过从一阶受激布里渊散射光生成二阶受激布里渊散射光，以从单个泵浦激光创建在相反方向上以不同的已知频率传播的两个光束。
图1示出了根据本申请的光学泵浦射束、一阶受激布里渊散射(SBS)射束和二阶SBS射束的频率分布。图2示出了根据本申请的SBS环形激光陀螺仪(RLG)一实施例的环形激光陀螺仪部分15，其中光学泵浦射束200、一阶SBS射束210和二阶SBS射束220在光学环形谐振器50中传播。本文中光学环形谐振器50也被称为光学谐振器50。
光学泵浦射束200处于泵浦频率vP(图1)处并且在第一方向上传播。一阶SBS射束处于第一斯托克斯波频率vSBS1(图1)处并且在与光学泵浦射束200传播的第一方向相反的第二方向上传播。二阶SBS射束处于第二斯托克斯波频率vSBS2(图1)处并且与光学泵浦射束200一起在第一方向上共同传播。在该示例性实例中，第一方向为顺时针(CW)方向，以及第二方向为逆时针(CCW)方向。本文描述的环形激光陀螺仪实施例中的光学环形谐振器在泵浦频率vP、第一斯托克斯波频率vSBS1和第二斯托克斯波频率vSBS2上谐振。
如图2所示，环形激光陀螺仪部分15的光学泵浦射束200从光源100(泵浦激光器100)发射。在环形激光陀螺仪部分15的该实施例中，光学环形谐振器50具有第一光学耦合区320和第二光学耦合区321。在下文参考附图5A、5B和6描述的其他实施例中，光学环形谐振器具有单一的光学耦合区。光学耦合区为定向耦合器。本领域技术人员理解如何设计和制造这些类型的光学耦合区。光学环形谐振器中的其他类型的光学耦合区，包括未来发展的光学耦合器，是可能的。
在该实施例的一个实施方式中，该光学环形谐振器50为刚性光学波导谐振器50。刚性光学波导谐振器50可由半导体材料、玻璃或塑料形成。可通过将波导蚀刻在基底中、将波导蚀刻在沉积在基底上的一个或多个层中、或将波导蚀刻在基底的一部分(即芯片)中来形成刚性光学波导谐振器50。如本领域技术人员已知，蚀刻芯片之后可进行一个或多个材料层的沉积，以及一个或多个附加蚀刻过程，以确保波导为低损耗波导。
在该实施例的另一个实施方式中，光学环形谐振器50为由光纤形成的光纤谐振器50。
随着光学泵浦射束200传播通过光学环形谐振器50，在从泵浦频率vP下移布里渊斯托克斯频率vsbs的第一斯托克斯波频率vSBS1处，第一光学增益曲线311(图1)被光学泵浦射束200激励。如图1中所示，光学环形谐振器50具有位于第一光学增益曲线311的带宽315内的谐振模式301。在充分低的谐振器损耗的情况下，第一光学增益曲线311中的光学增益引起发射激光的电磁场，其与光学泵浦射束200反向地传播。一阶受激布里渊散射提供了光学增益，并放大与光学泵浦射束200反向地传播的电磁场。
以此方式，当光学泵浦射束200超过受激布里渊散射阈值时，光学泵浦射束200具有足够的光功率以激励频率vSBS1(图1)处的一阶SBS射束210(图2)，频率vSBS1位于从泵浦频率vP下移布里渊斯托克斯频率vsbs的第一SBS增益带宽中。泵浦激光和一阶SBS(vP-vSBS1)之间的频率被设计为近似为光学环形谐振器的自由光谱范围(FSR)的整数倍(N×FSR)。随着光学泵浦射束200的强度增大，一阶SBS射束210的强度增大。一阶SBS射束210在与光学泵浦射束200传播的第一方向相反的第二方向上传播。
交替地，随着一阶SBS射束210在第二方向上传播通过光学环形谐振器50，在从vSBS1处的第一SBS射束下移布里渊斯托克斯频率vsbs的第二斯托克斯波频率vSBS2处，第二布里渊散射增益曲线312被一阶SBS射束210激励。如图1所示，光学环形谐振器50具有位于第二光学增益曲线312的带宽316内的谐振模式302。由于充分低的谐振器损耗，第一光学增益曲线311中的光学增益引起发射激光的电磁场，其与一阶SBS射束210反向地传播。二阶受激布里渊散射提供了光学增益，并放大了与一阶SBS射束210反向地传播的电磁场。
以此方式，当一阶SBS射束210的强度超过受激布里渊阈值时，一阶SBS射束210具有足够的光功率以激励频率vSBS2处的二阶SBS射束220，频率vSBS2大致位于二阶SBS增益带宽中的谐振器谐振频率中的一个处。二阶SBS射束220的频率vSBS2距离第一SBS射束的频率vSBS1大约N×FSR，以及距离泵浦射束200的泵浦频率vP大约2N×FSR。随着一阶SBS射束210的强度增大，二阶SBS射束220的强度也增大。如图1所示，二阶SBS射束220在与一阶SBS射束210传播的第二方向相反的第一方向上传播。因而，二阶SBS射束220与光学泵浦射束200共同传播。
一阶SBS射束210和二阶SBS射束220之间的频率差是一个频移，该频移是光学环形谐振器50的性质(即，折射率、芯尺寸和数值孔径等)和由旋转速率(fΩ)引起的频移的函数。该频率差等于N×FSR加上与增益曲线中心不匹配的谐振频率的小的取决于折射率的偏移，加上旋转频移。根据用来确定光学环形谐振器50的旋转速率的拍频来测量此频率差。在该实施例的一个实施方式中，vSBS1从泵浦频率vP下移约11GHz。这种情况下，一阶SBS射束210从泵浦频率vP下移～11GHz且与光学泵浦射束200反向传播，以及二阶SBS射束220从泵浦频率vP下移～22GHz且与光学泵浦射束200共同传播。
如图2所示，光学泵浦射束200通过光学耦合区320耦合到光学环形谐振器50中。光学泵浦射束200的一部分在第一方向上传播通过光学环形谐振器50。反射端口探测器120光学地耦合至第一光学耦合区320的输出。
定向耦合器129光学地耦合至第二光学耦合区321。在第一方向上传播的一部分光(即光学泵浦射束200和二阶SBS射束220)被从第二光学耦合区321发送至定向耦合器129。定向耦合器129分离光学泵浦射束200和二阶SBS射束220。光学泵浦射束200和二阶SBS射束220的一部分被引导至探测器121。因为探测器121生成参考频率信号，所以本文中探测器121被称为光学时钟探测器121，参考频率信号也被称为时钟信号。光学时钟探测器121基于两个共同传播的射束生成参考频率信号。在图2、3、4和5A示出的环形激光陀螺仪的实施例中，光学时钟探测器121基于共同传播的泵浦射束200和二阶SBS射束220生成参考频率信号。在图5A中示出的环形激光陀螺仪的实施例中，光学时钟探测器121基于一阶SBS射束210和三阶SBS射束230生成参考频率信号，如下文所述。
光学泵浦射束200(其在光学环形谐振器50中与二阶SBS发射激光的模式(即，二阶SBS射束220)共同传播)与二阶SBS发射激光的模式的频率差为vP-vSBS2(～22GHz)。因为电磁场共同传播，所以该频率差并不依赖于旋转速率。二阶SBS和泵浦射束之间的频率差近似为FSR数的倍数(2N×FSR)。该拍信号被用作参考信号，其在本文中也被称为时钟信号或参考/时钟信号。光学时钟探测器121处时钟信号的自生成抵销了由例如温度变化引起的光学环形谐振器50中的自由光谱范围(FSR)漂移所导致的偏置误差。不能将FSR漂移与在布里渊斯托克斯频率vsbs(例如，～11GHz)拍音(beat note)上的旋转进行区分，但由于关于两倍布里渊斯托克斯频率2*vsbs(例如，～22GHz)时钟信号的相关效应，FSR漂移在陀螺仪输出上被抵销了。
光学泵浦射束200和二阶SBS射束220的其他部分被从定向耦合器129光学地耦合至光学滤波器130。光学滤波器130从定向耦合器129耦合光学泵浦射束200和二阶SBS射束220，并滤除光学泵浦射束200。此处光学滤波器130也被称为“泵浦抑制滤波器130”。此处描述的光学滤波器可为光学环形谐振器或布拉格光栅。本领域技术人员理解如何设计和制造这些类型的光学滤波器。包括未来发展的光学滤波器的其他类型的光学滤波器是可能的。
定向耦合器323被光学地耦合为接收来自第二光学耦合区321和光学滤波器130的输入。在第二方向上传播的光(即，一阶SBS射束210)的一部分被从第二光学耦合区321发送至定向耦合器323的输入。从光学滤波器130输出的二阶SBS射束220也被发送至定向耦合器323的输入。一阶SBS射束210和二阶SBS射束220作为共同传播的光束从定向耦合器323中输出，并入射到拍探测器130上。共同传播的一阶SBS射束210和二阶SBS射束220具有在一阶SBS射束210的第一频率(vSBS1)和二阶SBS射束220的第二频率(vsbs2)之间的差处的拍频。拍探测器131产生光学拍信号，其作为一阶SBS射束210和二阶SBS射束220之间的频率差的函数而变化。一阶SBS射束210和二阶SBS射束220之间生成的拍信号近似等于FSR的整数倍加上旋转引入的频移(N×FSR+fΩ)，并且用来基于陀螺仪内的拍信号用来确定旋转速率。
旋转时，萨格纳克(Sagnac)效应使得光学环形谐振器50的谐振腔显得对于一个传播方向更长，而对于另一传播方向被压缩，这导致发射激光的频率中的不同的移位(fΩ)，由此可确定旋转速率。通过使用两个相邻的SBS阶次来感测旋转获得噪声处理的高度的共模抑制。用以感测旋转的两个相邻的SBS阶次可为如文中所述的一阶和二阶SBS，二阶和三阶SBS，三阶和四阶SBS等等。
由于这两个谐振发射激光的模式之间的几乎全部噪声源都是共同的，在该拍频测量结果上的主噪声源为量子噪声。因此，角度随机游走(ARW)依赖于各发射激光的模式的输出功率。
下文，参考图3、4、5A和5B，描述了图2中示出的环形激光陀螺仪的示例性实施例，该环形激光陀螺仪包括环形激光陀螺仪部分15或关于环形激光陀螺仪部分15的变型。在下文参考图3、4、5A和5B所描述的环形激光陀螺仪的示例性实施例中，环形激光陀螺仪中在光学环形谐振器50之外的光束被引导通过刚性光学波导。用于引导和导向光的其他技术是可能的。
图3示出了根据本申请的RLG10的实施例。RLG10包括图2中所示的环形激光陀螺仪部分15，以及：对从连续波激光器发射的光学泵浦射束200进行调制的电光调制器105；传输端探测器111；频率测量装置370；自由光谱范围(FSR)回路电子设备；和Pound-Hall-Drever(PDH)回路电子设备。FSR回路电子设备包括FSR混合器125；接收FSR混合器125的输出的FSR伺服350。PDH回路电子设备包括PDH混合器135和PDH伺服360。拍探测器131将信号输出至频率测量装置370。有时，频率测量装置被称为频率计数器。
RLG10位于基底25上。在该实施例的一个实施方式中，RLG10的一个或多个部件形成在基底25的内部区域中。
RLG10的读出机构与常规RLG的读出机构类似，其中最好且最贵的RLG的读出机构同样受限于量子噪声。然而，由于RLG10即使在零旋转速率时也具有～11GHz频率分割，所以不存在常规RLG中发生的从一个模式后向散射进入反向传播模式从而对泵浦激光器100进行种子注入(seeding)并导致频率“锁定”效应的风险，其中反向传播谐振频率以小速率退化。在常规RLG中，需要“高频振动马达”以防止谐振频率以小速率退化，高频振动马达使陀螺仪旋转以确保其始终测量高于锁定阈值的速率。
有利地，RLG10并没有锁定，以及因此无需高频振动马达或任何移动部分。另外，高的信号频率(例如，～11GHz)在高动态环境中提供一些优势。在现有技术陀螺仪中，光电探测器和放大器被优化以为了低频处的高灵敏度以便探测小的旋转，其中DC输出对应于零旋转速率。这些现有技术的光电探测器和放大器可能不具有精确感测～20MHz拍信号的带宽，这将是对于100,000度/秒旋转速率所期望的(给定前述形成因素)。对于被优化以感测11GHz的光探测器和放大器，20MHz的频率变化不伸展这些光探测器和放大器的带宽限制。
然而，由依据(在极点处的)地球旋转速率的萨格纳克效应引起的一阶和二阶模式之间的频率差的改变对谐振器而言在近似1平方英寸的有界区域的情况下为大约一赫兹。时钟信号具有足够高的质量以精确地指示何时一秒已经传到110亿中的一部分内，所以用户知道在该时间内已经观察到多少个明-暗周期。时钟信号将被分成半频率(N×FSR～11GHz)。
这种情况下，因为光学泵浦射束200和共同传播的二阶SBS射束220频率相差2vsbs＝22GHz，所以时钟信号使用22GHz信号作为频率参考。该频率差与旋转速率无关，因为旋转以相同的方式影响在同一方向上传播的电磁场以及在测量差别频率时该影响被抵销。
该2vsbs GHz时钟信号具有超过任何质量的任何外部频率参考信号的优势。由于多种影响(诸如温度变化)时钟频率可以在绝对项中产生漂移，这导致路径长度中的改变并因此导致谐振器的FSR的改变。然而，对FSR的任意的这样的影响也将改变在其上旋转被编码的11GHz信号的频率。因为该改变与旋转无关，所以其代表误差。但如果在频率参考中发生了恰好相应的改变，则该误差从实际旋转测量结果中抵销。
在该实施例的一个实施方式中，能够消去共模误差的信号处理方案将该(2N×FSR)信号频率除以2，然后将其与(N×FSR+fΩ)信号混合。该混合器的输出是经低通滤波的。对一个完美的光学环形谐振器50而言，该混合器输出在零旋转速率下为DC，以及在地球速率下约为半赫兹；11GHz“背景”连同FSR中的任何改变一起被移除。
激光器的输出频率不仅依赖于谐振器的“冷腔”谐振频率，而且依赖于光学增益曲线311和312的中心频率。如果光学环形谐振器50的自由光谱范围并未完美地调整成匹配SBS频移vsbs，则不同的腔谐振(即，图1中所示的301和302)与最接近的增益峰(即，图1中所示的311和312)分离达不同的量。这创建了上述通过以22GHz的混合未完全抵销的模式牵引。然而，对于给定的光学环形谐振器而言，这是可重复的现象，以及可被表征为温度的函数并被减除。模式牵引可潜在地用于电子地分离来自一阶SBS射束210与通过光学滤波器130的残余光学泵浦射束200的拍的任何信号。
图4示出根据本申请的芯片20上RLG11的实施例。图4中所示的RLG11的实施例与图3中所示的RLG10的实施例的不同之处在于光学环形谐振器50在刚性谐振器芯片20上。在该实施例的另一实施方式中，芯片20支撑RLG11的其他部件。光学环形谐振器50被蚀刻在芯片20中以最小化往返谐振器损耗，包括光学耦合区320和321处的额外损耗。
在该实施例的一个实施方式中，激光器100被形成在刚性谐振器芯片20上，且其中形成光学环形谐振器50的波导环绕激光器100。在该实施例的一个实施方式中，刚性谐振器芯片20为整个基底25。目前使用和未来发展的混合集成处理技术允许激光器、探测器、光学滤波器和任何需要的调制器或光学放大器在同一芯片上的共同定位。
在该实施例的一个实施方式中，刚性谐振器芯片20为大约几英寸。
图5A示出了根据本申请的RLG12的实施例。RLG12与上文参考图3和4描述的RLG10和11的不同之处在于，光学环形谐振器50仅有单个光学耦合区，通常在420处表示。其有利地减少了光学环形谐振器50中的损耗。如图5A中所示，从光源100(泵浦激光器100)发射的泵浦射束200被相位调制器105调制，并被放大器106放大。光学泵浦射束200的一部分通过Y-分束器615从波导分接至相对强度噪声(RIN)监视器107。未分接的光学泵浦射束200传播通过通常在620处表示的环形器，并在光学环形谐振器50的光学耦合区420处被耦合至光学环形谐振器50中。在该实施例的一个实施方式中，环形器620被定向耦合器替代。
光学泵浦射束200和二阶SBS射束220在光学环形谐振器50中在第一方向上传播，该传播在该示例性实施例中为顺时针方向。一阶SBS射束210在光学环形谐振器50中在第二方向上传播，该传播在该示例性实施例中为逆时针方向。
当在第二方向上传播通过光学环形谐振器50的一阶SBS射束210通过光学耦合区420时，一部分被引导至拍探测器131。当在第一方向上传播通过光学环形谐振器50的光学泵浦射束200和二阶SBS射束220通过光学耦合区420时，每个射束的一部分通过Y-分束器616被引导至生成参考/时钟信号的光学时钟探测器121。以此方式，光学时钟探测器121基于共同传播的光学泵浦射束200和二阶SBS射束220生成参考频率信号。
光学泵浦射束200和二阶SBS射束220的剩余部分在耦合区631耦合至光学滤波器130。该实施例中的光学滤波器130为在二阶SBS射束220的频率处谐振的光学环形谐振器130。光学环形谐振器130从二阶SBS射束220中过滤光学泵浦射束200。此处泵浦光滤除的光学环形谐振器130也被称为“滤波环形谐振器160”和“泵浦抑制滤波器160”。泵浦射束200在泵浦抑制滤波器160中并不谐振，以及二阶SBS射束220在泵浦抑制滤波器160中谐振。本领域技术人员可以理解，可通过多个可能的技术中的一个从RLG12中去除光学泵浦射束100。
谐振的二阶SBS射束220的一部分通过光学耦合区632从泵浦抑制滤波器160耦合出至一阶SBS射束210在其中传播的波导。以此方式，二阶SBS射束与一阶SBS射束共同传播，该共同传播的射束入射在拍探测器131上。
在图5A所示的实施例中，泵浦抑制滤波器160被温度伺服140和电阻元件热控制，以确保保持在二阶SBS射束220上的谐振。陀螺仪电子设备处理来自拍探测器131的信号和来自光学时钟探测器121的参考/时钟信号，如上文参考图3所描述的。
图5B示出根据本申请的RLG13的实施例。RLG13与上文参考图5A描述的RLG12的不同之处在于，一阶SBS210和三阶SBS230之间的拍音被用于在光学时钟探测器121处生成参考频率/时钟信号，不同于其中泵浦射束210和二阶SBS在光学时钟探测器121处生成参考频率/时钟信号的图5A的实施例。第三斯托克斯波频率处的三阶SBS230与第一斯托克斯波频率处的一阶SBS210在第二方向上共同传播。第三斯托克斯波频率被从第一斯托克斯波频率下移两倍的布里渊斯托克斯频率。
随着二阶SBS射束220在第一方向上传播通过光学环形谐振器50，在从vSBS2处的第二SBS射束下移布里渊斯托克斯频率vsbs的第三斯托克斯波频率vSBS3处，第三布里渊散射增益曲线被二阶SBS射束220所激励。光学环形谐振器50具有第三光学增益曲线的带宽16中的谐振模式。以充分低的谐振器损耗，第二光学增益曲线312中的光学增益引起与二阶SBS射束220反向传播的发射激光的电磁场。三阶受激布里渊散射提供了光学增益，并放大与二阶SBS射束220反向传播且与一阶SBS射束210共同传播的电磁场。
以此方式，当二阶SBS射束220的强度超过受激布里渊阈值时，二阶SBS射束220具有足够的光功率以激励频率vSBS3处的三阶SBS射束230。三阶SBS射束230的频率vSBS3距离二阶SBS射束220的频率vSBS2大约N×FSR，距离二阶SBS射束220的频率vSBS2大约2N×FSR。随着二阶SBS射束220的强度增大，三阶SBS射束230的强度也增大。
在该实施例中，当在第二方向上传播通过光学环形谐振器50的一阶SBS射束210和三阶SBS230通过光学耦合区420时，每个射束的一部分通过Y-分束器621被引导至生成参考频率/时钟信号的光学时钟探测器121。以此方式，光学时钟探测器121基于共同传播的一阶SBS射束210和三阶SBS230生成参考频率信号。
一阶SBS射束210和三阶SBS230的剩余部分通过Y-分束器621被引导至拍探测器131。
当在第一方向上传播通过光学环形谐振器50的光学泵浦射束200和二阶SBS射束220通过光学耦合区420时，共同传播的光束被引导至泵浦抑制滤波器160。陀螺仪电子设备处理来自拍探测器131的信号和来自光学时钟探测器121的参考/时钟信号，如上文参考图3所描述的。
图6示出了根据本申请的被配置作为N-圈波导回路51的光学环形谐振器51的实施例。被配置为N-圈波导回路的光学环形谐振器具有N个回路，其中N是大于1的正整数。最内圈回路连接至最外圈回路、波导上具有N-1个单层交叉的部分。在图6示出的示例性实施例中，多圈波导回路为具有一层交叉54的两圈波导回路51。该两圈波导回路具有内圈回路51和外圈回路52。对于其中激光器100被光学环形谐振器51围绕的实施例，耦合区420在内圈回路51上。在该实施例的另一实施方式中，对于其中激光器100没有被光学环形谐振器51围绕的实施例，耦合区420在外圈回路52上。
本文描述的环形激光陀螺仪的任一实施例可在用光学环形谐振器51替代光学环形谐振器50的情况下实施。此处，“单层交叉”被定义为由相同的一层或相同的多个层形成的两个光波导的交叉。单层交叉被示出在角度α和α’处，其中α+α’＝180°。在该实施例的一个实施方式中，α为120°且α’为60°。在该实施例的另一实施方式中，α和α’皆为90°。
本领域技术人员可以理解，本文描述的环形激光陀螺仪中的光学环形谐振器还可为具有两个单层交叉54的三圈波导回路，具有三个单层交叉54的四圈波导回路，等等。对波导中圈数的限制由每个单层交叉54中的损耗和光学波导中要求的增益来约束。随着单层交叉54中损耗的改善，可实施更多圈的方案。
图7示出了根据本申请的测量旋转的方法700。参考图3的RLG10来描述方法700。方法700的该实施例被描述为使用包括图2所示的部分15和图1所示的频率分布的图3的RLG10来实施。方法700的过程也适用于包括图2所示的环形激光陀螺仪的实施例的部分15的RLG的其他实施例。
在框702中，具有泵浦频率vP的光学泵浦射束200被耦合进入光学环形谐振器50。在该实施例的一个实施方式中，光学环形谐振器50为刚性光学波导。在该实施例的另一实施方式中，光学环形谐振器50为光纤。在该实施例的又一实施方式中，环形激光陀螺仪中在光学环形谐振器50外部的光束被引导通过刚性光波导。在该实施例的又一实施方式中，环形激光陀螺仪中在光学环形谐振器50外部的光束被引导通过光纤。在该实施例的又一实施方式中，环形激光陀螺仪中在光学环形谐振器50外部的光束传播通过空气和被引导通过光纤和刚性波导的组合。在框704中，光学泵浦射束200在第一方向上传播通过光学环形谐振器50。在框706中，光学泵浦射束200激励在其为从泵浦频率vP下移布里渊斯托克斯频率vsbs的第一频率vSBS1上的一阶受激布里渊散射(SBS)射束210。随着光学泵浦射束200在第一方向上传播通过光学环形谐振器50，第一光学增益曲线311在从泵浦频率vP下移布里渊斯托克斯频率vsbs的第一斯托克斯波频率vSBS1处被激励。
在框708中，一阶SBS射束210在与第一方向相反的第二方向上传播通过光学环形谐振器50。
在框710中，一阶SBS射束210激励在从泵浦频率vP下移两倍布里渊斯托克斯频率2vsbs的第二频率处的二阶SBS射束220。通过在第二方向上传播通过光学环形谐振器50的一阶SBS射束210，第二光学增益曲线312在从泵浦频率vP下移两倍布里渊斯托克斯频率2vsbs的第二斯托克斯波频率vSBS2处被激励。
在框712中，二阶SBS射束220在光学环形谐振器50中以第一方向传播。以此方式，二阶SBS射束220和光学泵浦射束200共同传播。
在框714中，二阶SBS射束220和光学泵浦射束200从光学环形谐振器50的光学耦合区321输出。通过光学滤波器130，二阶SBS射束220与光学泵浦射束200分离。
在框716中，一阶SBS射束210从光学环形谐振器50的光学耦合区420输出。光学泵浦射束200和一阶SBS射束210也从光学环形谐振器50输出，并被引导至泵浦抑制滤波器130。在该实施例的一个实施方式中，光学泵浦射束200和一阶SBS射束210也从光学环形谐振器50输出，并被引导至光学时钟探测器121，其基于共同传播的泵浦射束200和二阶SBS射束220生成参考频率信号。在该实施例的另一实施方式中，一阶SBS射束210和三阶SBS射束230也从光学环形谐振器50输出，并被引导至光学时钟探测器121，其基于共同传播的一阶SBS射束210和三阶SBS射束230生成参考频率信号。
在框718中，一阶SBS射束210和二阶SBS射束220之间的拍信号被生成。一阶SBS射束210和二阶SBS射束220在耦合器323上被组合，以及该组合信号入射到拍探测器131上。一阶SBS射束210和二阶SBS射束220在等于布里渊斯托克斯频率vsbs的拍频上彼此拍振。在框720中，基于一阶SBS射束210和二阶SBS射束220之间的拍信号来确定光学环形谐振器50的旋转速率。
以此方式，一紧凑、结实的环形激光陀螺仪被形成在基底上，且能够在没有易碎移动件的情况下测量旋转速率。本文描述的环形激光陀螺仪可单片集成，并适于热极限环境，同时适于高冲击、高振动应用。
示例性实施例
示例1包括一环形激光陀螺仪，其包括：配置为在第一方向和第二方向上传播光束的光学环形谐振器，第二方向与第一方向相反，该光学环形谐振器包括将光束耦合进和耦合出光学环形谐振器的至少一个光学耦合区；和在泵浦频率处提供泵浦射束的光源，该泵浦射束在第一方向上被光学地耦合至光学环形谐振器；其中泵浦射束在从泵浦频率下移布里渊斯托克斯频率的第一斯托克斯波频率处激励第一光学增益曲线，其中光学环形谐振器具有位于第一光学增益曲线带宽中的谐振模式，其中谐振器往返损耗小于第一光学增益，使得一阶受激布里渊散射(SBS)射束在第二方向上传播，其中一阶SBS射束在从泵浦频率下移两倍布里渊斯托克斯频率的第二斯托克斯波频率处激励第二光学增益曲线，其中光学环形谐振器具有位于第二光学增益曲线带宽中的谐振模式，其中谐振器往返损耗小于第二光学增益，使得二阶SBS射束在第一方向上传播；以及该环形激光陀螺仪还包括：配置为产生根据一阶SBS射束和二阶SBS射束间频率差而改变的光学拍信号的拍探测器；和基于两个共同传播的射束生成参考频率信号的光学时钟探测器。
示例2包括示例1的环形激光陀螺仪，其中光学时钟探测器被配置为基于泵浦频率和第二斯托克斯波频率之间的拍信号来生成参考频率信号，第二斯托克斯波频率从泵浦频率下移两倍的布里渊斯托克斯频率。
示例3包括示例1-2中任一的环形激光陀螺仪，其中光学时钟探测器被配置为基于一阶SBS频率和三阶受激布里渊散射(SBS)射束的第三斯托克斯波频率之间的拍信号来生成参考频率信号，第三斯托克斯波频率从第一斯托克斯波频率下移两倍的布里渊斯托克斯频率。
示例4包括示例1-3中任一的环形激光陀螺仪，其中光学环形谐振器为刚性光学波导谐振器。
示例5包括示例1-4中任一的环形激光陀螺仪，其中光学环形谐振器为具有N-1个单层交叉的N-圈波导回路，其中N为大于示例1-4的任一的正整数。
示例6包括示例1-5中任一的环形激光陀螺仪，进一步包括：被配置为在共同传播的泵浦射束和二阶SBS射束从光学环形谐振器输出后抑制泵浦射束的泵浦抑制滤波器。
示例7包括示例6的环形激光陀螺仪，其中泵浦抑制滤波器为滤波环形谐振器，该滤波环形谐振器被进一步配置为将二阶SBS射束耦合成与一阶SBS射束共同传播，以入射到拍探测器上。
示例8包括示例1-7中任一的环形激光陀螺仪，进一步包括：在其上形成光学环形谐振器且在其上放置提供泵浦射束的光源的基底。
示例9包括示例1-8中任一的环形激光陀螺仪，进一步包括：在其上形成光学环形谐振器且在其上放置提供泵浦射束的光源的基底；并且，电子设备被放置在基底上并被配置为处理从光学环形谐振器输出的光束以测量旋转。
示例10包括一环形激光陀螺仪，包括：形成在基底上并配置为在第一方向和第二方向上传播光束的光学环形谐振器，第二方向与第一方向相反，该光学环形谐振器具有将光束耦合进入和耦合出光学环形谐振器的至少一个光学耦合区；和放置在基底上的光源，该光源配置为将泵浦频率处的泵浦射束光学地耦合至光学环形谐振器中以在第一方向上传播，其中泵浦射束在从泵浦频率下移布里渊斯托克斯频率的第一斯托克斯波频率处激励第一光学增益曲线，其中光学环形谐振器具有位于第一光学增益曲线带宽中的谐振模式，其中谐振器往返损耗小于第一光学增益，使得一阶受激布里渊散射(SBS)射束在第二方向上传播，其中一阶SBS射束在从泵浦频率下移两倍布里渊斯托克斯频率的第二斯托克斯波频率处激励第二光学增益曲线，其中光学环形谐振器具有位于第二光学增益曲线带宽中的谐振模式，其中谐振器往返损耗小于第二光学增益，使得二阶SBS射束在第一方向上传播；以及该环形激光陀螺仪还包括：放置在基底上并配置为产生根据一阶SBS射束和二阶SBS射束间频率差而改变的光学拍信号的拍探测器；和放置在基底上的光学时钟探测器，该光学时钟探测器配置为基于两个共同传播的射束生成参考频率信号；以及在第一方向上传播的泵浦射束和二阶SBS射束从光学环形谐振器输出后从二阶SBS射束中抑制泵浦射束的泵浦抑制滤波器。
示例11包括示例10的环形激光陀螺仪，其中光学时钟探测器被配置为基于泵浦频率和第二斯托克斯波频率之间的拍信号来生成参考频率信号，第二斯托克斯波频率从泵浦频率下移两倍的布里渊斯托克斯频率。
示例12包括示例10-11中任一的环形激光陀螺仪，其中光学时钟探测器被配置为基于一阶SBS频率和三阶受激布里渊散射(SBS)射束的第三斯托克斯波频率之间的拍信号来生成参考频率信号，第三斯托克斯波频率从第一斯托克斯波频率下移两倍的布里渊斯托克斯频率。
示例13包括示例10-12中任一的环形激光陀螺仪，其中光学环形谐振器为具有N-1个单层交叉的N-圈波导回路，其中N为大于示例1-12的任一的正整数。
示例14包括示例10-13中任一的环形激光陀螺仪，其中泵浦抑制滤波器为滤波环形谐振器，其被形成在基底上并被进一步配置为将二阶SBS射束耦合成与一阶SBS射束共同传播，以入射到拍探测器上。
示例15包括示例14的环形激光陀螺仪，其中光学环形谐振器为刚性波导谐振器，以及滤波环形谐振器为刚性光学波导谐振器。
示例16包括示例10-15中任一的环形激光陀螺仪，其中光学环形谐振器为刚性波导谐振器。
示例17包括一测量旋转速率的方法，该方法包括：在第一方向上将光学泵浦射束传播通过光学环形谐振器；由光学泵浦射束激励在从泵浦频率下移布里渊斯托克斯频率的第一频率处的一阶受激布里渊散射(SBS)射束；在与第一方向相反的第二方向上使一阶SBS射束传播通过光学环形谐振器，由一阶SBS射束激励在从泵浦频率下移两倍布里渊斯托克斯频率的第二频率处的二阶SBS射束；以及在第一方向上传播二阶SBS射束；从光学环形谐振器输出二阶SBS射束和泵浦射束；从光学环形谐振器输出一阶SBS射束；在拍探测器处生成一阶SBS射束和二阶SBS射束之间的拍信号；以及基于该拍信号确定旋转速率。
示例18包括示例17的方法，进一步包括：基于入射在光学时钟探测器上的两个共同传播的射束来生成参考频率信号。
示例19包括示例17-18中任一的方法，进一步包括：通过泵浦抑制滤波器将二阶SBS射束和泵浦射束分离。
示例20包括示例17-19中任一的方法，进一步包括：从泵浦抑制滤波器将二阶SBS射束耦合成与一阶SBS射束共同传播；并将共同传播的一阶SBS射束和二阶SBS射束引导为入射到拍探测器上。
虽然本文已经图示并描述了具体实施例，但本领域普通技术人员将理解，可以实现相同目的任何布置可替换所示出的具体实施例。因此，显然打算本发明仅被权利要求及其等同物限制。

Claims (3)

1.一种环形激光陀螺仪(10、11、12和13)，包括：
配置为在第一方向和第二方向上传播光束的光学环形谐振器(50)，第二方向与第一方向相反，该光学环形谐振器(50)包括将光束耦合进和耦合出光学环形谐振器(50)的至少一个光学耦合区(320/420)；以及
在泵浦频率(vP)处提供泵浦射束(200)的光源(100)，该泵浦射束在第一方向上被光学地耦合至光学环形谐振器(50)；
其中泵浦射束在从泵浦频率下移布里渊斯托克斯频率(vsbs)的第一斯托克斯波频率(vSBS1)处激励第一光学增益曲线(311)，
其中光学环形谐振器(50)具有位于第一光学增益曲线(311)的带宽(315)中的谐振模式(301)，
其中谐振器往返损耗小于第一光学增益，使得一阶受激布里渊散射(SBS)射束(210)在第二方向上传播，
其中一阶SBS射束(210)在从泵浦频率下移两倍布里渊斯托克斯频率(2vsbs)的第二斯托克斯波频率(vSBS2)处激励第二光学增益曲线(312)，
其中光学环形谐振器(50)具有位于第二光学增益曲线(312)的带宽(316)中的谐振模式(302)，
其中谐振器往返损耗小于第二光学增益，使得二阶SBS射束(220)在第一方向上传播；以及
该环形激光陀螺仪还包括：
拍探测器(131)，其配置为产生根据一阶SBS射束和二阶SBS射束间的频率差而改变的光学拍信号；以及
基于两个共同传播的射束(200和220)生成参考频率信号的光学时钟探测器(121)，其中光学时钟探测器(121)被配置为基于以下之一来生成参考频率信号：
泵浦频率(vP)和第二斯托克斯波频率(vSBS2)之间的拍信号，第二斯托克斯波频率从泵浦频率(vP)下移两倍布里渊斯托克斯频率(2vsbs)；或
一阶SBS频率(vSBS1)和三阶受激布里渊散射(SBS)射束(230)的第三斯托克斯波频率(vSBS3)之间的拍信号，第三斯托克斯波频率从第一斯托克斯波频率(vSBS1)下移两倍布里渊斯托克斯频率(2vsbs)。
2.权利要求1的环形激光陀螺仪(10、11、12和13)，其中光学环形谐振器(50)为具有N-1个单层交叉的N-圈波导回路(51)，其中N为大于1的正整数。
3.一种用于测量旋转的方法，该方法包括：
在第一方向上使光学泵浦射束(200)传播通过光学环形谐振器(50)；
由光学泵浦射束激励在从泵浦频率(vP)下移布里渊斯托克斯频率(vsbs)的第一频率(vSBS1)处的一阶受激布里渊散射(SBS)射束(210)；
在与第一方向相反的第二方向上使一阶SBS射束传播通过光学环形谐振器(50)，
由一阶SBS射束(210)激励在从泵浦频率(vP)下移两倍布里渊斯托克斯频率(2vsbs)的第二频率(vSBS2)处的二阶SBS射束(220)；以及
在第一方向上传播二阶SBS射束；
从光学环形谐振器(50)输出二阶SBS射束和泵浦射束；
从光学环形谐振器(50)输出一阶SBS射束；
在拍探测器(131)处生成一阶SBS射束和二阶SBS射束之间的拍信号；以及
基于该拍信号确定旋转速率；以及
基于入射在光学时钟探测器(121)上的两个共同传播的射束来生成参考频率信号。
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