CN110651167B - 具有噪声消除的集成光学陀螺仪 - Google Patents

具有噪声消除的集成光学陀螺仪 Download PDF

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Abstract

光学陀螺仪部分地包括光学开关、一对光学环和一对光电探测器。光学开关提供激光束。第一光学环在周期的第一半部分期间沿顺时针方向传送光束的第一部分，并且在周期的第二半部分期间沿逆时针方向传送光束的第一部分。第二光学环在周期的第一半部分期间沿逆时针方向传送光束的第二部分，并且在周期的第二半部分期间沿顺时针方向传送光束的第二部分。第一光电探测器在周期的第一半部分期间接收由第一光学环和第二光学环传送的光束。第二光电探测器在周期的第二半部分期间接收由第一光学环和第二光学环传送的光束。

Description

具有噪声消除的集成光学陀螺仪
相关申请的交叉引用
本申请根据35 USC 119(e)要求于2017年5月30日递交的序列号为62/512,619的申请的权益，其内容通过引用以其整体并入本文。
发明领域
本发明涉及陀螺仪，并且更具体地涉及光学陀螺仪。
发明背景
陀螺仪被用于各种设备，如智能手机、汽车、飞机和用于导航的类似设备。众所周知，陀螺仪的精度与其尺寸之间存在权衡。例如，具有相对高精度的环形激光陀螺仪或光纤陀螺仪既昂贵又笨重。基于微机电系统(MEMS)的陀螺仪相对较小，但缺乏精度。
传统台式基于激光的陀螺仪需要高精度对准、洁净的介质和高质量激光源来探测(由于萨格奈克效应(Sagnac effect)的)小相移并使噪声最小化。
发明简述
根据本发明的一个实施例，光学陀螺仪部分地包括：光学开关，该光学开关适于在周期的第一半部分期间将激光束传送到第一路径，并在该周期的第二半部分期间将激光束传送到第二路径；第一光学环(optical ring)，该第一光学环被配置成在周期的第一半部分期间以顺时针方向传送从第一路径接收的光束的第一部分，并且还被配置成在该周期的第二半部分期间以逆时针方向传送从第二路径接收的光束的第一部分；第二光学环，该第二光学环被配置成在该周期的第一半部分期间以逆时针方向传送从第一路径接收的光束的第二部分，并且还被配置成在该周期的第二半部分期间以顺时针方向传送从第二路径接收的光束的第二部分；第一光电探测器，该第一光电探测器适于在该周期的第一半部分期间接收由第一光学环和第二光学环传送的光束；以及第二光电探测器，该第二光电探测器适于在该周期的第二半部分期间接收由第一光学环和第二光学环传送的光束。
根据本发明的一个实施例，光学陀螺仪还部分地包括：第一跨阻放大器，该第一跨阻放大器适于以第一放大值放大第一光电探测器的输出信号；以及第二跨阻放大器，该第二跨阻放大器适于以第二放大值放大第二光电探测器的输出信号。根据本发明的一个实施例，光学陀螺仪还部分地包括第一相位调制器，该第一相位调制器适于将由第一光学环接收或传送的光束延迟第一预定义相位值。在一个实施例中，第一预定义相位值是90°相位值。
在一些实施例中，光学陀螺仪还部分地包括信号组合器，该信号组合器适于生成表示第一跨阻放大器和第二跨阻放大器的组合输出的第一信号。在一些实施例中，光学陀螺仪还部分地包括带通滤波器，该带通滤波器适于将第一信号滤波。在一些实施例中，光学陀螺仪还部分地包括混频器，该混频器适于将经滤波的第一信号的频率下变频以生成基带信号。在一些实施例中，光学陀螺仪还部分地包括控制器，该控制器适于将基带信号转换成数字信号，并响应于该数字信号而生成表示光学陀螺仪绕轴的旋转度数(degree ofrotation)的信号。
在一个实施例中，第一光学环和第二光学环是环形谐振器。在一个实施例中，第一环形谐振器和第二环形谐振器中的每一个还部分地包括适于调谐谐振器的一个或更多个加热元件。在一个实施例中，加热元件是与第一环形谐振器和第二环形谐振器集成的电阻加热元件。在一个实施例中，信号组合器适于将第一跨阻放大器和第二跨阻放大器的输出信号相加。在一个实施例中，光学开关包括马赫曾德尔干涉仪。
在一个实施例中，光学陀螺仪还部分地包括第二相位调制器，该第二相位调制器适于将由第二光学环接收或传送的信号延迟第二预定义相位值。在一个实施例中，第二相位值是90°相位值。
根据本发明的一个实施例，一种确定围绕轴的取向度(degree of orientation)的方法部分地包括：在周期的第一半部分期间将激光束传送到第一路径，并在周期的第二半部分期间将激光束传送到第二路径；在周期的第一半部分期间将从第一路径接收的光束的第一部分以顺时针方向传送到第一光学环；在该周期的第二半部分期间，将从第二路径接收的光束的第一部分以逆时针方向传送到第一光学环；在该周期的第一半部分期间，将从第一路径接收的光束的第二部分以逆时针方向传送到第二光学环；在该周期的第二半部分期间，将从第二路径接收的光束的第二部分以顺时针方向传送到第二光学环；在该周期的第一半部分期间探测由第一光学环和第二光学环传送的光束以生成第一信号，并且在该周期的第二半部分期间探测由第一光学环和第二光学环传送的光束以生成第二信号。
根据本发明的一个实施例，该方法还部分地包括以第一放大值将第一信号放大以产生第一放大信号，并以第二放大值将第二信号放大以产生第二放大信号。根据本发明的一个实施例，该方法还部分地包括将由第一光学环接收或传送的光束延迟第一预定义相位值。在一个实施例中，第一预定义相位值是90°相位值。
在一个实施例中，该方法还部分地包括将第一放大信号和第二放大信号组合，以产生组合信号。在一个实施例中，该方法还部分地包括将组合信号滤波以生成经滤波的信号。在一个实施例中，该方法还部分地包括将经滤波的信号的频率下变频以生成基带信号。在一个实施例中，该方法还部分地包括将基带信号转换成数字信号，并响应于该数字信号而生成表示光学陀螺仪绕轴的旋转度数的值。
在一个实施例中，第一光学环和第二光学环是环形谐振器。在一个实施例中，该方法还部分地包括通过施加热量来调谐第一环形谐振器和第二环形谐振器。在一个实施例中，第一放大信号和第二放大信号的组合包括将第一放大信号和第二放大信号相加成另一信号。在一个实施例中，该方法还部分地包括将由第二光学环接收或传送的光束延迟第二预定义相位值。在一个实施例中，第二预定义相位值是90°相位值。
根据本发明的一个实施例，光学陀螺仪部分地包括：第一光路和第二光路，该第一光路和第二光路是在半导体衬底中利用光波导形成的；相干激光源，该相干激光源生成在第一光路中沿一个方向传播和在第二光路中沿与第一方向相反的第二方向传播的两个光学信号；以及光电探测器，该光电探测器适于接收由第一光路和第二光路传送的光束。
在一个实施例中，光波导中的至少一个是光学环。在一个实施例中，光学环是环形谐振器。在一个实施例中，光学陀螺仪还部分地包括放大器，该放大器适于将光电探测器的输出放大。在一个实施例中，光电探测器适于在每个周期的第一半部分期间接收由第一光路和第二光路传送的光束。在一个实施例中，光学陀螺仪还部分地包括第二光电探测器，该第二光电探测器适于在每个周期的第二半部分期间接收由第一光路和第二光路传送的光束。
在一个实施例中，光学陀螺仪还部分地包括组合器，该组合器适于在每个周期的每个第一半部分期间将第一光电探测器的输出与第一信号组合，并且在每个周期的每个第二半部分期间将第二光电探测器的输出与第一信号组合。
在一个实施例中，光学陀螺仪还部分地包括开关，该开关被配置成在第一光电探测器和第二光电探测器的输出之间切换。在一个实施例中，光学陀螺仪还部分地包括适于加热环形谐振器的加热器。在一个实施例中，光学陀螺仪还部分地包括相位调制器，该相位调制器适于调制传送到环形谐振器或从环形谐振器接收的光束的相位。
附图简述
图1A示出了现有技术中已知的处于静止状态并被设置在陀螺仪中的光学环。
图1B示出了现有技术中所示的沿z轴并以逆时针方向旋转后的图1的光学环。
图2是根据本发明的一个实施例的光学陀螺仪的组件的简化高级框图，该光学陀螺仪适于探测沿着轴的旋转量或转动量。
图3是根据本发明的一个实施例的光学陀螺仪的组件的简化高级框图，该光学陀螺仪适于探测沿着轴的转动量。
图4是根据本发明的一个实施例的适于将在图2或图3中所示的光学陀螺仪的光电探测器的输出组合的电路的简化示意性框图。
图5是示出了作为每分钟转数的函数的以dB为单位的增益比的计算机模拟。
图6是根据本发明的一个实施例的集成光学陀螺仪的高级框图。
图7示出了关于彼此邻近制造的两个不同光学环的作为激光束的波长的函数的测量的输出功率(以dB为单位)的曲线。
图8示出了关于同一光学环的作为波长的函数的测量的输出功率(以dB为单位)的曲线。
图9A是根据本发明的一个实施例的光学陀螺仪的组件的简化高级框图，该光学陀螺仪适于探测沿着轴的旋转量或转动量。
图9B是根据本发明的一个实施例的光学陀螺仪的组件的简化高级框图，该光学陀螺仪适于探测沿着轴的旋转量或转动量。
图9C是根据本发明的一个实施例的光学陀螺仪的组件的简化高级框图，该光学陀螺仪适于探测沿着轴的旋转量或转动量。
图10是根据本发明的一个实施例的光学陀螺仪的组件的简化高级框图，该光学陀螺仪适于探测沿着轴的旋转量或转动量。
图11是根据本发明的一个实施例的光学陀螺仪的组件的简化高级框图，该光学陀螺仪适于探测沿着轴的旋转量或转动量。
图12是根据本发明的一个实施例的用在图2和图3的光学陀螺仪中的光学开关的简化高级框图。
图13是根据本发明的一个实施例的光学陀螺仪的组件的简化高级框图，该光学陀螺仪适于探测沿着轴的旋转量或转动量。
图14是根据本发明的一个实施例的光学陀螺仪的组件的简化高级框图，该光学陀螺仪适于探测沿着轴的旋转量或转动量。
发明详述
根据本发明的实施例，集成光学陀螺仪具有高精度、增强的抗噪声能力，并且制造相对便宜。
图1A示出了光学环10，该光学环被假设为陀螺仪的一部分，并且适于能够绕(垂直于页面平面的)z轴转动。假设两个激光束15和20同时在入口点12进入环。进一步假设使光束15沿顺时针方向(CW)传播，使光束20沿逆时针方向(CCW)传播。如图1A所示，如果施加到陀螺仪上的力不会导致环10绕z轴旋转(因此保持环10处于静止状态)，则入口点12的位置P1不会改变，因此光束15和20同时到达入口点12。
如图1B所示，假设由于施加的力，导致光学环10绕z轴并以CW方向旋转，从而导致入口点12的位置从P1改变到P2。这使得光束15比光束20传播了更长的距离到达位置P2。光束15相对于光束20传播的额外距离导致由以下表达式定义的时间差Δt：
在等式(1)中，R,ω和A分别表示光学环10的半径、角速度和面积，并且c表示光速。通过测量时间差Δt，确定角速度ω，从而确定围绕z轴的取向度。虽然未示出，但是应当理解，陀螺仪具有三个这样的环，每个环适于绕x轴、y轴和z轴之一旋转。
传统的光学陀螺仪经受许多噪声源，诸如例如，(i)波导或光纤内部的热噪声(热波动)，从而导致相移，(ii)制造不匹配，(iii)激光相位噪声；和(iv)波导或光纤内部的模式转换(mode conversion)。根据本发明的实施例的光学陀螺仪使上述噪声源最小化。
图2是根据本发明的一个实施例的光学陀螺仪100的组件的简化高级框图，该光学陀螺仪100适于探测例如围绕(垂直于页面平面的)z轴的旋转量或转动量。虽然未示出，但是应当理解，光学陀螺仪100也包括适于探测绕x轴和y轴的旋转量的类似组件。
光学环100的例如z轴的组件被示为包括光学开关125、第一光路102和第二光路112、第一光学环110和第二光学环120以及第一、第二、第三、第四、第五和第六定向耦合器104、106、108、114、116、118以及第一光电探测器130和第二光电探测器140。
由激光源105提供的激光束被传送到光学开关125，该光学开关125具有开关频率f0，该频率由周期定义1/T。在每个这样的周期T的第一半部分期间，光学开关125的开关195被置于位置190，以便将激光束传送到第一光路102，其随后被光电探测器140探测到。在每个这样的周期的第二半部分期间，光学开关125被置于位置192，以便将激光束传送到第二光路112，其随后被光电探测器130探测到。
在路径102中(在每个周期T的第一半部分期间接收)的激光束由定向耦合器106、108传送到光学环110，并由定向耦合器106、104传送到光学环120。如此传送到光学环110的光束以逆时针方向传播，并经由定向耦合器118和116在光电探测器140处被接收。以类似的方式，光学环120中的光束以顺时针方向传播，并经由定向耦合器114和116在光电探测器140处被接收。
在路径112中(在每个周期T的第二半部分期间接收)的激光束由定向耦合器116、118传送到光学环110，并由定向耦合器116、114传送到光学环120。如此传送到光学环110的光束以逆时针方向传播，并经由定向耦合器108和106在光电探测器130处被接收。以类似的方式，光学环120中的光束以逆时针方向传播，并经由定向耦合器104和106在光电探测器130处被接收。
根据本发明的一个方面，当相干激光束的方向在路径102和112之间切换时，由光电探测器130和140生成的两个输出信号的共模捕捉制造不匹配、热噪声和其它失配源的影响。另一方面，由光电探测器130和140生成的两个输出信号的差模包含关于期望信号的信息，该期望信号是由于陀螺仪的转动引起的相移。换句话说，当光学开关125的开关频率被选择为相对高时，例如由热波动引起的相移(其在kHz范围内)以及其他非理想因素造成的噪声贡献(noise contribution)被抵消。此外，由于根据本发明的一个方面的光学陀螺仪的每个转动轴包括一对环，每个环使得光束仅能够在一个方向上传播，所以本发明的实施例抑制了由传统陀螺仪中常见的波导(或光纤)的非理想特性导致的光束的背向反射(backreflection)。
图3是根据本发明的一个实施例的光学陀螺仪200的组件的简化高级框图，该光学陀螺仪200适于探测例如围绕(垂直于页面平面的)z轴的旋转量或转动量。虽然未示出，但是应当理解，光学陀螺仪200也包括适于探测绕x轴和y轴的旋转量的类似组件。
光学陀螺仪200类似于光学陀螺仪100，除了光学陀螺仪200包括相位调制器170以及第一和第二分束器/光束组合器(Y型接头)160、170之外。例如，相位调制器170适于将90°相移引入传送到光学环110或从光学环110接收的光学信号中。
由激光源105提供的激光束被传送到光学开关125，该光学开关125具有开关频率f0，该频率由周期定义1/T。在每个这样的周期T的第一半部分期间，光学开关125的开关195被置于位置190，以便将激光束传送到第一光路102，其随后被光电探测器140接收并探测到。在每个这样的周期的第二半部分期间，光学开关125被置于位置192，以便将激光束传送到第二光路112，其随后被光电探测器130接收并探测到。
通过光耦合器116从路径112提供给路径142的光束在Y型接头160处被分成两个分量。如此分离的光束的第一分量在经由光耦合器118进入光学环110之前穿过相位调制器170。在路径142上传播的光束的第二分量经由光耦合器114被传送到光学环120。在环110中传播的光束经由光耦合器108被传送到路径156。类似地，在环120中传播的光束经由光耦合器104被传送到路径158。路径156和158中的光束由Y型接头170组合，并由光电二极管130经由耦合器106从路径152接收。
类似地，通过光耦合器106从路径102提供给路径152的光束在Y型接头170处被分成两个分量。如此分离的光束的第一分量经由光耦合器108进入光学环110。在路径152中传播的光束的第二分量经由光耦合器104被传送到光学环120。在环110中传播的光束在到达Y型接头160之前经由耦合器118被传送到路径180，并且穿过相位调制器170。在环120中传播的光束在到达Y型接头160之前经由耦合器114被传送到路径148。路径146和148中的光束由Y型接头160组合，并由光电二极管140经由耦合器116从路径142接收。
参考图3，假设光学环110和120是调谐的环形谐振器。在每个周期的第一半部分期间，当光学开关125的开关195置于位置190以将光束传送到光路102时，由光电探测器140探测到的功率Pout2可以被定义为：
在等式(2)中，Pout2表示由光电探测器140探测到的光功率的量，Pin是由激光源105提供的功率，K1表示由开关125传送到路径102的激光功率的分数(其理想地等于1)，α1表示光耦合器106的耦合系数(其理想地等于0.5)，α2表示光耦合器116的耦合系数，X1和X11分别表示环形谐振器110和120的衰减系数，E′i表示在该半个周期期间光束在环110中以顺时针方向传播时环110中的电场，Ei表示与由于非理想特性而在环110中沿逆时针方向传播的光束的一部分相关联的环110中的电场，E′ii表示在该半个周期期间光束在环120中沿逆时针方向传播时环120中的电场，Eii表示与由于非理想特性而在环120中以顺时针方向传播的光束的一部分相关联的环120中电场，表示光束在该半个周期期间离开环110时的相位，表示光束在该半个周期期间存在于环120时的相位，/>表示由环中的热波动引起的相移，S1和S2分别表示由于谐振引起的环110和120的放大因数，δf表示激光束的相位噪声，Q表示环110、120的组合放大因数，以及/>表示由萨格奈克效应引起的相移，陀螺仪200适于探测该相移。
根据以上定义，可以看出：
在每个周期的第一半部分期间，由光电探测器130探测到的功率Pout1(由于非理想特性)可以定义为：
在每个周期的第二半部分期间，当光学开关125的开关195置于位置192以将光束传送到光路112时，由光电探测器140探测到的功率Pout2可以定义为：
在等式(4)中，K2表示由开关125传送到路径102的激光功率的分数(其理想地等于1)。在每个周期的第二半部分期间，由光电探测器130探测到的功率Pout1可以定义为：
假设理想条件，在这种情况下，K1和K2都等于1，在第一周期期间Pout1为零，在第二周期期间Pout2为零。因此，在这样的条件下，第一周期的信号Pout1和第二周期的信号Pout2不会对在第一周期和第二周期的总和期间由光电探测器130和140接收的组合信号有所贡献。假设理想条件，例如当α1＝α2、K1＝K2、X1＝X11等等，第一周期期间的信号Pout2和第二周期期间的信号Pout1之间的唯一差异是项的符号。因此，在这样的理想条件下，第一周期的信号Pout2和第二周期的信号Pout1之和与项/>成比例，该项是要被探测的感兴趣信号。
根据本发明的一个方面，考虑到探测信号时的非理想特性，光电探测器130和140中的每一个的输出信号在两个输出信号组合之前被以跨阻放大器的增益放大。图4示出了光电二极管130和140(见图3)的简化示意性框图，光电二极管130和140的输出分别被跨阻放大器135和145放大，假设跨阻放大器135和145分别具有Av1和Av2的增益。如上所述，跨阻放大器135和145的输出被组合器155接收并组合，以生成表示沿着例如z轴的旋转度数的信号Out。在一个实施例中，组合器155在每个周期的第一半周期期间将表示旋转度数的信号/>与基础信号相加，并在每个周期的第二半周期期间从基础信号中减去信号
因此，在每个周期的第一半部分期间，信号Out可以定义为：
同样，在每个周期的第二半部分期间，信号Out可以定义为：
在简化的等式(6)和(7)中，参数γ1、k1γ2、k2、γ′1、k′1、γ′2k′2被理解为表示等式(2)、(3)、(4)和(5)中所示的相应参数的组合效果。在每个半周期期间，如果以下表达式成立，则信号Out可以直接取决于参数
在推导等式(8)时，假设γ′2＞γ2和γ1＞γ′1指示当开关195被置于位置190时，50％以上的激光束功率被传送到路径102，并且当开关195被置于位置192时，50％以上的激光束功率被传送到路径112。
图5是示出了作为沿着X轴的每分钟转数(RPM)的函数的沿着Y轴的增益(以dB为单位)的计算机模拟。从图6可以看出，为了更精确地确定/>随着陀螺仪的RPM下降，选择/>的精度应该越高。
图6是根据本发明的另一个实施例的集成光学陀螺仪系统400的高级框图。陀螺仪系统400适于探测沿x、y和z方向的旋转度数，并且被示为部分地包括集成光子芯片300。集成光子芯片300可以包括分别在图2和图3中所示的陀螺仪200或300。由例如在图2和图3中所示的光电探测器130和140生成的输出电流信号P1和P2分别被跨阻放大器135和145放大。跨阻放大器135的输出电压在通过旁路电容器302后被电压放大器304进一步放大，旁路电容器302适于阻挡信号的DC分量。类似地，跨阻放大器145的输出电压在通过旁路电容器312后被电压放大器314进一步放大。
可变电阻器308、318与放大器324和反馈电阻器322一起适于设置(从电阻器308接收的)电压V1和(从电阻器318接收的)V2的相对增益，并将电压相加在一起。例如，如果反馈电阻器322被选择为具有20KΩ的电阻，并且电阻器308和318被选择为分别具有1KΩ和2KΩ的电阻，则放大器324将生成由20V1+10V2定义的输出电压。电阻器308、318、旁路电容器320、放大器324和电阻器322共同示出了在图4中所示的组合器155的一个示例性实施例。带通滤波器328适于滤除其频率落在选定范围内的信号分量。电阻器326适于将放大器324的输出阻抗与带通滤波器328的输入阻抗相匹配。
带通滤波器328的输出信号被放大器330进一步放大，并且其频率响应于本地振荡器(LO)信号329被混频器332下变频为基带信号。混频器322的输出被低通滤波器334滤波。微控制器350——被示为包括模数转换器336和数字信号处理器340——将低通滤波器334的输出转换成表示陀螺仪围绕三个轴中的任何一个轴的旋转度数的读出值Sout。
图7示出了关于靠近彼此制造的两个不同光学环的作为激光束的波长的函数的测量的输出功率(以dB为单位)的曲线710和720。从图7可以看出，对于两个光学环，输出功率的峰值出现在不同的波长或频率处，这表明两个光学环的特性之间不匹配，即使它们彼此靠近形成。
图8示出了关于同一光学环的作为波长的函数的测量的输出功率(单位为dB)的曲线810和820。曲线810示出了当光束能够从其第二端口(例如，输入端口)进入环时在环的第一端口(例如，输出端口)处的测量结果。曲线820示出了当光束能够从其第一端口(例如，输出端口)进入环时在环的第二第一端口(例如，输入端口)处的测量结果。从图8中可以看出，曲线810和820的峰值出现在基本相同的频率处，因此表明对于同一环，散射参数S12和S21基本相等，从而验证了上面做出的许多假设。换句话说，根据本发明的实施例，集成光学陀螺仪受益于以上示出的结构的互易性(reciprocity)，以克服模式转换。根据本发明的实施例，集成光学陀螺仪进一步受益于热相位噪声(相移)、环失配和激光相位噪声与方向无关的事实并且抵消了这种影响。
在一些实施例中，光学环110和120可以是如上所述被调谐的环形谐振器。为了调谐环形谐振器，本发明的一些实施例包括适于加热环的加热器。在一些实施例中，加热器是电阻加热器，其可以沿着环的内部区域和/或外部区域的部分布置。
图9A是根据本发明的一个实施例的光学陀螺仪500的组件的简化高级框图，该光学陀螺仪适于探测沿着例如z轴的转动度数。光学陀螺仪500类似于图2的光学陀螺仪100，除了光学陀螺仪500包括电阻加热元件510外，该电阻加热元件510位于环110和120的周界部分附近并在内部区域内。
图9B是根据本发明的一个实施例的光学陀螺仪525的组件的简化高级框图，该光学陀螺仪适于探测沿着例如z轴的转动度数。光学陀螺仪500类似于图2的光学陀螺仪100，除了光学陀螺仪500包括电阻加热元件510外，该电阻加热元件510位于环110和120的周界部分附近并在外部区域内。
图9C是根据本发明的一个实施例的光学陀螺仪550的组件的简化高级框图，该光学陀螺仪适于探测沿着例如z轴的转动度数。光学陀螺仪550类似于图2的光学陀螺仪100，除了光学陀螺仪550包括电阻加热器510外，电阻加热器510部分地重叠在环110和120的位于环上方或下方的部分。在另外其他未示出的实施例中，电阻元件可以位于环的内部区域和外部区域内，并且可以与环重叠。
图10是根据本发明的一个实施例的光学陀螺仪600的组件的简化高级框图，该光学陀螺仪适于探测沿着例如z轴的转动度数。光学陀螺仪600类似于图3所示的光学陀螺仪300，除了光学陀螺仪600包括第二相位调制器172之外，该第二相位调制器172适于将例如90°相移引入传送到光学环120或从光学环120接收的光学信号。
图11示出根据本发明的另一个实施例的光学陀螺仪625。光学陀螺仪625类似于光学陀螺仪200，除了光学陀螺仪600包括一个光学环和代替光学环120的波导127之外。
图12是与例如图2和图3中所示的光学开关125相对应的光学开关650的简化高级框图。光学开关600是马赫曾德尔干涉仪，示出为部分地包括第一移相器602和第二移相器604以及50/50定向耦合器608。
图13是根据本发明的一个实施例的光学陀螺仪700的组件连同控制电路750(以类似于组合图3和图6的方式)的简化高级框图，其适于探测围绕例如z轴的转动度数。在图13所示的实施例中，由光电探测器130生成的信号Pout1在每个周期的第一半部分期间被传送到跨阻放大器135，而由光电探测器140生成的信号Pout2在每个周期的第二半部分期间被传送到跨阻放大器145。旁路电容器302将跨阻放大器135的输出传送到可变增益放大器304，并且旁路电容器312将跨阻放大器145的输出传送到可变增益放大器314。电子开关752操作以用于在每个周期的第一半部分/>期间将可变增益放大器304的输出传送给电阻器326，并在每个周期的第二半部分/>期间将可变增益放大器314的输出传送给电阻器326。
带通滤波器328、放大器330、混频器322、低通滤波器33和控制器350以与上面关于图6描述的相同方式工作。信号Sout是控制器350的读出结果，示出了围绕任何轴的旋转度数。电子开关752操作以用于在每个周期的第一半部分期间将由光电探测器130生成的信号Pout1传送到跨阻放大器135，并在每个周期的第二半部分/>期间将由光电探测器140生成的信号Pout2传送到跨阻放大器145。
图14是根据本发明的一个实施例的光学陀螺仪800的组件连同控制电路850的简化高级框图，其适于探测沿着例如z轴的转动度数。在图14所示的实施例中，相位调制器170适于以调制频率f1进一步调制由光学环110接收或传送的信号的相位。例如，除了例如90°的相移之外，相位调制器170使用在f1的调制频率以预定义量调制这个例如90°的相移。由光电探测器130生成的信号Pout1在每个周期的第一半部分期间被传送到跨阻放大器135，而由光电探测器140生成的信号Pout2在每个周期的第二半部分/>期间被传送到跨阻放大器145。除了控制电路850使用工作在频率(f0+2f1)的本地振荡器(LO)信号329生成同相信号I和正交相位信号Q之外，控制电路850的其余元件以与上述关于图6所述的方式相同的方式工作。低通滤波器334和338的输出信号被传送到控制器350，控制器350生成显示绕任何轴的旋转度数的读出信号Sout。
本发明的上述实施例是说明性的而不是限制性的。其他修改和变化对于本领域技术人员来说将是明显的，并且旨在落入所附权利要求的范围内。

Claims (28)

1.一种光学陀螺仪，包括：
光学开关，所述光学开关适于在周期的第一半部分期间将激光束传送到第一路径，并在所述周期的第二半部分期间将所述激光束传送到第二路径；
第一光学环，所述第一光学环被配置成在所述周期的所述第一半部分期间以顺时针方向传送从所述第一路径接收的所述光束的第一部分，并且还被配置成在所述周期的所述第二半部分期间以逆时针方向传送从所述第二路径接收的所述光束的第一部分；
第二光学环，所述第二光学环被配置成在所述周期的所述第一半部分期间以逆时针方向传送从所述第一路径接收的所述光束的第二部分，并且还被配置成在所述周期的所述第二半部分期间以顺时针方向传送从所述第二路径接收的所述光束的第二部分；
第一光电探测器，所述第一光电探测器适于在所述周期的所述第一半部分期间接收传播通过所述第一光学环和所述第二光学环并由所述第一光学环和所述第二光学环传送的光束；和
第二光电探测器，所述第二光电探测器适于在所述周期的所述第二半部分期间接收传播通过所述第一光学环和所述第二光学环并由所述第一光学环和所述第二光学环传送的光束。
2.根据权利要求1所述的光学陀螺仪，还包括：
第一跨阻放大器，所述第一跨阻放大器适于以第一放大值放大所述第一光电探测器的输出信号；和
第二跨阻放大器，所述第二跨阻放大器适于以第二放大值放大所述第二光电探测器的输出信号。
3.根据权利要求2所述的光学陀螺仪，还包括：
第一相位调制器，所述第一相位调制器适于将由所述第一光学环接收或传送的光束延迟第一预定义相位值。
4.根据权利要求3所述的光学陀螺仪，其中，所述第一预定义相位值是90°相位值。
5.根据权利要求3所述的光学陀螺仪，还包括：
信号组合器，所述信号组合器适于生成表示所述第一跨阻放大器和所述第二跨阻放大器的组合输出的第一信号。
6.根据权利要求5所述的光学陀螺仪，还包括：
带通滤波器，所述带通滤波器适于将所述第一信号滤波。
7.根据权利要求6所述的光学陀螺仪，还包括：
混频器，所述混频器适于将经滤波的第一信号的频率下变频以生成基带信号。
8.根据权利要求7所述的光学陀螺仪，还包括：
控制器，所述控制器适于：
将所述基带信号转换成数字信号；和
响应于所述数字信号而生成表示所述光学陀螺仪绕轴的旋转度数的信号。
9.根据权利要求1所述的光学陀螺仪，其中，所述第一光学环和所述第二光学环是环形谐振器。
10.根据权利要求9所述的光学陀螺仪，其中，所述第一环形谐振器和所述第二环形谐振器中的每一个谐振器都包括适于调谐所述谐振器的一个或更多个加热元件。
11.根据权利要求9所述的光学陀螺仪，其中，所述一个或更多个加热元件是与所述第一环形谐振器和所述第二环形谐振器集成的电阻加热元件。
12.根据权利要求5所述的光学陀螺仪，其中，所述信号组合器适于将所述第一跨阻放大器和所述第二跨阻放大器的输出信号相加。
13.根据权利要求1所述的光学陀螺仪，其中，所述光学开关包括马赫曾德尔干涉仪。
14.根据权利要求3所述的光学陀螺仪，还包括：
第二相位调制器，所述第二相位调制器适于将由所述第二光学环接收或传送的信号延迟第二预定义相位值。
15.根据权利要求14所述的光学陀螺仪，其中，所述第二预定义相位值是90°相位值。
16.一种确定围绕轴的取向度的方法，所述方法包括：
在周期的第一半部分期间将激光束传送到第一路径，并且在所述周期的第二半部分期间将所述激光束传送到第二路径；
在所述周期的所述第一半部分期间，将从所述第一路径接收的所述光束的第一部分以顺时针方向传送到第一光学环；
在所述周期的所述第二半部分期间，将从所述第二路径接收的所述光束的第一部分以逆时针方向传送到所述第一光学环；
在所述周期的所述第一半部分期间，将从所述第一路径接收的所述光束的第二部分以逆时针方向传送到第二光学环；
在所述周期的所述第二半部分期间，将从所述第二路径接收的所述光束的第二部分以顺时针方向传送到所述第二光学环；
在所述周期的所述第一半部分期间，探测传播通过所述第一光学环和所述第二光学环并由所述第一光学环和所述第二光学环传送的光束，以生成第一信号；和
在所述周期的所述第二半部分期间，探测传播通过所述第一光学环和所述第二光学环并由所述第一光学环和所述第二光学环传送的光束，以生成第二信号。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括：
以第一放大值将所述第一信号放大，以生成第一放大信号；和
以第二放大值将所述第二信号放大，以生成第二放大信号。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括：
将由所述第一光学环接收或传送的光束延迟第一预定义相位值。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述第一预定义相位值是90°相位值。
20.根据权利要求18所述的方法，还包括：
将所述第一放大信号和所述第二放大信号组合，以生成组合信号。
21.根据权利要求20所述的方法，还包括：
将所述组合信号滤波以生成经滤波的信号。
22.根据权利要求21所述的方法，还包括：
将所述经滤波的信号的频率下变频以生成基带信号。
23.根据权利要求22所述的方法，还包括：
将所述基带信号转换成数字信号；和
响应于所述数字信号而生成表示光学陀螺仪绕轴的旋转度数的值。
24.根据权利要求16所述的方法，其中，所述第一光学环和所述第二光学环是第一环形谐振器和第二环形谐振器。
25.根据权利要求24所述的方法，还包括：
通过施加热量来调谐所述第一环形谐振器和所述第二环形谐振器。
26.根据权利要求20所述的方法，其中，所述第一放大信号和所述第二放大信号的组合包括将所述第一放大信号和所述第二放大信号相加。
27.根据权利要求18所述的方法，还包括：
将由所述第二光学环接收或传送的光束延迟第二预定义相位值。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，所述第二预定义相位值是90°相位值。
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