JP2011145283A - 光位相雑音誤差低減器 - Google Patents

光位相雑音誤差低減器 Download PDF

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Abstract

【課題】光位相雑音誤差低減器を提供する。
【解決手段】共振器ジャイロスコープは、参照光を生成する参照レーザ発生器と、参照光にロックされた第1のスレーブ光を生成する第1のスレーブ光源と、参照光にロックされた第2のスレーブ光を生成する第2のスレーブ光源と、第1及び第2のスレーブ光源のうち少なくとも1つに結合されて第1及び第2のスレーブ光の高周波の変動を取り除く第1の光フィルタキャビティと、第1及び第2の光源に結合され、第1及び第2の反対伝播方向を有する共振器と、共振器に結合されて第1のビート周波数、第2のビート周波数、及び第3のビート周波数を生成する共振追跡電子装置とを具備し、共振器ジャイロスコープの回転速度は第1、第2及び第3のビート周波数の関数である。
【選択図】図4

Description

本発明は、光位相雑音誤差低減器に関する。
関連出願の相互参照
本出願は、2009年12月13日に出願された「LIGHT−PHASE−NOISE ERROR REDUCER」なるタイトルの米国仮特許出願第61/285,990号に対する優先権を主張し、それは本出願において’990出願と呼ばれる。
本出願は、2009年12月13日に出願された「SYSTEM AND METHOD FOR REDUCING LASER PHASE NOISE IN A RESONATOR FIBER OPTIC GYROSCOPE」なるタイトルの同時係属の米国特許出願第12/636,741号(代理人整理番号H0023877−5704)に関連し、それは本出願において’877出願と呼ばれる。’877出願はこれによって参照により本明細書に組み込まれる。
ジャイロスコープ(本明細書においてはジャイロとも呼ばれる)は、回転速度又は回転軸の周りの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、ビーム生成装置、及び、ある領域を取り囲む、当該ビーム生成装置に結合された光ファイバのコイルを含む。ビーム生成装置は、光ファイバのコアに沿って、時計回りの(CW)方向及び反時計回りの(CCW)方向に伝播する光ビームを、コイルの中へ送信する。多くのFOGは、ファイバの固体のガラスコアに沿って光を導くガラスベースの光ファイバを利用する。2つの反対に伝播する(例えば、CW及びCCW)ビームは、回転する閉じた光路のまわりを伝播する間に異なる経路長を経験し、当該2つの経路長の差は、囲まれた領域に対して垂直な回転速度に比例する。
共振器光ファイバジャイロ(RFOG)において、反対に伝播する光ビームは、通常、単色(例えば、単一の周波数)であり、コイルを通過した光を再びコイルへ戻すように向け直す(すなわち、光を循環させる)ファイバカプラなどの装置を使用して、光ファイバコイルの複数のターンを通じて、及び、コイルを通じた複数のパスについて、循環する。ビーム生成装置は、共振コイル(resonant coil)の共振周波数が観察されるように、反対に伝播する光ビームの各々の周波数を変調し及び/又はシフトする。コイルを異なる回数横断したすべての光波がコイル中の任意の点において強め合って干渉するよう、コイルを通じたCWパス及びCCWパスの各々についての共振周波数は、強め合う干渉条件に基づく。この強め合う干渉の結果、波長λを有する光波は、往復の(round trip)共振器経路長が波長の整数倍と等しい場合、「共振している(on resonance)」といわれる。コイルの軸の周りの回転は、時計回りと反時計回りとについて異なる経路長を生成し、したがって、回転による閉じた光路の共振周波数のシフトと一致するようにCWビーム及びCCWビームの周波数を調整することによって測定され得るように、共振器のそれぞれの共振周波数間のシフトと周波数差と生成し、回転速度を示す。
1つの実施例において、共振器ジャイロスコープが提供される。共振器ジャイロスコープは、参照光を生成する参照レーザ発生器と、参照光にロックされた第1のスレーブ光を生成する第1のスレーブ光源と、参照光にロックされた第2のスレーブ光を生成する第2のスレーブ光源と、第1及び第2のスレーブ光源のうち少なくとも1つに結合され、第1及び第2のスレーブ光のそれぞれの高周波変動を除去する第1の光フィルタキャビティと、第1及び第2の光源に結合され、第1及び第2の反対の伝播方向を有する共振器と、第1のビート周波数、第2のビート周波数及び第3のビート周波数を生成する、共振器に結合された共振追跡電子装置(resonance tracking electronics)とを備え、共振器ジャイロスコープの回転速度は、第1、第2及び第3のビート周波数の関数である。
図面が例示的な実施例のみを描き、したがって範囲を限定するものであると考えるべきでないと理解して、例示的な実施例は、添付の図面の使用により、追加の特異性及び詳細をもって記述される。
共振器ジャイロスコープの1つの実施例のブロック図である。 共振器ジャイロスコープの別の実施例のブロック図である。 例示的な時計回りの強度波形及び例示的な反時計回りの強度波形のグラフである。 多重周波数レーザ光源アセンブリの1つの実施例のブロック図である。 参照共振器の例示的な共振曲線のグラフである。 リング共振器光フィルタキャビティの1つの実施例のブロック図である。 MFLS光学サブアセンブリの1つの実施例のブロック図である。 リング共振器光フィルタキャビティの別の実施例のブロック図である。 共振追跡電子装置の1つの実施例のブロック図である。 参照レーザ発生器の1つの実施例のブロック図である。 MFLS光学サブアセンブリの別の実施例のブロック図である。 共振器ジャイロスコープの回転速度を決定する方法の1つの実施例を描くフローチャートである。 例示的な光フィルタキャビティの例示的な光周波数伝達関数を示す。 例示的なフィードバック・ループのためのループ利得の例示的なボード線図を示す。 光フィルタ共振器の例示的な実施例のブロック図である。 光周波数弁別器共振器の例示的な実施例のブロック図である。
一般的慣習に従って、様々な記載された特徴は縮尺どおりには描かれず、例示的な実施例に関連する特定の特徴を強調するように描かれる。
以下の詳細な説明では、これに関する一部を形成する添付の図面に対して言及がなされ、その中で、特定の実例となる実施例として示される。しかし、他の実施例が利用されてもよく、論理的、機械的及び電気的な変化がなされてもよいことが理解されるべきである。さらに、、図面及び明細書の中で示された方法は、個々のステップが行われ得る順序を制限するものとして解釈されるべきではない。したがって、以下の詳細な説明は、限定的な意味にとられないようにされるべきである。
本明細書に使用される場合、「光源」及び「レーザ」なる用語は交換可能である。同様に、本明細書に使用される場合、「レーザビーム」及び「光」なる用語は交換可能である。さらに、「ビームスプリッタ」及び「光カプラ」なる用語は、ビームスプリッタ又は光カプラがレーザビームの一部を異なる経路に分離するように機能する場合に本明細書において交換可能に使用することができる。「光フィルタキャビティ」及び「光フィルタ共振器」なる用語もまた本明細書において交換可能に使用される。
図1は、共振器ジャイロ10の1つの実施例のブロック図である。共振器ジャイロ10は、光ビームをそれぞれ合成する調整可能な(tunable)光源12、14(例えば、チューナブルレーザ)、及び反対伝播方向に光ビームを循環させる共振器25を含む。共振器25は再循環器(リサーキュレータ、recirculator)40及び共振器コイル24を含む。再循環器40は、調整可能な光源12、14からの光ビームの一部を共振器コイル24へ導入する。例えば、再循環器40は、いくつかの実施例において、複数のミラー及び複数の偏光子で構成される。
共振器ジャイロ10はまた、共振器25中を循環する光をサンプリングする光検出器16、18、及び、共振器25の反対伝播方向の各々について共振ディップ(resonance dips)の中心を検出する、それぞれ光検出器18、16に結合された共振検出器34、38を含む。共振器ジャイロ10はまた、それぞれ共振検出器34、38に結合された入力及びそれぞれ調整可能な光源14、22に結合された出力を有するサーボ36、35を含む。共振器ジャイロ10のこれらのコンポーネントは、したがって、各々の反対伝播方向(例えば、時計回り(CW)及び反時計回り(CCW))について共振追跡ループ(resonance tracking loops)30、32を形成する。
第1のチューナブルレーザ(波長可変レーザ)12(例えば、CCWレーザ)によって生成された光ビームは周波数f0に合わせられ、第2のチューナブルレーザ14(例えば、CWレーザ)によって生成された光ビームは周波数f0+Δfに合わせられる。2つのレーザ周波数間の相対的な周波数ドリフト及びジッタは、好ましくは、周波数シフト及びしたがって回転速度、測定の精度及び安定性を最小限にするか又はこれに影響しないレベルへと実質的に最小化される。これは、回転測定周波数帯域内に十分なループ利得を有する共振追跡ループ30及び32のサーボ36、35によって共振周波数に対してレーザ周波数をロックすることにより達成することができる。十分なループ利得は、共振追跡ループ30、32にとって必要とされるユニティ利得(unity gain)周波数より実質的に大きな変調周波数を選択することにより得られる。例えば、変調周波数は、いくつかの実施例において、共振追跡ループ30、32についてのユニティ利得周波数の少なくとも約4倍である。さらに、これは、以下に述べられるレーザ周波数安定化技術によって達成することができる。チューナブルレーザ12、14の各々が、それぞれの周波数で光ビームを正弦的に変調する。また、共振器ジャイロ10は、チューナブルレーザ12、14から共振器25へ光ビームの伝播を向け、及び光検出器16及び18に共振器25からの光を向けるための追加のミラー20、22及びビームスプリッタ26、28を含んでもよい。
共振器25は、再循環器40、及び再循環器40に結合された第1端及び第2端を有する光ファイバコイル24を含む。いくつかの実施例において、光ファイバコイル24は中空コア光ファイバコイルである。再循環器40は、光ファイバコイル24へ変調された光ビーム(例えば、CW及びCCW入力光ビーム)を導入し、光ファイバコイル24を通じて変調された光ビームの一部を循環させる。再循環器40は、光ファイバコイル24の1つの端から現れる光をファイバコイル24のもう1つの端へと再導入し、それにより、光をファイバコイル24を通じて何度も伝播させる。
チューナブルレーザ12、14から変調された光ビームを受信した後に、再循環器40は、2つの変調された光ビームの一部を反対の伝播方向(例えば、CW方向及び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の軸の周りの回転速度を検知する。光検出器18、16は、循環する光ビームを表す光信号を電気信号に変換し、共振検出器34及び38は、CW及びCCWの循環する光ビームについて共振線形(resonance lineshape)の共振中心を検出し、検出された共振中心間の周波数シフトに基づいて、共振器25の反対伝播方向の各々に関連付けられる共振周波数を決定する。周波数シフトは光ジャイロ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(例えば、CWビーム)はシフトされていないレーザ周波数f0を有し、共振器25へ導入される。回転検知について、CWビームの周波数f0は、(例えば、レーザ12の周波数を調整することによって)CW方向での共振器25の共振周波数に合わせられる。第2の光ビーム(例えば、CCWビーム)は、CCW方向での共振器25の共振周波数に対して、CCWビーム周波数を共振中心に合わせるために、周波数f0+Δfに調整される。
CW方向又はCCW方向のいずれかでの共振中心周波数を測定するために、標準的な同期検出技術が使用される。各入力光ビームは正弦的に位相変調され、したがって、それぞれ周波数fm及びfnで周波数変調されて、光検出器18、16によって測定されるような共振線形にわたって各入力ビーム周波数をディザリングする。例えば、光検出器18、16に結合された付加的な回路は、CW及びCCWのビームの光出力によって示される共振中心を測定するために、それぞれ周波数fm及びfnで光検出器18、16の出力を復調してもよい。共振線形の線の中心(line center)、又は共振中心において、光センサ16は、それぞれ基本周波数fm及びfnでゼロの(無効の)出力(null output)を検出する。入力ビーム周波数(例えば、f0+Δf又はf0)がオフレゾナンス(オフ共振、off-resonance)である場合、それぞれ周波数fm及びfnの誤差信号が光検出器によって検知され、共振器25のそれぞれの共振周波数にそれぞれのビーム周波数を合わせ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、f0を変更することにより調整され、CCWビームの周波数は、f0+Δfが共振器25のCCW共振周波数と一致するように、第2のレーザ14の周波数シフト、Δfを変更するフィードバック・ループを介して調節される。
回転がない状態で、CW及びCCW方向の共振器25の内部のCW及びCCWのビームの往復経路長は、それぞれ、実質的に等しい。したがって、Δfは第2のレーザ14によって0に合わせられる。回転がある状態で、往復経路長は、回転速度に比例する2つの方向間の共振周波数差を生成するCW及びCCW方向の間で異なる。CW共振を追跡するべく周波数f0を、またCCW共振中心を追跡するべく周波数Δfを調整することによって、回転速度が決定される。
この例において、CW及びCCWのビームは、非常に低い曲げ損失をもつ中空コア、バンドギャップ光ファイバを介して伝播し、コイル24はコンパクトなジャイロを達成するためにかなり小さな領域の周りでの多数のターン(turn)を有する。例えば、コイル24は、1センチメートルの直径の周りで約20−40のターンの光ファイバを有してもよい。中空コア光ファイバは、通常、プラスチックの外側ジャケット及び中空の内部コアをもつガラスベースのものである。中空コア光ファイバにおいて、再循環器40から注入された光は、大抵はコアに沿って自由空間(例えば、空気又は真空)を通じて横断し、光の光学エネルギーの約数パーセント以下のみが、中空コアを囲むファイバのガラス壁に含まれる。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じて横断するので、再循環器40と中空コア光ファイバとの間の遷移はほぼ完全な屈折率整合を有し、低損失で魅力的な偏光特性を備えた高反射率レーザミラーが再循環器40のために使用されてもよい。中空コアファイバは、従来のファイバのコア中のガラス媒体の特性に一般に関連した回転測定誤差を大きく減衰するのに適している。しかし、他の実施例において他の種類の光ファイバを使用することができることが理解されるべきである。
CW共振追跡ループ30は共振器25のCW共振周波数上にCWレーザ12をロックし、CCW共振追跡ループ32は共振器25のCCW共振周波数上にCCWレーザ14をロックする。共振検出器34、38の各々の出力は、共振器25の共振周波数からかけ離れたレーザ周波数偏移を示す誤差信号である。サーボ36、35は、誤差信号及びしたがって周波数偏移を実質的にゼロに維持するためにレーザ12、14を調整する。
図2は、共振器ジャイロ50の別の実施例のブロック図である。共振器ジャイロ50は、多重周波数レーザ光源(MFLS)アセンブリ52、MFLSアセンブリ52の出力に結合されたサニャック共振器アセンブリ54、並びに、サニャック共振器アセンブリ54の出力に結合された入力、MFLSアセンブリ52の入力に結合された第1の出力、及び共振器ジャイロ50のジャイロデータを提供するための第2の出力を有する共振追跡電子装置(RTE)システム56を含む。RTEシステム56を介したサニャック共振器アセンブリ54からMFLSアセンブリ52までのフィードバック・ループを使用して、MFLSアセンブリ52内の複数のレーザが、共振器中のそれぞれの伝播方向に対応する共振周波数にロックされる変調された光ビームを生成するように調整可能である。
MFLSアセンブリ52は参照レーザ発生器210を含む。参照レーザ発生器210からの安定した参照レーザにロックされた2つのスレーブレーザを使用する1つの例示的な実施例において、第1のスレーブレーザは共振器のCW方向の共振周波数に合わせられるCWビームを生成し、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合わせられるCCWビームを生成する。CCW方向の共振周波数は、CW方向の共振周波数とは異なる縦共振(longitudinal resonance)モード(例えば、CW方向の共振周波数からかけ離れた少なくとも1つの縦共振モードである共振周波数)にある。隣接モード間の周波数間隔はフリースペクトルレンジ(FSR)と名付けられる。光後方散乱誤差を除去するために、少なくとも1つの縦共振モードの周波数に別々に合わせられる2つのレーザが使用される。大きなバイアス及び関連するバイアス不安定性(例えば、測定の一部であるFSRによる)を除去するために、CCWビームは、CW方向の共振周波数より低い少なくとも1つの縦共振モードにあるCCW共振周波数と、CW方向の共振周波数より高い少なくとも1つの縦共振モードにあるCCW共振周波数との間で切り替えられる。CCW方向の共振周波数がCW方向の共振周波数より高い1つの縦共振モードである場合に生じるビート周波数から、CCW方向の共振周波数がCW方向の共振周波数より低い1つの縦共振モードである場合に生じるビート周波数を差し引くことによって、より詳細に以下に説明されるように、約2倍の周波数差Δfである出力値が生成される。
参照レーザ発生器210からのマスタ参照レーザにロックされた3つのスレーブレーザを使用する別の例示的な実施例において、第1のスレーブレーザは共振器のCW方向の共振周波数に合わせられるCWビームを生成する。第2のスレーブレーザは、CW方向の共振周波数より低い少なくとも1つの縦共振モードである共振器のCCW方向の共振周波数に合わせられるCCWビームを生成し、第3のスレーブレーザは、CW方向の共振周波数より高い少なくとも1つの縦共振モードである共振器のCCW方向の共振周波数に合わせられる別のCCWビームを生成する。ビート周波数を差し引くことによって、以下に記述されるように、約2倍の周波数差Δfである出力値が生成される。共振器ジャイロ50の2つのスレーブレーザ及び3つのスレーブレーザ構成が記載されるが、追加のレーザが共振器ジャイロ50に組み込まれてもよい。
MFLSアセンブリ52は、MFLS58と、変調された光ビームをサニャック共振器アセンブリ54へ送る、MFLS58の出力に結合されたMFLS光学サブアセンブリ60を含み、変調された光ビームのMFLSへの光フィードバックを提供する。MFLS光学サブアセンブリ60は、RTEシステム56からの制御信号及び参照レーザ発生器210からのマスタ参照レーザに応じて変調された光ビームを生成するための2つ以上のスレーブレーザを含むが、必ずしもこれらに限定されない。サニャック共振器アセンブリ54は、MFLS光学サブアセンブリ60に結合された入力を有する共振器結合光学系62(例えば、図1に示される再循環器40及び光検出器16、18)及び共振器結合光学系62の第1の出力に結合された共振器ファイバコイル64を含む。共振器ファイバコイル64は、図1に示されるファイバコイル24などの中空コアファイバコイルとして実施され、反対伝播方向に変調された光ビームの一部を循環させる。共振器結合光学系62は、第2の出力を介して、RTEシステム56に、共振器光出力の電気信号(例えば、CW及びCCW循環ビームの強度測定値)を提供する。
RTEシステム56は、共振器結合光学系62の第2の出力に結合された入力を有する共振追跡回路66を含み、MFLS58の入力に結合された出力を有する。RTEシステム56は、共振器結合光学系62から受信されてMFLS58に送信される信号を処理するためのアナログ・デジタル(A/D)変換器及びデジタル・アナログ変換器(DAC)などの追加のコンポーネントを含んでもよい。RTEシステム56は、MFLS光学サブアセンブリ60中のスレーブレーザのためのレーザ周波数制御信号を生成し、スレーブレーザの少なくとも1つによって生成された光ビームに一定のオフセットを適用する。例えば、いくつかの実施例において、対応する光ビームについて共振器結合光学系62の光検出器によって検出されるように、一定のオフセットは、1つの共振中心と別の共振中心との間の縦共振モードに基づく。
図3は、共振器ジャイロ50を理解するのに役立つ、例示的な時計回りの強度波形68及び例示的な反時計回りの強度波形70のグラフである。図2及び3を参照すると、例示的な実施例において、CWビームが共振器コイル64のCW方向の共振周波数に合わせられる場合、異なる縦共振モードにおいて生じる共振ディップ72、74を有するCW強度波形68が観察される。同様に、CCWビームが共振器コイル64のCCW方向の共振周波数に合わせられる場合、異なる縦共振モードにおいて生じる共振ディップ76、78を有するCCW強度波形70が観察される。これらの共振ディップ72、74、76、78の中心は、異なる縦共振モードにおける共振周波数を示す。
1つが参照レーザ(又はマスタレーザ)であり他の3つが共振追跡レーザ(又はスレーブレーザ)である4つのレーザを備えたRFOGシステムについて、以下に述べられるように、スレーブレーザは、各スレーブレーザについて独立した制御可能な周波数オフセットを備えた参照レーザに位相ロックされる。スレーブレーザが共振器にロックされる一方、スレーブレーザと参照レーザとの間のビート周波数がジャイロ電子装置の正常な動作限界内にあるように、参照レーザの周波数(fr)が設定される。特に、第1のスレーブレーザは、CW共振周波数fcw又はfに合わせられ、第2のスレーブレーザは、共振器ジャイロ50の0の回転速度におけるCW共振周波数fcw未満の1つの縦モードである第1のCCW共振周波数fccw,1又はfに合わせられ、第3のスレーブレーザは、共振器ジャイロ50の0の回転速度におけるCW共振周波数fcwより高い1つの縦モードである第2のCCW共振周波数fccw,2又はfに合わせられる。
一例において、基準(参照)周波数fは、スレーブ周波数より高くなるように設定される。この例において、スレーブ1、2及び3のそれぞれのスレーブビート周波数は、Δf=f−f、Δf=f−f、及びΔf=f−fである。図2のRTE56は、ダイレクト・デジタル・シンセサイザ(DDS)チップを使用して、3つのビート周波数を生成する。RTE56は、それぞれの共振周波数にスレーブレーザを維持するように3つのビート周波数を制御する。ジャイロデータΔf、Δf及びΔfは、計算(Δf−Δf)−(Δf−Δf)=2ΔfΩを行うプロセッサに出力することができ、ΔfΩは回転速度に比例し、Δf−Δf=ΔfFSR+ΔfΩ、及びΔf−Δf=ΔfFSR−ΔfΩである。したがって、回転測定は、FSR及び関連するバイアス及びバイアス不安定性なしに得られる。
2つのレーザの例示的な実施例において、CWビームは共振周波数Δfcwにおいて共振ディップにロックされる。CCWビームは共振周波数Δfccw,1において共振ディップにロックされ、これは共振器ジャイロ50の0の回転速度におけるCW共振からかけ離れた1つの縦モード(例えば、共振器リング内で適合する1つ少ない波サイクル(wave cycle)を有する)である。隣接モード間の周波数間隔fFSRはフリースペクトルレンジと名付けられる。FSRが光経路長に依存し、それは熱膨張による温度に依存し得るので、生じるバイアスは温度変化のために不安定であるかもしれない。
FSRの影響は、CW共振より低い1つの縦モード(例えば、Δfccw,1)である共振ディップからのCCWビームの周波数を、CW共振より高い1つの縦モード(例えば、Δfccw,2)へ周期的に切り替えることにより、実質的に除去される。CWビームは共振周波数Δfcwにおける共振ディップに維持される。
図4は、図2に示される多重周波数レーザ光源アセンブリ52の1つの実施例のブロック図である。MFLS光学サブアセンブリ60は、第1のスレーブレーザ82、第2のスレーブレーザ84、第3のスレーブレーザ80、光カプラ90、92、94、95、96、97、98、99、100、並びにレーザ80、82及び84の各々の出力に結合された、光カプラ90、92、94、95、96、97、98、99、100の間の光ファイバ86を含む。光ファイバ86は、この例において偏波保持単一モードファイバとして実施される。第1のスレーブレーザ82は、共振器コイル64のCW入力への導入のためにCWビームを生成し、スレーブレーザ80、84は、共振器コイル64のCCW入力への導入のためにCCWビームを生成する。CCWビームの各々の一部は、共振器コイル64のCCW入力への導入に先立ってカプラ100によって組み合わせられる。
参照レーザ発生器210は、マスタレーザ402、周波数弁別器404、光検出器406、差動増幅器408、サーボ電子装置412及びレーザ電流ドライブ413を含む。マスタレーザ402はf0+Δf0の周波数を有する参照レーザビームを生成し、ここでf0は参照レーザビームの中心周波数であり、Δf0はレーザビーム中の周波数雑音又はジッタを表す。参照レーザビームは周波数弁別器404を通過させられる。ここに記載された例において、周波数弁別器404は光共振器として実施される。したがって、周波数弁別器404はまたここでは参照(基準、reference)共振器とも呼ばれる。しかし、他の実施例において、他の種類の周波数弁別器を使用することができることが理解されるべきである。
参照共振器404の周波数−強度変換は、光共振器の線幅を減少させることにより増加される。光共振器の線幅は、共振器内の光損失を減少させて共振器を通じた光路長を増加させることにより減少させることができる。光ファイバリング共振器が使用される場合、光路長は大幅に増加することができ、共振器ファイバ長は十分に長くされる。検出雑音の悪影響を克服するために、光共振器は十分な周波数−強度雑音変換係数を提供することができる。典型的な種類の検出雑音は、レーザ相対強度雑音(RIN)、光子ショット雑音及び光検出器電子雑音である。
通常の光周波数弁別器は、その周波数−強度伝達関数において固有の非線形性を持っている。非線形性は、非常に高い周波数において生じる周波数変動をより低い周波数へダウンコンバートさせ、より低い周波数でのRINをもたらす。しかし、より高い周波数の周波数雑音がより低い周波数のRINへとダウンコンバートされる場合、参照共振器404の出力における全強度変動は、レーザ周波数変動を完全に表すことにはならない。ダウンコンバートされた雑音は、レーザ周波数雑音を低減できる量を制限する。
光共振器について、伝達関数の非線形性は線幅の減少とともに増加する。したがって、ダウンコンバートされた雑音は、線幅の減少とともに増加する。ダウンコンバージョン雑音機構は、検出雑音によって設定される要件とは反対の要件を光共振器の線幅に課する。ダウンコンバートされた雑音の悪影響を最小限にするために、光共振器の線幅は十分に大きい必要がある一方、検出雑音の影響を最小限にするために、線幅は十分に小さい必要がある。ダウンコンバートされたレーザ周波数雑音の悪影響は、より詳細に以下に説明されるように、高い周波数でのレーザ周波数変動を減衰するために、周波数弁別器の前に光フィルタキャビティを導入することにより、実質的に低減することができる。光フィルタキャビティは、周波数弁別器として使用される光共振器に非常に類似するファイバリング共振器であってもよい。しかし、光フィルタキャビティは伝送モードで動作される。
図5に示されるように、参照共振器404は曲線の側面(sides)において高い線形性を備えた広い線幅を持つように構成される。図5に示される例示的な共振曲線は、中心周波数fr及び曲線の側面における線形の部分501を有する。線幅は、参照レーザビームの周波数f0及び雑音Δf0の両方が曲線の線形の部分501上にフィットするのに十分に広い。特に、参照レーザ発生器210は、共振器を介して曲線の線形の部分501へ参照レーザビームをロックする。線形の部分への参照レーザビームのロックにより、共振追跡復調周波数より上の任意のジッタを共振追跡復調周波数における強度雑音にダウンコンバートする際の高調波(ハーモニクス、harmonics)が低減される。換言すれば、ジッタは線形的に強度雑音に変換される。特に、周波数ジッタとして、参照共振器404の出力は、光検出器406に入力される。
光検出器406は、差動増幅器408に出力される電気的な電圧へと線形に変換される強度変動を見る。差動増幅器408は、光検出器406の出力を安定した電圧基準と比較する。差動増幅器408はまた、差動増幅器408の出力へ十分な利得を導入し、その結果、レーザが何らかの方法でジッタを生じるとき、雑音は、差動増幅器408の出力に基づいて制御信号を生成するサーボ電子装置412を使用して取り除かれる。制御信号は、次に周波数を調節する参照レーザビームの電流をマスタレーザ402に調節させる電流ドライバ413へ入力される。ロックされた後、参照レーザの周波数ジッタは、特に低周波数において、より小さくなる。代替的な参照レーザ発生器は図10に関して以下に示され記述される。
図4を参照すると、光カプラ88は、マスタレーザ402からの光の一部をMFLS光学サブアセンブリ60に結合する。マスタレーザ402によってスレーブレーザ80、82及び84を位相ロックするためのフィードバックを提供するために、光カプラ90、92、94、95、96、97、98及び99は、マスタレーザ402からの光をスレーブレーザ80、82及び84からの光と結合する。例えば、マスタレーザ402によって生成された参照レーザビームの一部は、光カプラ92、95、97及び99を介して第1のスレーブレーザ80によって生成されたCWビームの一部と混合される。第2のスレーブレーザ84によって生成されたCCWビームの一部は、光カプラ92、95、96及び98を介して、マスタレーザ402によって生成された参照レーザビームの一部と混合される。同様に、第3のスレーブレーザ80によって生成されたCCWビームの一部は、光カプラ92、94及び90を介して、マスタレーザ402によって生成された参照レーザビームの一部と混合される。
この混合された光はMFLS58に提供される。MFLS58は、レーザ82、84及び80の各々について、位相ロックループ駆動回路102、104及び106をそれぞれ含む。各PLLは、それぞれのスレーブレーザからの光をマスタレーザ402からの光と混合し(ビートさせ、beats)、それぞれのスレーブレーザをマスタレーザ402に従わせる。各スレーブレーザからの光はまた、低周波の雑音又はジッタを有する。しかし、参照レーザビームとの混合の後、各スレーブレーザは、マスタレーザ402にロックされ、低周波のジッタを実質的に除去する。PLL102、104、106からの制御信号出力は、MFLS光学サブアセンブリ60から受信された混合された光及びRTEシステム56からの対応する信号に基づいて、スレーブレーザの周波数を制御する。マスタレーザ402に対するスレーブレーザのロックは低周波のジッタを除去するが、スレーブレーザビーム中の如何なる高周波のジッタも参照レーザビームへのロックによっては減衰されない。本明細書において使用される場合、高周波のジッタとは、あまりに高速であるために電子フィードバックに依存するサーボループを介して制御することができない雑音を指す。同様に、本明細書において使用される場合、低周波のジッタ又は変動は、電子フィードバックに依存するサーボループを介して制御可能な雑音を指す。
MFLS光学サブアセンブリ60はまた、複数の光フィルタキャビティ416、417及び418を含む。光フィルタキャビティ416、417及び418は、スレーブレーザ82、84及び80それぞれからのレーザビームから、高周波のジッタを実質的に取り除く。特に、光フィルタキャビティ416、417及び418は、光フィルタキャビティの時間遅延を介してレーザビーム中の高周波のジッタの伝達を防ぐエネルギー蓄積装置として働く。光フィルタキャビティ416、417及び418の時間遅延は、電子回路の低域通過フィルタに似た、レーザ線幅を超える周波数におけるレーザ強度及び周波数雑音の両方をロールオフ(roll off)し減衰するのに十分である。レーザビームは、サニャック共振器アセンブリ54に導かれる前に十分な減衰を達成するために、それぞれの光フィルタキャビティを1回以上通過することができる。
スレーブレーザビームは共振を決定するために意図的に変調されるので、スレーブレーザビーム周波数の意図的な変調が、より詳細に以下に説明されるように、光フィルタの伝達曲線の内部にあるように、光フィルタキャビティ416、417及び418が構成される。したがって、マスタレーザ402にスレーブレーザ82、84及び80をロックすることと、スレーブレーザからの光を光フィルタキャビティ416、417及び418を通じて渡すこととの組み合わせにより、変調周波数について減衰が最小の状態から減衰がない状態で、低周波のジッタ及び高周波のジッタの両方が実質的に除去される。
この例示的な実施例において、光フィルタキャビティ416、417及び418は、図6に示される例示的なリング共振器キャビティ600などのリング共振器キャビティとして実施される。図6に示されるように、例示的なリング共振器キャビティ600はミラー601、603及び605、並びにチャネル607、609、611を含む。レーザビームはこの例におけるミラー601などのミラー601、603及び605のうちの1つを介してリング共振器キャビティ600に入る。レーザビームがチャネル607、609、611を介してリングを移動するように、レーザビームはミラー601、603、605によって反射される。レーザビームの少なくとも一部は、別のミラー、この例においてはミラー603、を通過し、サニャック共振器アセンブリ54の入力に結合された光ファイバへ入る。時間遅延は、リング共振器キャビティ600のチャネル601、603、605の横断により導入される。したがって、高周波のジッタは、変調されたレーザビームとともにリング共振器キャビティ600を介して伝達されない。
上述のように、(図4における)それぞれの光フィルタキャビティ416、417、418を通過した後に、各レーザビームはサニャック共振器アセンブリの入力に送られる。例えば、スレーブレーザ82からのレーザビームはサニャック共振器アセンブリ54のCW入力に送られる。スレーブレーザ80及び84からのレーザビームは、光カプラ100においてともに結合される。スレーブレーザ80及び84からの結合されたレーザビームは、サニャック共振器アセンブリ54のCCW入力に同一直線上で入っている。
特に、複数の光フィルタキャビティ416、417、418はこの例示的な実施例において使用されるが、単一リング共振器光フィルタキャビティ716を他の実施例において使用することができる。図7のMFLS光学サブアセンブリ760において、スレーブレーザ780及び784の出力は光カプラ100において混合される。光カプラ100の出力及びスレーブレーザ782からのレーザビームの両方は、光フィルタキャビティ716へと入力される。光フィルタキャビティ716が伝送モードの共振器であるので、各スレーブレーザ780、782及び784からの光は光フィルタキャビティ716の共振周波数又はその非常に近くに保たれて、光フィルタキャビティ716を介したスループット損失を最小限にする。スレーブレーザ780及び784からの同一直線上のレーザビームは、光フィルタキャビティ716からサニャック共振器アセンブリのCCW入力に結合された光ファイバへ出力される。スレーブレーザ782からのレーザビームは、サニャック共振器アセンブリのCW入力に結合された光ファイバへ出力される。したがって、CW入力及びCCW入力のためのレーザビームは、図8の例示的なリング共振器光フィルタキャビティ800に関して説明されるような光フィルタキャビティ716からの出力として物理的に分離される。
例示的なリング共振器光フィルタキャビティ800は、ミラー801、803、805、及びチャネル807、809、811を含む。スレーブレーザ784及び780からの混合されたレーザビームは、この例におけるミラー801などの、ミラー801、803、805のうちの1つを介してリング共振器キャビティ800に入る。スレーブレーザ782からのレーザビームは、この例において、同じミラー801を介して光フィルタキャビティ800に入る。しかし、他の実施例において、スレーブレーザ782からのレーザビームが異なるミラーを介して光フィルタキャビティ800に入ることが理解されるべきである。
スレーブレーザ782からのレーザビームは同じミラー801を介して光フィルタキャビティ800に入るが、スレーブレーザ782からのレーザビームが通過する光ファイバは、スレーブレーザ780及び784からの混合されたレーザビームが光フィルタキャビティ800に入る角度とは異なる角度でレーザビームを伝えるように構成される。したがって、スレーブレーザ782からのレーザビームのうち一部のみが適切な角度でミラー803を介して出て、サニャック共振器アセンブリのCW入力に結合された光ファイバ821に入る。同様に、スレーブレーザ784及び780からの混合されたレーザビームの一部のみが適切な角度でミラー805を出て、サニャック共振器アセンブリのCCW入力に結合された光ファイバ823に入る。したがって、CW入力及びCCW入力に入力されるレーザビームは、それらが光ファイバキャビティ800を出るとき、互いから物理的に分離されて維持される。
単一の光ファイバキャビティ800を使用するいくつかの実施例において、光アイソレータ815及び819は、レーザビームの一部がミラー801を出て反対側のファイバを逆方向に戻ることを防止するように含まれる。光アイソレータ815及び819は、光が一方向のみに通過することを可能にする。例えば、光アイソレータ819は、スレーブレーザ780及び784からの混合されたレーザビームが光フィルタキャビティ800へと通過することを可能にする。しかし、ミラー801を出るレーザビーム782の一部は、光アイソレータ819によって、スレーブレーザ784及び780への反対の経路を戻ることを防止される。
図9は、図2に示されるRTEシステム56のような例示的なRTEシステムの概略図である。共振追跡回路66に加えて、RTEシステム56は、オプションとして、いくつかの実施例において、共振追跡ループ925の入力に結合された第1のアナログ・デジタル(A/D)変換器134、共振追跡ループ927及び929の入力に結合された第2のA/D変換器136、共振追跡ループ925の出力に結合されたデジタル・アナログ変換器(DAC)146、並びに共振追跡ループ927及び929の対応する出力に結合されたDAC147、149を含む。A/D変換器136は、共振器結合光学系62から受け取られたCCW光検出器信号をデジタル化する。同様に、A/D変換器136は、共振器結合光学系62から受け取られたCW光検出器信号をデジタル化する。この実施例において、DAC146、147、149は、共振追跡ループ925、927、929の出力をアナログ信号へ変換する。
この例示的な実施例において、共振追跡回路66はフィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)として実施される。しかし、他の実施例において、当業者にとって既知の他のプログラマブル論理デバイスが使用される。共振追跡回路66は、復調器931、933、935及び共振追跡ループ925、927、929を含む。復調器931は、スレーブレーザ82によって生成されたレーザビームの変調周波数に対応する所定の復調周波数fでCW方向の信号を復調する。復調器933は、スレーブレーザ84によって生成されたレーザビームの変調周波数に対応する所定の復調周波数fでCCW方向の信号を復調する。復調器935は、スレーブレーザ80によって生成されたレーザビームの変調周波数に対応する所定の復調周波数fでCCW方向の信号を復調する。
共振追跡ループ925はCWレーザビームをCW共振周波数fにロックし、ビート周波数Δfを示す信号を提供する。同様に、共振追跡ループ927及び929は、CCWレーザビームを対応するCCW共振周波数f又はfにロックし、対応するビート周波数Δf及びΔfを示す信号を提供する。共振追跡ループ925、927及び929の出力は、それぞれ、スレーブレーザ82、84及び80の周波数を制御するためにMFLS58に提供される。また、ビート周波数Δf、Δf、及びΔfは、上述のようにビート周波数に基づいてジャイロの回転速度を計算するために、インタフェース・ロジック170を介してプロセッサに出力することができる。
上述のように、図10は、参照レーザ発生器1000の別の実施例のブロック図である。参照レーザ発生器1000は、参照レーザ発生器210中の対応する構成要素として機能する、参照共振器1004、光検出器1006、差動増幅器1008、サーボ電子装置1012、電流ドライバ1013及びマスタレーザ1002を含む。しかし、参照レーザ発生器1000はまた、光フィルタキャビティ1014と、強度変動を制御する相対強度雑音(RIN)サーボ1016とを含む。光フィルタキャビティ1014は上述の光フィルタキャビティと同様に機能する。特に、光フィルタキャビティ1014は、マスタレーザ1002によって生成されるレーザビームから高周波のジッタを取り除く。レーザビームから高周波のジッタを取り除くことは、参照共振器1004に対する線形性の要件を緩和することを可能にする。共振曲線の側面においてはいまだ線形性を必要とするが、線形性の要件は光フィルタキャビティが使用されない場合ほど厳格ではない。したがって、それほど高価でない参照共振器1004を使用することができる。
RINは、レーザビームの強度における雑音又は変動である。マスタレーザ1002によって最初に出力されたレーザビームはRINを有するかもしれない。また、光フィルタキャビティ1014を通過した後に強度変動がレーザに導入され得る。周波数変動が参照共振器1004を介して線形に強度変動に変換されるので、強度変動は周波数変動と間違われることがあり得る。
RINサーボ1016は、光カプラ1018、光検出器1020、RINサーボ電子装置1022及び強度変調器1024を含む。光カプラ1018は、光信号の強度を電気信号に変換する光検出器1020にレーザビームの一部を結合する。電気信号は、強度変調器1024を制御するためのコマンド信号を生成するRINサーボ電子装置1022に提供される。この例において、強度変調器1024は可変光減衰器として実施される。レーザビームに存在する強度変動を相殺するために、強度変調器1024は等しく且つ反対の強度変動をレーザビームへ導入する。したがって、レーザビームが参照共振器1004に入る場合、RINは、レーザビームから実質的に取り除かれ、参照レーザ発生器1000によって生成された参照レーザの安定性をさらに改善する。いくつかの実施例において、RINサーボ1016と同様のRINサーボはまた、上述のMFLS光学サブアセンブリにおいて各光フィルタキャビティの後に使用されることが理解されるべきである。
さらに、MFLS光学サブアセンブリ1100の代替的な実施例が図11に示され、述べられる。MFLS光学サブアセンブリ1100において、参照レーザ発生器は含まれていない。参照レーザ発生器の代わりに、各レーザ1101、1103及び1105は、参照レーザを介してではなく、参照共振器における共振曲線の線形部分に直接的にロックされる。特に、光フィルタキャビティ1114、RINサーボ1116、参照共振器1104、光検出器1106、差動増幅器1108、サーボ電子装置1112及び電流ドライバ1113を含む光安定化ループは、各レーザ1101、1103及び1105の出力の光学パスに含まれている。要素の各々は図4及び10に関して上述されるように機能する。さらに、いくつかの実施例において、単一の光フィルタ1114は、各レーザ1101、1103及び1105の光安定化ループに光フィルタ1114を含めるのではなく、レーザ1101、1103及び1105のすべてのために使用される。
光カプラ88は、サニャック共振器アセンブリの入力に、安定化されフィルタリングされたレーザビームの一部を結合するために使用される。したがって、MFLS光学サブアセンブリ1100はまた、レーザ1101、1103及び1105によって生成されるレーザビームから、低周波のジッタ及び高周波のジッタの両方を実質的に取り除く。
図12は、共振器ジャイロスコープの回転速度を決定する方法1200の1つの実施例を描くフローチャートである。ブロック1202において、複数のレーザビームが生成される。例えば、いくつかの実施例において、2つのレーザビームがサニャック共振器への入力のために生成される一方、他の実施例においては、3つのレーザビームが上述されるようなサニャック共振器への入力のために生成される。さらに、いくつかの実施例において、複数のレーザビームの生成は参照レーザ発生器中のマスタレーザから参照レーザビームを生成することを含む。
ブロック1204において、複数のレーザビームの各々は、複数のレーザビームの各々から高周波の変動を取り除くために、光フィルタキャビティを通過させられる。例えば、いくつかの実施例において、複数のレーザビームの各々は、レーザビームの各々について、別個の光フィルタキャビティを通過させられる。他の実施例において、複数のレーザビームのうち2つ以上は、図6に関して上述されるような単一リング共振器光フィルタキャビティを通過させられる。
ブロック1206において、複数のレーザビームの各々は、複数のレーザビームの各々から低周波の変動を取り除くために、参照共振器の共振曲線の線形部分の周波数にロックされる。例えば、いくつかの実施例において、複数のレーザビームの各々は、図11に関して上述されるような共振曲線の線形部分の周波数に直接ロックされる。他の実施例において、参照レーザは、共振曲線の線形部分の周波数に直接ロックされ、他のレーザビームは、図4に関して上述されるように参照レーザにロックされる。
ブロック1208において、第1の反対伝播方向の共振周波数に合わせられた複数のレーザビームのうちの1つは、第1の反対伝播方向(例えば、CW方向)でサニャック共振器に提供される。ブロック1210において、上述されるように、複数のレーザビームの少なくとも1つは、第2の反対伝播方向(例えば、CCW方向)でサニャック共振器に提供される。例えば、いくつかの実施例において、2つのレーザビームが第2の反対伝播方向でサニャック共振器に提供される。上述されるように、2つのレーザビームのうちの1つは、第1の反対伝播方向の共振周波数より低い少なくとも1つの共振モードにある共振周波数に合わせられ、もう一方のレーザビームは、第1の反対伝播方向の共振周波数より高い少なくとも1つの共振モードにある共振周波数に合わせられる。他の実施例において、単一のレーザビームが第2の反対伝播方向でサニャック共振器に提供される。単一のレーザビームは、第1の反対伝播方向の共振周波数より低い少なくとも1つの共振モードにある共振周波数と、第1の反対伝播方向の共振周波数より高い少なくとも1つの共振モードにある共振周波数との間で切り替えられる。
ブロック1212において、上述のように共振追跡電子装置を介するなどして、第1の反対伝播方向の第1の共振周波数に基づく第1のビート周波数が決定される。上述のように、ブロック1214において、第2の反対伝播方向の第2の共振周波数に基づく第2のビート周波数が決定され、ブロック1216において、第2の反対伝播方向の第3の共振周波数に基づく第3のビート周波数が決定される。共振器ジャイロスコープの回転速度は、上述のように、第1、第2及び第3のビート周波数の関数である。
図13は、上述の光フィルタキャビティなどの例示的な光フィルタキャビティの光周波数伝達関数を示す。フィルタカットオフ周波数より下の周波数変動は減衰せずにフィルタを通過する一方、フィルタカットオフ周波数より上の周波数変動は減衰される。フィルタカットオフ周波数は光フィルタ共振器の線幅に関連する。より狭い線幅はより低いカットオフ周波数に帰着する。より低いカットオフ周波数は、ダウンコンバートされたレーザ周波数雑音の悪影響を最小限にするために望ましい。しかし、光フィルタカットオフ周波数を低くすることはまた、レーザ安定化サーボ(例えば、サーボ電子装置1012)の帯域幅に対する制限を課することになり得る。レーザ安定化帯域幅が十分に大きくなければ、サーボ電子装置は必要な周波数帯域内でレーザ周波数雑音を十分に低減しない。フィードバック・ループを注意深く設計することによって、フィルタカットオフ周波数によって課される制限を緩和することができる。
図14は、例示的な光フィルタキャビティによって課された制御帯域幅制限に対処するために最適化された参照レーザ発生器1000などの、例示的なフィードバック・ループのためのループ利得の例示的なボード線図を示す。この例において、ループ利得が調和(unity)と交差する場合、合計のループ利得ロールオフは10周波数ごとに(per decade of frequency)20dB以下である。レーザ安定化ループにおいては、上述のように、周波数−強度変換係数が高く非線形性が低い場合、ロック点(lock point)は、周波数弁別器(frequency discriminator)共振器の側面にある。電子積分器を含むループについては、ループ利得の合計の例示的な値は、光フィルタのカットオフより低い10周波数当たり20dBのロールオフ及び光フィルタカットオフ周波数より高い10周波数当たり40dBのロールオフを含む。したがって、この例において、単一の電子積分器が使用される場合、調和利得交差周波数(unity gain crossover frequency)は光フィルタのカットオフ周波数より低い。積分器の伝達関数に0(ゼロ)を導入することによって、光フィルタによって課される制限を取り除くことができる。
図14もまた、サーボ電子装置1012などの、ゼロ点を備えた例示的な電子積分器の例示的なボード線図を示す。積分器の利得は、その伝達関数のゼロ点に達するまで、ゼロ周波数より上で平らになるのではなく、10(周波数)当たり20dBの割合(rate)でロールオフする。これにより、ゼロ周波数が合計のループ利得の調和交差周波数より下でよく生じ、合計のループ利得のロールオフが調和交差周波数において10当たり20dBであるように、全体のループ利得が増加されることが可能となる。したがって、ゼロ点を備えた積分器の使用によって、フィードバック・ループは、光フィルタのカットオフ周波数より大きな制御帯域幅を持つようにすることができる。これにより、光フィルタキャビティのカットオフ周波数は、レーザ周波数雑音のダウンコンバージョンの悪影響を最小限にするように十分に低く設定することが可能となる。たとえ光フィルタが高周波数において周波数雑音を受動的に減衰するとしても、それはループ内にあるので、カプラ88からMFLSへの出力は、いまだ高周波の周波数雑音を有している。しかし、例えば、光フィルタ416、417及び418は、スレーブレーザにおけるこの高周波のレーザ雑音を緩和する。
図15は、光フィルタ共振器1500の例示的な実施例のブロック図である。光フィルタ共振器1500のために非常に小さな低コストの共振器を作るために、シリコン光学台(SiOB)技術がこの例において使用される。この例において、共振器ファイバ1502は圧電変換器(PZT)チューブ1504に巻きつけられる。これにより、制御電圧を介した共振器1500の共振周波数の制御が可能となる。フィルタ共振器サーボ電子装置1506はレーザ周波数において共振器共振周波数を維持する。これによりフィルタ共振器1500を介した光スループットが最大化される。
光フィルタ共振器1500は伝送モードで動作され、高周波の変動の低域フィルタリングを提供する。伝送モードについて、実質的にすべての共振器出力光は共振器コイル1508を通過する。光フィルタ共振器1500はまた、共振器ファイバ1502を介して光の循環を制御するために使用される、シリコン光学台1518上の複数のレンズ1510、ミラー1512及びフォトダイオード1514を含む。
図16は、周波数弁別器共振器1600の例示的な実施例のブロック図である。周波数弁別器共振器1600は反射モードで動作され、レーザ周波数変動に対して非常に高速な応答を提供する。反射モードについて、共振器出力光のかなりの部分は共振器コイル1608を通過していない。周波数弁別器共振器ファイバ1602はまたPZTチューブ1604に巻きつけられ、共振周波数の制御を可能にする。周波数弁別器共振周波数は上述のジャイロサニャック共振器の共振周波数と固定された関係であるように制御される。周波数弁別器共振器1600はまた、この例において、共振器ファイバ1602を介して光の循環を制御するために使用される、シリコン光学台1618上の複数のレンズ1610、ミラー1612、及びフォトダイオード1614を含む。
したがって、上述の実施例は、低周波のジッタ及び高周波のジッタの両方の除去のために、共振器ジャイロの改善された性能を可能にする。例えば、共振器光ファイバジャイロ(RFOG)がサニャック検知要素として共振器を使用するので、狭帯域レーザ光源は、通常、低位相雑音とともに必要とされ、光後方散乱の影響を低減するために標準的な方法と組み合わせる場合、これらの要件はより厳格になる。通常、非常に精緻で高価なレーザのみがこれらの要件を満たす。しかし、上述の技術を使用することにより、サニャック共振器を通過する際、雑音の周波数とまたそのサブハーモニクスの両方において、強度雑音へと修正される(rectifies)高度の高周波位相雑音にもかかわらず、それほど高価でない狭帯域単一モード半導体(SC)レーザを使用することができる。実際、SCレーザにおける位相雑音の周波数は、基準に対してロックすることにより従来の電子式周波数安定化によって安定させるには高すぎることがあり得る。通常の安価な狭帯域SCレーザの高周波位相雑音は、回転測定において、増大した望ましくない不確実性に帰着する。しかし、上述の技術は、低周波の位相雑音及び高周波の位相雑音の両方を実質的に除去して、安価な狭帯域SCレーザの使用を可能にする。さらに、高性能なレーザはまた、位相雑音の低減の恩恵を受け、それによって、回転測定において、増加した感度及び安定性を提供する。
本明細書においては特定の実施例が示されて記述されたが、同じ目的を達成するように意図される任意の配置を示された特定の実施例の代わりに用いてもよいことが当業者によって理解されるであろう。例えば、上述された例示的な実施例は3つのスレーブレーザを含むが、他の実施例において他の適切な数のスレーブレーザを使用することができることが理解されるべきである。特に、1つの例示的な実施例において、2つのスレーブレーザが使用される。そのような実施例において、1つのスレーブレーザはCW入力にレーザビームを提供し、もう1つのスレーブレーザはサニャック共振器アセンブリのCCW入力にレーザビームを提供する。また、3つのレーザに対して2つのレーザを提供するために、適正な変更がRTE追跡回路及びMFLSに対してなされる。したがって、本発明が特許請求の範囲及びその均等物によってのみ制限されることが明白に意図される。

Claims (3)

  1. 参照光を生成するマスタ光源(402)、
    参照光の周波数変動を強度変動へ線形に変換する周波数弁別器(404)、
    フィルタ弁別器の光出力の強度の変動を電気的な電圧へ変換する光検出器(406)、
    前記光検出器の出力電圧を安定した基準電圧と比較する差動増幅器(408)、及び
    前記差動増幅器の出力に基づいて前記マスタ光源に制御信号を提供して、前記参照光の低周波の変動が除去されるように前記マスタ光源を駆動する、サーボ電子装置(412)
    を含む参照レーザ発生器(210)と、
    第1の周波数を有する第1のスレーブ光を生成する、第1の変調周波数を有する第1のスレーブ光源(82)と、
    前記第1のスレーブ光を前記参照光とビートさせ、前記第1のスレーブ光が前記参照光にロックされるように前記第1のスレーブ光源を駆動する、第1の位相ロックループ(PLL)(102)と、
    第2の周波数を有する第2のスレーブ光を生成する、第2の変調周波数を有する第2のスレーブ光源(84)と、
    前記第2のスレーブ光を前記参照光とビートさせ、前記第2のスレーブ光が前記参照光にロックされるように前記第2のスレーブ光源を駆動する、第2の位相ロックループ(PLL)(104)と、
    前記第1及び第2のスレーブ光源の少なくとも1つに結合され、それぞれの第1及び第2のスレーブ光の高周波の変動を取り除く、第1の光フィルタキャビティ(416、716)と、
    前記第1及び第2の光源に結合され、第1及び第2の反対伝播方向を有し、光ファイバコイル(24)を含む共振器(54)であって、前記第1の反対伝播方向に前記光ファイバコイルを介して前記第1のスレーブ光の一部に基づく第1の循環する光を循環させ、第2の反対伝播方向に前記光ファイバコイルを介して前記第2のスレーブ光の一部に基づく第2の循環する光を循環させる、共振器(54)と、
    前記共振器に結合されて、前記第1の反対伝播方向の第1の共振周波数に基づき第1のビート周波数を生成し、前記第2の反対伝播方向の第2の共振周波数に基づき第2のビート周波数を生成し、前記第2の反対伝播方向の第3の共振周波数に基づき第3のビート周波数を生成する、共振追跡電子装置(56)と
    を具備し、
    前記第2の共振周波数は前記第1の共振周波数より低い少なくとも1つの共振モードにあり、前記第3の共振周波数は前記第1の共振周波数より高い少なくとも1つの共振モードにあり、前記共振器ジャイロスコープの回転速度は前記第1、第2及び第3のビート周波数の関数である、
    共振器ジャイロスコープ(50)。
  2. 前記周波数弁別器は共振曲線において線形部分を有する光共振器を含み、前記サーボ電子装置は、周波数変動が強度変動へと線形に変換されるように、前記共振曲線の前記線形部分における周波数へ前記マスタ光源をロックする、
    請求項1に記載の共振器ジャイロスコープ。
  3. 第3の周波数を有する第3のスレーブ光を生成する、第3の変調周波数を有する第3のスレーブ光源と、
    前記第3のスレーブ光を前記参照光とビートさせ、前記第3のスレーブ光が前記参照光にロックされるように前記第3のスレーブ光源を駆動する、第3の位相ロックループ(PLL)と
    をさらに具備し、
    前記共振器は、前記第2の反対伝播方向に前記光ファイバコイルを介して前記第3のスレーブ光の一部に基づく第3の循環する光を循環させる、
    請求項1に記載の共振器ジャイロスコープ。
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