JP2007286062A - 外部共振器ビーム発生器を備える光共振器ジャイロ - Google Patents

Abstract

【課題】小型のナビゲーション・グレード用途向けの共振器ジャイロを入手可能なコストで提供する。
【解決手段】光ジャイロの回転速度を決定する方法および装置が提供される。光ジャイロ１０は、少なくとも１つの基板３４、この基板上に装着された多周波光源（ＭＦＬＳ）、およびＭＦＬＳに結合された共振器２５を備える。ＭＦＬＳは、第１の周波数を有する第１の光ビームと、第２の周波数を有し第１の光ビームと位相同期をとられる第２の光ビームとを生成するように構成される。共振器は、中空コアを有する光ファイバコイル２４を備える。共振器は、第１および第２の各光ビームの一部を中空コアに通して周回させるように構成される。第１の光ビームの一部は第１の対向伝搬方向に伝搬し、第２の光ビームの一部は第２の対向伝搬方向に伝搬する。第１と第２の周波数の測定差が、光ジャイロの回転速度に比例する周波数偏移を示す。
【選択図】図２

Description

本発明は、一般にはジャイロシステムに関し、より詳細には、ナビゲーションシステムおよび姿勢制御に使用するための回転センサに関する。

ジャイロは、回転速度、または回転軸を中心とする角速度の変化を測定するために使用されてきた。基本的な従来の光ファイバジャイロ（ＦＯＧ）は、光源、ビーム発生デバイス、および光ファイバのコイルとを備え、このコイルは、ビーム発生デバイスに結合され、ある範囲を取り囲む。このビーム発生デバイスは、コイル中に複数の光ビームを送出し、各光ビームは、光ファイバのコアに沿って時計回り方向（ＣＷ）および反時計回り方向（ＣＣＷ）に伝搬する。多くのＦＯＧはガラスをベースとする光ファイバを利用し、これはファイバの固体ガラスコアに沿って光を伝導する。２つの対向伝搬（すなわちＣＷおよびＣＣＷ）ビームは、回転する閉光路を回って伝搬する間にその各経路長が異なるようになり、これら２つの経路長の差は回転速度に比例する。

共振器光ファイバジャイロ（ＲＦＯＧ）では、対向伝搬光ビームは、望ましくは単色（すなわち単一周波数）であり、多重巻の光ファイバコイル中を周回し、複数回通過の場合は、対向伝搬光ビームは、ファイバカプラなどのデバイスを使用するコイル中を周回し、このデバイスは、コイルを通過した光の向きを変えて再度コイル中に戻す（すなわち光を周回させる）。ビーム発生デバイスは、各対向伝搬光ビームの各周波数を変調し、かつ／または偏移させ、その結果、共振コイルの共振周波数を観測できるようになる。コイルを通るＣＷおよびＣＣＷ経路のそれぞれの共振周波数は、異なる回数コイルを通り抜けたすべての光波がコイル内のどの点でも強め合って干渉するような、強め合う干渉条件に基づく。この強め合う干渉のために、波長λを有する光波は「共振している（on resonance）」と呼ばれ、この場合、共振器往復光路長は波長の整数倍に等しい。コイルが回転すると、時計方向および半時計方向の伝搬に対し異なる光路長が生成され、それによって共振器のそれぞれの共振周波数間に偏移が生じ、回転による閉光路の共振周波数偏移に合致するようにＣＷビーム周波数とＣＣＷビーム周波数の差を調整することにより測定できるような周波数差が、回転速度を示す。

共振コイルの共振周波数を観測できるように、対向伝搬光ビームの各周波数を変調し偏移させるビーム発生デバイス（例えば、レーザ光源）を有する周波数偏移器および位相変調器が使用されてきた。これらの周波数偏移器および位相変調器は、特に共振器ジャイロの小型の応用例または実施例の場合に、経済的に実施することが困難なことがある。代わりに、波長可変レーザが、周波数偏移器および位相変調器を使用せずに、対向伝搬光ビームを導入するため、また共振検出のために使用することができる。しかし、共振検出のために２つ以上の波長可変レーザを使用する場合には、このようなレーザ間の相対周波数ノイズが通常、角度酔歩（ＡＲＷ）を引き起こす最も大きな要因になり、このＡＲＷは、共振器ジャイロによって検出される回転速度の精度を低下させる。

ＲＦＯＧでは、光ファイバのガラス材料が、ＣＷおよびＣＣＷ経路の共振周波数を偏移させる影響をもたらすことがあり、したがって回転の誤表示、あるいは不正確な回転速度の測定を生じさせる。ガラス媒体由来の、回転速度の測定精度を低下させる異常は、非線形カー効果、誘導ブリルアン散乱、偏波誤差、およびレイリー後方散乱誤差により発生されることがある。これらのエラーメカニズムはまた、環境の影響も受けやすく、例えば望ましくない温度感受性を生じさせる。反射鏡を使用して対向伝搬光ビームを複数回コイル内で周回させることができるが、こうすると通常、鏡からコイルへの遷移時に発生する損失により信号対雑音比が低減する。

非線形カー効果は、ＲＦＯＧ内部の高い単色光出力が光ファイバ内のガラスの屈折率を変化させるときに発生する。ＣＷビームとＣＣＷビームの強度の不一致が、観察される周波数偏移に数度／時間の程度の偏りを誘発することがある。誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）は、ファイバ共振器内の高い鮮鋭度に伴う高い強度がガラスファイバ内でレイジング、または誘導放射を引き起こす場合に発生し、これは一般に、共振周波数の測定において不安定性を大きくするよう助長する。偏波により誘起される誤差は、１つの光ファイバから隣接の光ファイバに、または同一のファイバ内で光を第２の偏波モードに偶発的に結合するファイバ結合器により生じることがある。第２の偏波モードは共振して、回転を測定するために使用される偏波モードの共振線形状に非対称性を生じることがある。第２の偏波モードの周波数は、ＣＷビームおよびＣＣＷビームで同じであるものの、その振幅は異なることがあり、それによってＣＷビームおよびＣＣＷビームの共振周波数の観測結果が回転の影響以上に異なることになる。ＣＷビームおよびＣＣＷビームの各共振周波数の共振中心の決定が回転速度測定に直接影響を与えるので、偏波により誘起される誤差がＲＦＯＧの精度を著しく限定することがある。レイリー後方散乱誤差は、共振器ジャイロでのドリフトレートの発生源になることがある。ファイバ内のガラスによる、またはファイバに伴う欠陥による後方散乱光は、周回する光ビームに干渉し、著しいドリフトレート誤差を引き起こし得る。

精度に影響を与えることがある誤りの諸メカニズムに遭遇することに加えて、従来のＲＦＯＧは、特に小型ＲＦＯＧに関して、大量生産の場合にコストがあまりに高くなることがある。従来のＲＦＯＧは、多数の個別構成要素（例えば、光源、ビーム発生器、コイルなど）からなるアセンブリであり、これには各構成要素、およびこのような構成要素の組立てに関連するコストが伴う。小型の応用例の場合、ＲＦＯＧの組立てに関連するコストは、各個別構成要素を小型化し、かつ小型化された個別の光学構成要素を整合させるために増大するコストに伴い、一般に増大する。

したがって、小型のナビゲーション・グレード用途向けの共振器ジャイロを入手可能なコストで提供することが望ましい。加えて、非線形カー効果、誘導ブリルアン散乱、および偏波誤差による誤り、ならびに従来の光ファイバをベースとするファイバ共振器ジャイロに伴う曲げ損失による誤りを最小にする共振器ジャイロを提供することが望ましい。さらに、本発明の他の望ましい特徴および特性は、後の本発明の詳細な説明および添付の特許請求の範囲を、添付の図面およびこの発明の背景と併せ読めば明らかになるであろう。

光ジャイロの回転速度を決定する装置が提供される。例示的な一実施形態では、光ジャイロは、少なくとも１つの基板、その基板に装着される多周波光源（ＭＦＬＳ）、およびＭＦＬＳに結合される共振器を備える。このＭＬＦＳは、第１の周波数を有する第１の光ビーム、および第２の周波数を有する第２の光ビームを生成するように構成される。第１の光ビームは第２の光ビームと位相同期および周波数同期をとられるが、第１と第２の光ビーム間に調整可能な周波数差が与えられる。共振器は、第１および第２の対向伝搬方向を有し、また中空コアをもつ光ファイバを備える。この共振器は、第１および第２の各光ビームの一部が中空コア中を周回するように構成される。第１の光ビームの一部は、第１の対向伝搬方向に伝搬し、第２の光ビームの一部は、第２の対向伝搬方向に伝搬する。第１と第２の周波数の差が、光ジャイロの回転速度に比例する周波数偏移を示す。

別の例示的実施形態では、光ジャイロは、少なくとも１つの基板、その基板に装着される第１および第２の光源、第１および第２の光源に結合される共振器、およびセンサを備え、このセンサは、共振器の第１の対向伝搬方向の第１の共振周波数を検出するように構成され、さらに共振器の第２の対向伝搬方向の第２の共振周波数を検出するように構成される。第１の光源は、第１の周波数を有する第１の入力ビームを生成するように構成され、第２の光源は、第２の周波数を有する第２の入力ビームを生成するように構成される。共振器は、中空コアと、基板に結合された第１および第２の端部とを有する光ファイバコイルを備える。この光ファイバコイルは、第１の入力ビームの一部を第１の対向伝搬方向に向けるように構成され、さらに第２の入力ビームの一部を第２の対向伝搬方向に向けるように構成される。第１の共振周波数の測定は第１の周波数の調整に基づき、第２の共振周波数の測定は第２の周波数の調整に基づく。第１の共振周波数と第２の共振周波数の差が、光ジャイロの回転速度に比例する。

別の例示的実施形態では、光ジャイロは、少なくとも１つの基板と、その基板に装着される第１、第２、および第３のレーザと、基板に装着され第２および第３のレーザを第１のレーザと位相同期をとるように構成された光サブシステムと、共振器とを備える。第１のレーザは、第１の周波数を有する第１の光ビームを生成するように構成され、第２のレーザは、第２の周波数を有する第２の光ビームを生成するように構成され、第３のレーザは、第３の周波数を有する第３の光ビームを生成するように構成される。共振器は、第１および第２の対向伝搬方向を有する。第１の対向伝搬方向は第１の共振周波数を有し、第２の対向伝搬方向は、第２の共振周波数および第３の共振周波数を有する。共振器は、第１、第２、および第３の各光ビームの一部を周回させるように構成される。共振器は、中空コアを有する光ファイバコイルを備える。第１の光ビームの一部は、中空コア中を第１の対向伝搬方向に周回し、第２および第３の光ビームの一部は、中空コア中を第２の対向伝搬方向に周回する。第１の周波数は第１の共振周波数に調整され、第２の周波数は第２の共振周波数に調整され、第３の周波数は第３の共振周波数に調整される。

本発明を以下で添付の図面に関して説明する。図面で同じ数字は同じ要素を示す。

本発明の以下の詳細な説明は例示的な性質のものに過ぎず、本発明、または本発明の適用および用途を限定するものではない。さらに、前述の本発明の背景、または本発明についての以下の詳細な説明に示されたいかなる理論によっても束縛されるものではない。

ここで図面を参照すると、図１は、本発明の例示的な一実施形態による共振器ジャイロ１０の構成図である。共振器ジャイロ１０は、各光ビームをそれぞれ合成する第１および第２の波長可変光源１２、１４（例えば波長可変レーザ）と、各光ビームを共振器２５に導入するリサーキュレータ４０を有する共振器２５と、共振器２５からの第１および第２の戻りビームを受け取る第１および第２の光検出器１６、１８とを備える。第１の波長可変レーザ１２によって生成される光ビームは周波数ｆ_０に調整され、第２の波長可変レーザ１４によって生成される光ビームは周波数ｆ_０＋Δｆに調整される。これら２つのレーザ周波数間の相対的な周波数ドリフトおよびジッタは、最小値になるレベルに、もしくは周波数偏移、したがって回転速度の測定の精度および安定性に影響を及ぼさないレベルに実質的に最少化されるのが好ましい。これは、レーザ周波数安定化技法によって実現することができ、この技法は、回転速度に比例する調整可能な安定オフセットにそのビート周波数を同期させる電子サーボを使用する。各波長可変レーザ１２、１４は、その対応する発生光ビームを正弦波周波数変調することができる。加えて、共振器ジャイロ１０は、波長可変レーザ１２、１４から共振器２５まで光ビームの伝搬を誘導するために、また共振器２５から光検出器１６、１８まで光を誘導するために、追加の反射鏡２０、２２、およびビームスプリッタ２６、２８を含むこともできる。

共振器２５は、リサーキュレータ４０と、リサーキュレータ４０に結合された第１および第２の端部４１、４３を有する中空コア光ファイバコイル２４と、圧電変換器（ＰＺＴ）ハブ２３とを備える。光ファイバコイル２４は、ある範囲を取り囲む多重巻ファイバを有する。一実施例では、光ファイバコイル２４はＰＺＴハブ２３、したがってＰＺＴハブ２３の直径を取り巻き、ＰＺＴハブ２３は、光ファイバコイル２４を所定の変調周波数で正弦波の形で変化して引き伸ばす。リサーキュレータ４０は、光ビーム（すなわち、ＣＷおよびＣＣＷ入力光ビーム）を中空コアに導入し、光ビームの一部を光ファイバコイル２４に通して周回させる。リサーキュレータ４０は、光ファイバコイル２４の一方の端部から出てくる光を光ファイバコイル２４の他方の端部内に再誘導し、それによって光がファイバコイル２４中を何度も伝搬することになる。別の一代替実施形態では、ＰＺＴハブ２３は共振器２５から省かれ、リサーキュレータ４０は、（例えば波長可変レーザ１２、１４によって変調された）被変調入力光ビームを光ファイバコイル２４の中空コア内に導入し、その被変調光ビームの一部を光ファイバコイル２４に通して周回させる。

波長可変レーザ１２、１４から被変調光ビームを受け取った後、共振器２５は、２つの被変調光ビームの一部を各対向伝搬方向（すなわちＣＷおよびＣＣＷ方向）に向ける。サニャック効果の応用によって、光ジャイロ１０は、光ジャイロ１０の軸を中心とする回転速度を感知する。光検出器１８、１６は、ＣＷおよびＣＣＷ周回光ビームの共振線形状の各共振中心を検出し、この検出された各共振中心間の周波数偏移に基づき、共振器２５のそれぞれの対向伝搬方向に関連付けられる共振周波数を決定する。周波数偏移は、光ジャイロ１０の回転速度を決定するために使用される。例えば、第１の光ビーム（すなわちＣＷビーム）は非偏移レーザ周波数ｆ_０を有し、共振器２５内に導入される。回転感知のために、ＣＷビームの周波数ｆ_０は、（例えばレーザ１２の周波数を調整することによって）ＣＷ方向における共振器２５の共振周波数に調整される。第２の光ビーム（すなわちＣＣＷビーム）周波数は、ＣＣＷ方向における共振器２５の共振中心周波数とＣＣＷビーム周波数を整合させるように周波数Δｆによって調整される。

ＣＷ方向またはＣＣＷ方向どちらかの共振中心周波数を測定するために、標準的な同期検波技法が使用される。各入力光ビームは正弦波位相変調され、したがって、それぞれ周波数ｆ_ｍおよびｆ_ｎで周波数変調されて、光検出器１８、１６によって測定される共振線形状の全体にわたって各入力ビーム周波数をディザーする。例えば、光検出器１８、１６に結合された追加の回路が、光検出器１８、１６の出力を各周波数ｆ_ｍおよびｆ_ｎで復調して、ＣＷおよびＣＣＷビームの光出力によって示される共振中心を測定することができる。共振線形状のライン中心、または共振中心において、光検出器１６は、基本周波数ｆ_ｍおよびｆ_ｎそれぞれでの最小出力を検出する。入力ビーム周波数（例えばｆ_０＋Δｆまたはｆ_０）が共振から外れている場合には、周波数ｆ_ｍおよびｆ_ｎそれぞれでのエラー信号が光検出器によって感知され、それぞれのビーム周波数を共振器２５のそれぞれの共振周波数に調整するために使用される。ＣＷビームの周波数は、レーザ１２の周波数ｆ_０を変えることによって調整され、ＣＣＷビームの周波数はフィードバックループを介して調整され、このフィードバックループは、ｆ_０＋ｆΔが共振器２５のＣＣＷ共振周波数に一致するように第２のレーザ１４の周波数偏移Δｆを変化させる。

ｆ_０＋Δｆが共振器２５のＣＣＷ方向の共振周波数から離れて調整された場合には、ＣＣＷビームからのエネルギーによって共振器２５内に最大強度が生成されず、共振線形状内の最小値が検出器１６で見られない。ｆ_０＋Δｆが共振器２５のＣＣＷ方向の共振周波数に調整された場合には、ＣＣＷビームは最小出力値、すなわち共振ディップの中心を有し、それによって共振中心を示す。同様にＣＷ光ビームでは、ＣＷビームが共振器２５のＣＷ方向の共振周波数に調整されている場合に、ＣＷビームのエネルギーが光ファイバコイル２４に入る。

回転がない場合は、共振器２５内のＣＷおよびＣＣＷビームのそれぞれＣＷおよびＣＣＷ方向での各往復経路長はほぼ等しい。したがって、Δｆは、第２のレーザ１４によってゼロに調整される。回転がある場合には、ＣＷ方向とＣＣＷ方向の間で往復経路長が異なり、回転速度に比例する共振周波数差が２つの方向間で生じる。周波数ｆ_０をＣＷ共振に追従するように調整し、周波数ΔｆをＣＣＷ共振中心に追従するように調整することによって、回転速度が決定される。

ＣＷおよびＣＣＷビームは、曲げ損失が極めて低い中空コア・バンドギャップ光ファイバ中を伝搬し、コイル２４は、好ましくはかなり小さな範囲の周りに多くのターン数を有して、本発明の１つの利点である小型ジャイロを実現する。例えば、コイル２４は、１ｃｍの直径の周りに約２０〜４０ターンからの光ファイバを有することができる。中空光ファイバは、通常ガラスをベースとし、プラスチック外装および中空内部コアを備える。中空コア光ファイバでは、リサーキュレータ４０から注入された光がコアに沿ってほとんど自由空間（例えば空気または真空）を通り抜け、光のエネルギーのほぼ数パーセント以下のみが、中空コアを取り囲むファイバのガラス壁に封じ込められる。光エネルギーの大部分が光ファイバの中空コアに沿って自由空間を通り抜けるので、リサーキュレータ４０と中空コア光ファイバの間の遷移はほぼ完全なインデックスマッチングを有し、また低損失で魅力的な偏波特性をもつ高反射率レーザ鏡をリサーキュレータ４０用に使用することができる。中空コアファイバは、従来ファイバのコア内ガラス媒体の特性に通常伴う回転測定誤差を大幅に減らし、あるいは全く無くするのに適している。

最も好ましい中空ファイバの特性は、低損失、小さな曲げ半径、高信頼性、最小数の空間モード（例えば、理想的には１つの空間モード）、および最大の偏波保存度である。空間モードの場合では、ファイバ内で光の異なる空間分布を有するモード（例えば高次モード）の励起により生じる損失、および望ましくない２次共振を最少化することが好ましい。これらの２次共振の励起は、回転を測定するのに使用される主要なＣＷおよびＣＣＷ共振の線形状の明らかな歪み、したがって回転速度誤差を引き起こし得る。また、ファイバの中空コアを取り囲む壁面または壁内で光が分散され得る面モードなど、ファイバ内の他のタイプの空間モード分散を最少化することも好ましい。面モードの場合、面モードの励起が光損失、スプリアスエラー、過剰ノイズ、またはドリフトを引き起こすことがある。

図２は、本発明の別の例示的な実施形態による、図１に示された共振器ジャイロ１０のシリコン光学台３４上での構成図である。レーザ１２、１４、および光検出器１６、１８は、シリコン光学台３４上に装着される。レーザ１２、１４は、それぞれ外部共振器半導体レーザであり、レーザダイオード３２（例えばファブリーペロー型レーザダイオード）と、１つまたは複数の外部反射鏡と、レーザダイオード３２によって生成される光ビームの周波数を変調する電子駆動装置３０とを有する。レーザ１２、１４は、周波数選択性要素、および集束レンズまたは集束要素を付加的に備えて、空間的に望ましい出力の形で所定の単一周波数を有する狭い線幅の光ビームを生成することができる。光検出器１６、１８は、ＣＷおよびＣＣＷ周回光ビームの一部をサンプリングし、またそれぞれが、ＣＷおよびＣＣＷ周回光ビームに関連する共振線形状を解析するための追加回路（例えばＣＭＯＳベースの共振追従回路）に結合される。

この例示的な実施形態では、第１および第２の反射鏡３６、３８は、レーザ１２、１４からのＣＷおよびＣＣＷ光ビームの一部を、光ファイバ２４の端部４３、４１を経由して光ファイバ２４の中空コア内に導入する。反射鏡３６、３８もまたシリコン光学台３４に装着され、光ファイバ２４の端部４１、４３は、シリコン光学台３４に（例えばシリコン光学台３４上に形成されたＶ字形の溝を介して）結合される。反射鏡３６、３８はまた、ＣＷおよびＣＣＷ光ビームの一部を光ファイバコイル２４に通して周回させる。例えば、第１の反射鏡３６は、光ファイバコイル２４の第１の端部４１からのＣＷ周回光ビームを第２の反射鏡３８に向け、この第２の反射鏡は、第１の反射鏡３６からのＣＷ周回光ビームを光ファイバコイル２４の第２の端部４３へと向ける。さらに、第２の反射鏡３８は、光ファイバコイル２４の第２の端部４３からのＣＣＷ周回光ビームを第１の反射鏡３６に向け、この第１の反射鏡は、第２の反射鏡３８からのＣＣＷ周回光ビームを光ファイバコイル２４の第１の端部４１へと向ける。

共振器ジャイロ１０は、シリコン光学台３４についての記述の中で説明されているが、多様な基板が、必ずしもそれだけには限らないが、シリコン、シリコン・オン・インシュレータ、ＩｎＧａＡｓＰなどを含めて使用されてよい。小型光学台技法を使用すると、シリコン光学台３４の表面に多様な精密光学構造をエッチング、または形成することができ、また外部光学構成要素をシリコン光学台３４の表面に正確に装着し、あるいはシリコン光学台３４上に形成することができる。追加の材料層がシリコン光学台３４のベース層の上に形成されてもよい。議論を簡単にするために、基板という用語は、基板のベース層の上に形成できる追加の材料層を含むものとする。

図３は、本発明の別の例示的実施形態による共振器ジャイロ５０の部分概略図である。共振器ジャイロ５０は、多周波レーザ発生源（ＭＦＬＳ）アセンブリ５２と、ＭＦＬＳアセンブリ５２の出力端に結合された中空コア共振器（ＨＣＲ）アセンブリ５４と、共振追従電子（ＲＴＥ）システム５６とを備え、このＲＴＥシステム５６は、ＨＣＲアセンブリ５４の出力端に結合された入力端と、ＭＦＬＳアセンブリ５２の入力端に結合された第１の出力端と、共振器ジャイロ５０のジャイロデータを供給するための第２の出力端とを有する。ＨＣＲアセンブリ５４からＭＦＬＳアセンブリ５２までのＲＴＥシステム５６を介するフィードバックループを使用して、ＭＦＬＳアセンブリ５２内の１つまたは複数のスレーブレーザ、およびＭＦＬＳアセンブリ５２内のマスタレーザが調整可能であり、共振器内のそれぞれの伝搬方向に対応する共振周波数に同期した被変調光ビームを生成する。例えば、マスタレーザは、共振器のＣＷ方向の共振周波数に調整されるＣＷビームを生成し、第１のスレーブレーザは、共振器のＣＣＷ方向の共振周波数に調整されるＣＣＷビームを生成し、この共振周波数は、ＣＷ方向の共振周波数より上の自由スペクトルレンジ（ＦＳＲ）である。また、第２のスレーブレーザは、共振器のＣＣＷ方向の共振周波数に調整されるもう１つのＣＣＷビームを生成し、この共振周波数は、ＣＷ方向の共振周波数より下のＦＳＲである。こうすることによって、共振器内の光結合によって生じることがある後方散乱エラーがずっと高い周波数へと周波数偏移され除去される。

ＭＦＬＳアセンブリ５２は、ＭＦＬＳ５８と、ＭＦＬＳ５８の出力端に結合されたＭＦＬＳ光学サブアセンブリ６０とを備え、このＭＦＬＳ光学サブアセンブリ６０は、被変調光ビームをＨＣＲアセンブリ５４まで送り、被変調光ビームのＭＦＬＳへの光フィードバックを行う。ＭＦＬＳ５８は、必ずしもそれだけには限らないが、ＲＴＥシステム５６からの制御信号に応じて被変調光ビームを発生するマスタレーザ、および１つまたは複数のスレーブレーザを含む。ＨＣＲアセンブリ５４は、共振器結合光学装置６２（例えば、図１に示されたリサーキュレータ４０および光検出器１６、１８）を備え、これは、ＭＦＬＳ光学サブアセンブリ６０に結合された入力端、および共振器結合光学装置６２の第１の出力端に結合された共振器６４を有する。共振器６４は、図１に示されたリサーキュレータ４０および中空コアファイバコイル２４を含み、被変調光ビームの一部を各対向伝搬方向に周回させる。リサーキュレータ４０は、光をコイル２４内で再周回させる反射鏡またはファイバ結合器でよい。共振器結合光学装置６２は、第２の出力端を介して光データ（例えばＣＷおよびＣＣＷ周回ビームの強度測定値）をＲＴＥシステム５６に供給する。ＲＴＥシステム５６は、共振器結合光学装置６２の第２の出力端に結合された入力端を有する共振追従回路（共振トラッキング回路）６６を備え、またＭＦＬＳ５８の入力端に結合された出力端を有する。またＲＴＥシステム５６は、共振器結合光学装置６２から受け取られ、ＭＦＬＳ５８に送出される信号を処理するためのアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器およびデジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）など、付加的な構成要素を備えてよい。ＲＴＥシステム５６は、マスタレーザおよびスレーブレーザ用のレーザ周波数制御信号を生成し、また、共振器６４の回転速度および自由スペクトルレンジの大きさに依存するオフセットを、少なくとも各スレーブレーザのうちの１つによって発生される光ビーム周波数に加える。このオフセットは、対応する光ビームの、光検出器１８、１６によって検出される１つの共振中心ともう１つの共振中心の間のＦＳＲに基づくのが好ましい。

図４は、共振器ジャイロ５０を理解するのに有用な、時計回り方向強度波形６８および反時計回り方向強度波形７０である。図３および図４を参照すると、例示的な実施形態では、ＣＷビームが共振器６４のＣＷ方向の共振周波数全体にわたってスキャンされたときに、ＣＷ強度波形６８が周期的な共振ディップ７２、７４を有しているのが観察される。同様に、ＣＣＷビームが共振器６４のＣＣＷ方向の共振周波数全体にわたってスキャンされたときに、ＣＣＷ強度波形７０が周期的な共振ディップ７６、７８を有しているのが観察される。これらの共振ディップ７２、７４、７６、７８の各中心は、各共振周波数を示す。

マスタレーザをＣＷ共振周波数ｆ_ｃｗに調整し、第１のスレーブレーザを、１ＦＳＲから回転による周波数偏移を差し引いただけＣＷ共振周波数ｆ_ｃｗより下の第１のＣＣＷ共振周波数ｆ_{ｃｃｗ、１}に調整し、第２のスレーブレーザを、１ＦＳＲに回転による周波数偏移を加えただけＣＷ共振周波数ｆ_ｃｗより上の第２のＣＣＷ共振周波数ｆ_{ｃｃｗ、２}に調整することによって、マスタレーザと第１のスレーブレーザの間で第１のビート周波数Δｆ_１が生成され、マスタレーザと第２のスレーブレーザの間で第２のビート周波数Δｆ_２が生成される。これらのビート周波数は、共振器ジャイロ５０の回転による周波数偏移（Δｆ_Ω）およびＦＳＲの両方を次式のように含む。

Δｆ_１＝ｆ_ｃｗ−ｆ_{ｃｃｗ、１}＝ｆ_ＦＳＲ−Δｆ_Ω
Δｆ_２＝ｆ_ｃｗ−ｆ_{ｃｃｗ、２}＝ｆ_ＦＳＲ＋Δｆ_Ω
次式で２つのビート周波数の差を取ることによって、ＦＳＲ、および関連するどんなドリフトレート誤差も正確に知る必要なしに、回転測定値が得られる。

Δｆ_２−Δｆ_１＝２Δｆ_Ω
図５は、図３に示された多周波レーザ発生源アセンブリ５２の概略図である。ＭＦＬＳ光学サブアセンブリ６０は、マスタレーザ８０、第１および第２のスレーブレーザ８２、８４、光結合器８８、９０、９２、９４、９６、９８、１００、および光ファイバ８６を備え、光ファイバ８６は、レーザ８０、８２、８４のそれぞれの出力端、および光結合器８８、９０、９２、９４、９６、９８、１００の間に結合されている。光ファイバ８６は、偏波保持単一モードファイバが好ましい。マスタレーザ８０は、共振器６４のＣＷ入力端に導入されるＣＷビームを生成し、スレーブレーザ８２、８４は、共振器６４のＣＣＷ入力端に導入されるＣＣＷビームを生成する。各ＣＣＷビームの一部は、共振器６４のＣＷ入力端への導入の前に結合器１００によって結合される。光結合器のいくつかは、マスタレーザ８０からの光をスレーブレーザ８２、８４のうちの一方からの光と結合させて、スレーブレーザ８２、８４をマスタレーザ８０と位相同期させるためのフィードバックを行う。例えば、マスタレーザ８０によって生成されたＣＷビームの一部が、光結合器８８、９０、９２、および９４を介して、第１のスレーブレーザ８２によって生成されたＣＣＷビームの一部と混合され、マスタレーザ８０によって生成されたＣＷビームの一部が、光結合器８８、９２、９６、および９８を介して、第２のスレーブレーザ８４によって生成されたＣＣＷビームの一部と混合される。

この混合された光は、ＭＦＬＳ５８に供給される。ＭＦＬＳ５８は、駆動回路１０２、１０４、および１０６をそれぞれレーザ８０、８２、および８４用に備える。マスタ駆動回路１０２は、図３に示されたＲＴＥシステム５６からのマスタレーザ制御信号を受け取るように構成された入力端があるレーザ電流ドライブ１０８を備え、また、マスタレーザ８０に結合された出力端を有する。第１のスレーブドライバ回路１０４は、光結合器９４に結合された入力端を有する光検出器１１０と、ＲＴＥシステム５６からの第１のスレーブ制御信号を受け取るように構成された直接デジタルシンセサイザ（ＤＤＳ）１１２を有する局部発振器と、ＤＤＳ１１２に結合された第１の入力端および光検出器１１０に結合された第２の入力端を有する混合器１１４と、混合器１１４の出力端に結合された積分器１１６と、積分器１１６に結合された入力端、および第１のスレーブレーザ８２に結合された出力端を有するレーザ電流ドライブ１１８とを備える。第２のスレーブドライバ回路１０６は、光結合器９８に結合された入力端を有する光検出器１２０と、ＲＴＥシステム５６からの第１のスレーブ制御信号を受け取るように構成されたＤＤＳ１２２を有する局部発振器と、ＤＤＳ１２２に結合された第１の入力端を有し、かつ光検出器１２０に結合された第２の入力端を有する混合器１２４と、混合器１２４の出力端に結合された積分器１２６と、積分器１２６に結合された入力端を有し、かつ第２のスレーブレーザ８４に結合された出力端を有するレーザ電流ドライブ１２８とを備える。スレーブレーザ８２、８４からの光の一部が、それぞれ光検出器１１０、１２０でマスタレーザ８０からの光の一部と混合されて、ビート周波数を有する信号を生成する。

マスタレーザ８０とスレーブレーザ８２、８４の間の各ビート周波数は、ＤＤＳ１１２、１２２それぞれからの各局部発振器信号と混合器１１４、１２４によって混合されて、注入電流によって各スレーブレーザ周波数を制御する積分器１１６、１２６を駆動する。局部発振器信号は、ＲＴＥシステム５６からのスレーブ制御信号に応じてＤＤＳ１１２、１２２によって可変である。

図６は、図３に示されたＲＴＥシステム５６の概略図である。共振追従回路６６は、マスタ追従サブ回路１３０、およびスレーブ追従サブ回路１３２を備える。共振追従回路６６に加えて、ＲＴＥシステム５６はさらに、マスタ追従回路１３０の入力端に結合された第１のＡ／Ｄ変換器１３４と、スレーブ追従回路１３２に結合された第２のＡ／Ｄ変換器１３６と、マスタ追従回路１３０の出力端に結合されたＤＡＣ１４６とを備える。Ａ／Ｄ変換器１３４および１３６は、共振器結合光学装置６２から受け取った光データ（例えば、共振器のＣＷおよびＣＣＷ方向の共振周波数を示す）をデジタル信号に変換する。ＤＡＣ１４６は、マスタレーザの共振周波数のデジタル表示をアナログ信号（例えば電流注入）に変換してＭＦＬＳ５８に送出する。例示的な実施形態では、共振追従回路６６は、書替え可能ゲートアレイ（ＦＰＧＡ）または他の同様な書替え可能デバイスである。

マスタ追従サブ回路１３０は、Ａ／Ｄ変換器１３４に結合され、かつ共振器６４のＣＷ方向のデジタル化信号を受け取るように構成された復調器１３８と、復調器１３８に結合されたアキュムレータ１４０と、正弦波発生器１４２と、正弦波発生器１４２に結合された第１の入力端を有し、かつアキュムレータ１４０に結合された第２の入力端を有する加算ユニット１４４とを備える。復調器１３８は、マスタレーザ８０によって発生された光ビームの変調に対応する所定の変調周波数（例えばＣＷ方向の共振検出周波数ｆ_ｍ）でＣＷ方向のデジタル化信号を復調する。加算ユニット１４４は、マスタレーザ８０を共振器６４のＣＷ方向の共振中心に調整するための、またｆ_ｍで共振検出変調を行うための信号をマスタレーザ８０に対して発生する。

スレーブ追従サブ回路１３２は、共振器６４のＣＣＷ方向のデジタル化信号を受け取るように構成され、Ａ／Ｄ変換器１３６に結合された第１および第２の復調器１４８、１５０と、復調器１４８、１５０にそれぞれ結合された第１および第２のアキュムレータ１５２、１５４と、第１のアキュムレータ１５２に結合された第１の加算ユニット１５６と、第２のアキュムレータ１５４に結合された第２の加算ユニット１５８と、第１および第２の正弦波発生器１６０、１６２と、第１の正弦波発生器１６０に結合された第１の入力端を有し、かつ第１の加算ユニット１５６の出力端に結合された第２の入力端を有する第３の加算ユニット１６４と、第２の正弦波発生器１６２に結合された第１の入力端を有し、かつ第２の加算ユニット１５８の出力端に結合された第２の入力端を有する第４の加算ユニット１６６と、第１の加算ユニット１５６の出力端に結合された第１の入力端を有し、かつ第２の加算ユニット１５８の出力端に結合された第２の入力端を有する差分ユニット１６８と、差分ユニット１６８の出力端に結合されたインターフェース論理回路１７０とを備える。第１および第２の復調器１４８および１５０は、第１および第２のスレーブレーザ８２、８４それぞれに与えられた各共振検出変調周波数に対応する所定の変調周波数でＣＣＷ方向のデジタル化信号を復調する。第１および第２の加算ユニット１５６、１５８は、一定ではあるが調整可能かつコマンド可能なオフセット（例えば１ＦＳＲに相当）を各復調ＣＣＷ信号に与え、第３および第４の加算ユニット１６４、１６６は、ＣＣＷ方向のそれぞれの共振周波数に基づき各スレーブレーザ８２、８４の周波数を調整するための信号を発生し（例えば、ＣＷ方向の共振周波数より１ＦＳＲ下に、またＣＷ方向の共振周波数より１ＦＳＲ上に）、また共振検出変調を各レーザ８２、８４に与える。差分ユニット１６８は、ＣＣＷ信号から一定オフセット（例えばＦＳＲ）を除去し、共振器ジャイロ５０の回転速度に対応する信号を生成する。

共振器ジャイロ１０および５０の利点は、それだけには限らないが、低コストで小型のパッケージ内で約０．０１度／時のバイアスおよび約０．００１度／ルート時の角度酔歩（ＡＲＷ）を実現する機能、低損失で密に巻かれた数メートル未満のファイバを有する共振器、リング共振器内で光を再周回させるために光ファイバ結合器ではなく高反射率反射鏡を使用すること、シリコン光学台にその主要構成部品が装着された小型で安定性のあるレーザ、ジャイロ誤差を助長することがあるシリカファイバ内の非線形効果の最少化、光ファイバコイル２４への移行点での光損失の大幅な低減、光伝送特性の変化を全くまたはほとんど伴わずに光ファイバコイルを非常に密な（例えば鉛筆の直径の）ループ中に巻く機能、を含む。

例示的な一実施形態では、共振器ジャイロ１０および５０は、シリコンをベースとする微小な光学台上に組み立てられ、この光学台は、電子部品および光学部品を集積化し、これら二者間の効率的で適切、かつ機械的に安定したインターフェースを実現する。１０μｍまでに小さい形状を有する小型の光学構成要素をシリコン表面に装着して大きな体積の光学部品を無くすることができ、それでも光波は自由空間を伝わることができる。レーザダイオード、およびその周波数を安定化させるための外部要素もまた、シリコン光学台の上面に装着することができる。この例示的な実施形態では、レーザダイオードおよび関連する周波数調整構成要素を光学台上に装着することができる。外部共振器レーザのいくつかのフィーチャをシリコンチップ上に配置、または直接形成することができる。共振器ジャイロ１０および５０は、信号対雑音精度を改善するために、累進的に狭くなるスペクトル幅のレーザを使用する。そのようなものとして、一部の従来のレーザダイオードは過度に広い線幅をもち、このようなレーザダイオードを外部共振器内に配置することでこの線幅を狭くする必要性が生じる。これは、高反射率反射鏡を基板上に形成または配置し、レーザダイオードをこのような反射鏡の間に挿入することによって、シリコン基板上でコンパクトに対応することができる。したがって、コンパクトな外部共振器の、狭い線幅のレーザダイオードを製作することができる。

さらに、レーザダイオードは、単一周波数の光を放出するのが好ましい。周波数選択性要素を外部共振器に挿入して、望ましくない放出周波数の損失をより多く生じさせ、単一の中心波長のみの狭い線幅の光をレーザに放出させることができる。使用することができる周波数選択性要素が多くある。例えば、周波数選択性要素は、基板上に形成または配置された小型の格子、あるいはその格子上に形成または配置されたエタロンでよい。共振器ジャイロの他のフィーチャは、シリコン基板上に実現することができる。例えば、反射鏡リサーキュレータは、その表面に配置、形成、またはエッチングすることができ、また、精密に形成され配置されたＶ字溝内にファイバを設置することによってファイバと整合させることができる。検出器もまた、検出器を表面に配置するための装着フィーチャを設置する平面リソグラフ工程を使用して、共振器出力ビームに対し精密に配置することができる。あるいは、約１．３μmまたは約１．５μｍ波長での検出器動作のために、ゲルマニウムなどのドーパントでシリコンをドーピングすることによって検出器を表面に形成することができる。レーザダイオードでさえも、ドープＩｎＧａＡｓＰ層をシリコン上に成長させるハイブリッド技法を使用することなどによって（例えば、シリコン表面のドープＩｎＧａＡｓＰ層の形成を容易にする２次基板を使用して）、シリコンプラットフォーム上に集積化することができる。これらの技法を使用すると、シリコンプラットフォーム内での光学部品の作製が可能になり、したがって電子部品と共に集積化される。

共振器ジャイロ１０および５０は、限定ではなく例として、航空機、陸上車両、潜水艦、人工衛星、水上艦ナビゲーションなど慣性誘導を必要とする用途を含め、多様な用途に適している。加えて、共振器ジャイロ１０および５０について想定されたサイズは比較的小さく、限定ではなく例として、小型ロボット、個々の兵士の履物、および小型人工衛星を含め、非常に小さなプラットフォーム上での実用を可能にするはずである。

少なくとも１つの例示的な実施形態が以上の本発明の詳細な説明で示されたが、数多くの変形形態が存在することを理解されたい。また、１つまたは複数の例示的な実施形態は例に過ぎず、本発明の範囲、適用性、または構成を限定するものでは決してないことも理解されたい。むしろ、以上の詳細な説明は、本発明の例示的な実施形態を実施するための便宜的な手引きを当業者に提供するものである。添付の特許請求の範囲に記載された本発明の範囲から逸脱することなく、例示的な一実施例で説明された要素の機能および構成に様々な変更を加えることができることを理解されよう。

本発明の例示的実施形態による共振器ジャイロの構成図である。 本発明の別の例示的実施形態による共振器ジャイロの構成図である。 本発明の別の例示的実施形態による共振器ジャイロの部分概略図である。 共振追従型システムを理解するのに有用な、時計回り方向の強度波形および反時計回り方向の強度波形の図である。 図３に示された多周波レーザ発生源アセンブリの概略図である。 図３に示された共振追従型電子システムの概略図である。

符号の説明

１０ 光ジャイロ
１２ 第１の波長可変光源
１４ 第２の波長可変光源
１６ 第１の光検出器
１８ 第２の光検出器
２０ 反射鏡
２２ 反射鏡
２３ 圧電変換器（ＰＺＴ）ハブ
２４ 中空コア光ファイバコイル、光ファイバコイル
２５ 共振器
３４ 基板
４０ リサーキュレータ
４１ 光ファイバコイルの第１の端部
４３ 光ファイバコイルの第２の端部
５０ 共振器ジャイロ
５２ 多周波レーザ発生源（ＭＦＬＳ）アセンブリ
５８ 多周波レーザ発生源（ＭＦＬＳ）
６４ 共振器
１０２ 第１の外部共振器レーザ
１０４ 第２の外部共振器レーザ
１０６ 第３の外部共振器レーザ
１１０ 検出器
１２０ 検出器

Claims (3)

1. 少なくとも１つの基板（３４）と、
   前記少なくとも１つの基板上に装着され、第１の周波数を有する第１の光ビーム、および第２の周波数を有する第２の光ビームを生成するように構成され、前記第１の光ビームは前記第２の光ビームと位相同期される、多周波光源（ＭＦＬＳ）（５８）と、
   前記ＭＦＬＳに結合された共振器（６４）と、
   を備え、
   前記共振器は、第１および第２の対向伝搬方向を有し、中空コアを有する光ファイバコイル（２４）を含み、前記第１および第２の各光ビームの部分を前記中空コアに通して周回させるように構成され、前記第１の光ビームの前記部分は前記第１の対向伝搬方向に伝搬し、前記第２の光ビームの前記部分は前記第２の対向伝搬方向に伝搬し、前記第１と第２の周波数の差は、前記光ジャイロの回転速度に比例する周波数偏移を示す、光ジャイロ（１０）。
2. 前記共振器に結合され、前記周波数偏移を決定するように構成されたセンサ（１１０、１２０）と、
   前記センサおよび前記ＭＦＬＳに結合され、調整可能かつ制御可能なオフセットによって前記第２の周波数を前記第１の周波数からオフセットするように構成された追従回路（６６）とをさらに備える、請求項１に記載の光ジャイロ。
3. 前記ＭＦＬＳは、
   前記第１の光ビームを生成するように構成された第１の外部共振器レーザ（１０２）と、
   前記第２の光ビームを生成するように構成された第２の外部共振器レーザ（１０４）と、
   前記第１の光ビームと位相同期をとられた第３の光ビームを生成するように構成された第３の外部共振器レーザ（１０６）と
   を備え、
   前記第３の光ビームは第３の周波数を有し、前記共振器がさらに、前記第３の光ビームの部分を前記中空コアに通して前記第２の対向伝搬方向に周回させるように構成される、請求項１に記載の光ジャイロ。

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