JP2014039027A - 透過モードおよび反射モードの帰還制御部を備えたレーザ - Google Patents

透過モードおよび反射モードの帰還制御部を備えたレーザ Download PDF

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Abstract

【課題】ある周波数の光を生成するためのレーザと、レーザからの光が中を循環するようにレーザに結合された共振器とを含んだ安定化レーザを提供すること。
【解決手段】本レーザはまた、共振器の反射ポートで検知される光に応答して位相ノイズを小さくするために、レーザからの光の周波数を調整するように構成された、Ｐｏｕｎｄ−Ｄｒｅｖｅｒ−Ｈａｌｌ（ＰＤＨ）帰還電子部と、共振器の透過ポートで検知される光に応答して、レーザからの光の周波数を透過ポートにおける共振器の共振に向けて調整するように構成された透過ポート帰還電子部とを含み、透過ポート帰還電子部は、ＰＤＨ帰還電子部の速度の少なくとも１０分の１の速度で周波数を調整する。
【選択図】図１

Description

本願発明の一実施例は、例えば、透過モードおよび反射モードの帰還制御部を備えたレーザに関する。
[0001]レーザの絶対周波数は、安定した共振周波数を有する光リング共振器またはファブリ・ぺロ（線形）共振器などの共振器の透過ポート上にレーザを固定することによって安定化することができる。共振器の透過ポート（本明細書においては「透過モード」とも呼ばれている）を使用することにより、共振器反射ポートよりはるかに小さい共振線形非対称性を有することができる。反射ポートにおける線形非対称性は、共振器を通って移動する光と共振器によって阻止される光の間のモード不整合によるものであることが考えられる。この不整合は、偏光モードまたは空間モードのいずれかにおける不整合であることが考えられる。透過ポートに存在するのは共振器を通って移動する光のみであるため、これらのタイプの線形非対称性は透過ポートには存在しない。
[0002]透過ポート上にレーザを固定するトレードオフは、共振器を介した伝搬遅延がレーザ固定ループの帯域幅（すなわち速度）に制限を課すことである。多くの用途には、低い周波数における絶対レーザ周波数変動を小さくすることのみならず、より高い周波数での絶対レーザ周波数変動を小さくする願望が存在している。特定の周波数におけるレーザ周波数変動の低減は、その周波数におけるレーザ固定ループの利得で決まる。多くの用途では、より高い周波数での絶対レーザ周波数変動を小さくするためには、共振器の透過ポートを使用する場合には達成することができないレーザ固定ループ帯域幅が必要である。
[0003]帯域幅がより広いレーザ固定ループを達成するためには、Ｐｏｕｎｄ−Ｄｒｅｖｅｒ−Ｈａｌｌ（ＰＤＨ）技法を使用することができる。ＰＤＨ技法（本明細書においては「反射モード」とも呼ばれている）の場合、レーザは、極めて高い周波数における位相変調を使用することによって共振器の反射ポートに固定される。ＰＤＨ技法を使用することにより、共振器を通って移動する光に何らかの変化が生じる前に、レーザ周波数の高速変化を反射ポートで検出することができる。それは、レーザ周波数または位相が高速で変化すると、共振器によって反射した光がほぼ瞬時に変化し、共振器から射出する光を干渉することによるものである。この干渉により、反射ポートにおける光強度がほぼ瞬時に変化する。したがって反射ポートにおけるこの光を使用して、レーザ周波数または位相の変化を速やかに識別することができる。共振器を介した長い伝搬遅延は、もはやレーザ固定ループ帯域幅に対する制限にはならない。
本願発明の一実施例は、例えば、透過モードおよび反射モードの帰還制御部を備えたレーザに関する。
[0004]一実施形態は、ある周波数の光を生成するためのレーザと、レーザからの光が中を循環するようにレーザに結合された共振器とを含んだ安定化レーザを対象とする。また、レーザは、また、共振器の反射ポートで検知される光に応答して位相ノイズを小さくするために、レーザからの光の周波数を調整するように構成されたＰｏｕｎｄ−Ｄｒｅｖｅｒ−Ｈａｌｌ（ＰＤＨ）帰還電子部と、共振器の透過ポートで検知される光に応答して、レーザからの光の周波数を透過ポートにおける共振器の共振に向けて調整するように構成された透過ポート帰還電子部とを含み、透過ポート帰還電子部は、ＰＤＨ帰還電子部の速度の少なくとも１０分の１の速度で周波数を調整する。
[0005]図面は例示的実施形態を示したものにすぎず、したがって範囲を限定するものと見なしてはならず、これらの例示的実施形態は、添付の図面を使用することにより、追加特性および詳細と共に説明されることを理解されたい。
[0006]透過モードおよび反射モードの帰還制御部を備えたレーザを含んだシステムの一例のブロック図である。 [0007]Ｐｏｕｎｄ−Ｄｒｅｖｅｒ−Ｈａｌｌ（ＰＤＨ）帰還制御部を備えたレーザおよび図１の透過モード帰還制御部を備えた一例のブロック図である。 [0008]レーザアセンブリおよび図２のＰＤＨ帰還制御部の一例のブロック図である。 [0009]レーザアセンブリおよび図２のＰＤＨ帰還制御部の他の例のブロック図である。 [0010]レーザアセンブリおよび図２のＰＤＨ帰還制御部のさらに他の例のブロック図である。 [0011]図２の透過モード帰還制御部の一例のブロック図である。 [0012]図２の透過モード帰還制御部の他の例のブロック図である。 [0013]ＰＤＨ帰還制御部を備えたレーザおよび図１の透過モード帰還制御部の他の例のブロック図である。 [0014]ＰＤＨ帰還制御部を備えたマスタレーザ、マスタレーザに固定されたスレーブレーザおよび図８の透過モード帰還制御部の一例のブロック図である。 [0015]透過モードおよび反射モードの帰還制御部を備えたレーザを含んだ共振器光ファイバジャイロスコープ（ＲＦＯＧ）の一例のブロック図である。 [0016]図１０の共振器内の時計方向の強度波形および反時計方向の強度波形の一例のグラフである。 [0017]透過モードおよび反射モードの帰還制御部を備えたレーザを含んだＲＦＯＧの他の例のブロック図である。 [0018]透過モードおよび反射モード帰還制御部を備えたレーザを含んだＲＦＯＧのさらに他の例のブロック図である。
[0019]一般的な実践に従って、説明されている様々な特徴は縮尺通りではなく、例示的実施形態に関連する特定の特徴を強調して描かれている。
[0020]以下の詳細な説明には、本明細書の一部をなしている添付の図面が参照されており、これらの図面には、例示として特定の例示的実施形態が示されている。しかしながら、他の実施形態を利用することも可能であること、および論理的、機械的および電気的な変更を加えることも可能であることを理解されたい。さらに、図に示されている方法および仕様は、個々のステップを実施することができる順序を限定するものとして解釈してはならない。したがって、以下の詳細な説明は、本発明を限定する意味で解釈してはならない。
[0021]本明細書において使用されているように、「光源」および「レーザ」という用語は交換可能である。同様に、本明細書において使用されているように、「レーザビーム」および「光」という用語も交換可能である。
[0022]上で説明したＰＤＨ技法に対するトレードオフは、共振器線形非対称性による変動のため、固定レーザ周波数が緩やかに変動する可能性があることである。モード不整合によって生じる線形非対称性は、温度変化または他の環境変化によって変化することがある。共振器光ファイバジャイロスコープ（ＲＦＯＧ）を使用した回転検知などのいくつかの用途では、レーザ絶対周波数の安定性は、レーザと回転検知共振器の共振周波数の間の相対周波数の安定性ほどには重要ではない。ＲＦＯＧ用途の場合、レーザと、低い周波数に対して安定である検知共振器との間の相対周波数を０．００１Ｈｚ以下程度にする願望が存在している。
[0023]図１は、透過モードおよび反射モードの帰還制御部を備えたレーザ１０２を含んだシステム１００の一例のブロック図である。レーザ１０２は、レーザ１０２からの光が共振器１０６を通って循環するように共振器１０６に結合されている。共振器１０６は、光を共振器１０６中に結合し、かつ、共振器１０６から射出させ、また、光を共振器１０６内を循環させるための第１および第２の結合器１０８、１１０を含む。結合器１０８、１１０は、鏡、光ファイバ結合器、導波路または他の適切な構成要素を備えることができる。２つの結合器１０８、１１０の場合、共振器１０６は、結合器１０８、１１０の各々に２個ずつ、合計４個のインプット／アウトプットポートを含む。この例では、レーザ１０２からの光は、第１の結合器１０８の第１のポート中に送られる。したがって第１の結合器１０８は、レーザ１０２からの光を第１の方向（例えば反時計方向）に共振器１０６中に結合する。共振器１０６中に結合された光は、その光が共振器１０６中に結合されたポートに基づいて「透過ポート」および「反射ポート」を有する。例えばレーザ１０２からの光に対する反射ポートは、第１の結合器１０８の第２のポートであり、また、レーザ１０２からの光に対する透過ポートは、第２の結合器１１０の第１のポートである。
[0024]レーザ１０２は、反射ポートからの光に基づく帰還制御部（本明細書においては「反射モード帰還制御部」とも呼ばれている）および透過ポートからの光に基づく帰還制御部（本明細書においては「透過モード帰還制御部」とも呼ばれている）を備えた共振器１０６を使用して周波数が安定化される。透過モードおよび反射モードの帰還制御部の両方を使用して、高い周波数および低い周波数の両方でレーザ１０２を安定化することができる。本明細書において説明されている反射モード帰還制御部は、本明細書においてはＰＤＨ帰還制御部とも呼ばれているＰｏｕｎｄ−Ｄｒｅｖｅｒ−Ｈａｌｌ（ＰＤＨ）技法を使用してレーザ１０２の位相ノイズを小さくする。ＰＤＨ帰還制御部を備えたレーザ１０２は、反射ポートからの光を検知する第１の光検出器１１２から信号を受け取る。透過モード帰還制御部は、透過モード帰還制御電子部（ＦＣＥ）１０４によって実施することができ、レーザ１０２を透過ポートにおける共振器１０６の共振中心に固定する（本明細書においては単純に「共振」とも呼ばれている）ことにより、レーザの周波数の変動を常に修正することができる。透過モードＦＣＥ１０４は、透過ポートからの光を検知する第２の光検出器１１４から信号を受け取る。したがってＰＤＨ帰還制御部は、レーザ１０２の位相ノイズを小さくすることができ、また、透過モード帰還制御部は、ＰＤＨ帰還制御部の変動（例えばバイアス）エラーを修正することができる。いくつかの用途では、共振器１０６が自走レーザ周波数より安定した共振周波数を有している場合、絶対レーザ位相ノイズおよび周波数ずれが低減される。ＲＦＯＧ用途の場合、共振器１０６に対するレーザ位相ノイズおよび周波数ずれが低減され、したがってジャイロスコープの角度ランダムウォーク（ＡＲＷ）およびバイアス不安定性が小さくなる。一例では、透過モード帰還制御部は、ＰＤＨ帰還制御部が周波数を調整する速度の少なくとも１０分の１の速度でレーザの周波数を調整するように構成されている。
[0025]図２は、ＰＤＨ帰還制御部を備えたレーザ１０２およびシステム１００の透過モード帰還制御部の一例のブロック図である。この例では、ＰＤＨ帰還制御部を備えたレーザ１０２は、共振器１０６の第１の結合器１０８に結合されたレーザアセンブリ２０２を含む。レーザアセンブリ２０２は、共振器１０６内を循環する光を生成するように構成されている。また、ＰＤＨ帰還制御部を備えたレーザ１０２は、また、レーザアセンブリ２０２からの光の周波数を共振器１０６の反射ポートの共振に固定するためのＰＤＨ帰還制御電子部（ＦＣＥ）２０４を含む。ＰＤＨ ＦＣＥ２０４はレーザアセンブリ２０２に結合され、レーザアセンブリ２０２からの光をＰＤＨ変調信号を使用して周波数変調するように構成されている。一例では、ＰＤＨ変調信号は、１〜１００ＭＨｚの範囲内の周波数を有する正弦波信号である。また、ＰＤＨ ＦＣＥ２０４は、同じく共振器１０６に結合され、共振器１０６の反射ポートからの光を検知し、かつ、ＰＤＨ変調信号に基づいて光を復調するように構成されている。この復調に基づいて、ＰＤＨ ＦＣＥ２０４は、レーザアセンブリ２０２からの光の周波数を反射ポートにおける共振器１０６の共振に向けて調整するためのＰＤＨエラー信号を生成する。レーザアセンブリ２０２からの光は周波数変調されるため、ＰＤＨエラー信号は、光の時間平均周波数の値を調整するように構成されている。
[0026]透過モードＦＣＥ１０４は、レーザアセンブリ２０２からの光を共振器１０６の透過ポートの共振に固定する。透過ポートにおける共振中心を検出するために、透過モードＦＣＥ１０４は、レーザアセンブリ２０２からの光を透過モード変調信号を使用して周波数変調する。一例では、透過モード変調信号は、１〜１００ＫＨｚの範囲内の正弦波信号である。透過モード変調信号は、共振器１０６の透過ポートにおける共振トラッキングエラー信号を透過モード変調信号の周波数で生成する。したがって透過モードＦＣＥ１０４は、共振器１０６の透過ポートからの光を検知し、かつ、透過モード変調信号に基づいて光を復調するように構成されている。この復調に基づいて、透過モードＦＣＥ１０４は、レーザアセンブリ２０２からの光の周波数を透過ポートにおける共振器１０６の共振に向けて調整するための透過モード調整信号を生成する。一例では、透過モード変調信号は、ＰＤＨ変調信号の周波数の少なくとも１０分の１の周波数を有している。
[0027]透過モード調整信号および透過モード変調信号は、レーザアセンブリ２０２からの光の周波数を変調し、かつ、制御するためにＰＤＨエラー信号を調整するように構成されている。詳細には、透過モード変調信号はＰＤＨエラー信号を変調し、また、透過モード調整信号は、ＰＤＥエラー信号に時間平均シフトを適用する。この例では、透過モード調整信号、透過モード変調信号は、透過モード調整信号が差動増幅器（本明細書においては「減算器」とも呼ばれている）２０６でＰＤＨエラー信号から引かれるよう、ＰＤＨエラー信号と結合される。次に、レーザアセンブリ２０２を調整するための結合調整信号を形成するために、結果として得られる信号が積分器（例えばサーボ増幅器）２０８で積分される。多くの共振器線形非対称性エラーがない透過モード調整信号は、透過ポートにおける共振エラーに基づいてＰＤＨループの入力にエラー修正信号を提供することにより、ＰＤＨエラー信号中のドリフトエラーを修正するために使用される。透過モード調整信号は、反射ポートにおける線形非対称性によって誘導されるＰＨＤ制御ループ中のエラー、またはＰＤＨループに関連する他のエラーを相殺することができる。
[0028]図３は、システム１００のレーザアセンブリ２０２およびＰＤＨ ＦＣＥ２０４の一例のブロック図である。ＰＤＨ ＦＣＥ２０４は、光検出器１１２からの電気信号を、該電気信号を信号発生器３０６からのＰＤＨ変調信号の位相ずれバージョンと混合することによって復調するための混合器３０４を含む。減算器２０６に送られるＰＤＨエラー信号を生成するために、結果として得られる混合器３０４からの信号が低域通過フィルタ３０８によってフィルタリングされる。レーザアセンブリ２０２からの光を変調するために、ＰＤＨ ＦＣＥ２０４は、ＰＤＨ変調信号を、該ＰＤＨ変調信号を積分器２０８によって生成される結合調整信号と結合する他の加算器３１０に送ることによって結合調整信号を変調する。結果として得られる信号は、レーザの周波数を制御するためにレーザ３１２に送られる。一例では、レーザ３１２は、広帯域幅周波数同調および制御を可能にする半導体レーザである。レーザアセンブリ２０２は、レーザに入射する後方反射光を隔離するためのアイソレータ３１４を含むことも可能である。
[0029]図４は、システム１００のレーザアセンブリ２０２およびＰＤＨ ＦＣＥ２０４の他の例のブロック図である。この例では、ＰＤＨ ＦＣＥ２０４は、図３に関連して説明したように、この場合も同様にＰＤＨエラー信号を復調し、かつ、送る。しかしながら、ここでは、ＰＤＨ ＦＣＥ２０４は、位相変調器４０２にＰＤＨ変調信号を加えることによってレーザアセンブリ２０２からの光を変調する。位相変調器４０２は、レーザ３１２と共振器１０６の間に結合され、レーザ３１２からの光の位相を変調するように構成されている。一例では、位相変調器４０２はニオブ酸リチウム位相変調器である。
[0030]図５は、システム１００のレーザアセンブリ２０２およびＰＤＨ ＦＣＥ２０４のさらに他の例のブロック図である。この例においても、ＰＤＨ ＦＣＥ２０４は、図４に示されている場合と同様、レーザアセンブリ２０２からの光を変調する。しかしながら、ここでは、ＰＤＨ ＦＣＥ２０４は、レーザアセンブリ２０２からの光の周波数を二ヶ所で調整する。高速ループは、位相変調器４０２に加えられるＰＨＤ変調信号を調整し、また、低速ループは、図３および図４に関連して説明したように、この場合も同様にレーザ３１２を調整する。高速ループは、ＰＤＨ帰還制御部がレーザ３１２の同調能力より広い（速い）帯域幅を有している場合に使用することができる。これを考慮するために、位相変調器４０２は、高速ループによって提供されるより広い帯域幅調整を適用する。高速ループは、帯域通過フィルタ５０２を介して送られ、次に加算器５０４でＰＤＨ変調信号と加算されるＰＤＨエラー信号を備えている。これは、ＰＤＨ変調信号に短期間平均シフトを提供し、このＰＤＨ変調信号は、次に、レーザ周波数の短期間ジッタを相殺するために位相変調器４０２に加えられる。また、ＰＤＨエラー信号は、また、図２〜図４に関連して上で説明したように透過モード調整信号との差を得るために低速ループ上の減算器２０６に送られる。
[0031]図６は、システム１００の透過モードＦＣＥ１０４の一例のブロック図である。透過モードＦＣＥ１０４は、光検出器１１４からの電気信号を、該電気信号を信号発生器６０６からの透過モード変調信号の位相ずれバージョンと混合することによって復調するように構成された混合器６０４を含む。加算器６１２で透過モード変調信号と加算される前に積分器６１０によって積分される透過モード調整信号を生成するために、結果として得られる混合器６０４からの信号が低域通過６０８によってフィルタリングされる。結合された透過モード調整信号および変調信号は減算器２０６に送られ、レーザアセンブリ２０２を調整するためにレーザアセンブリ２０２に加えられる前にＰＤＨエラー信号から引かれる。この例では、混合器６０４、信号発生器６０６、低域通過フィルタ６０８、積分器６１０および加算器６１２はアナログ構成要素である。
[0032]図７は、システム１００の透過モードＦＣＥ１０４の他の例のブロック図である。この例では、透過モードＦＣＥ１０４は、光検出器１１４からの電気信号をディジタル処理し、かつ、減算器２０６でＰＤＨエラー信号と加算するための透過モード調整信号および変調信号をディジタル生成する。透過モードＦＣＥは、１つまたは複数のメモリ素子に結合された１つまたは複数の処理デバイスを含むことができ、１つまたは複数のメモリ素子は、１つまたは複数の処理デバイスが透過モード帰還制御を実施することになる命令をその上に有している。１つまたは複数の処理デバイスは、ディジタル信号プロセッサ、ＦＰＧＡまたは他の処理デバイスを含むことができる。アナログ／ディジタル変換器（ＡＤＣ）は、光検出器１１４からの電気信号をディジタル信号に変換することができる。１つまたは複数の処理デバイスは、次に、信号発生器７０６、混合器７０８、フィルタ７０９および積分器７１０の機能をディジタル的に実施することができる。１つまたは複数の処理デバイスは、これらの信号発生器７０６、混合器７０８、フィルタ７０９および積分器７１０が図６に関連して説明した信号発生器６０６、混合器６０４、フィルタ６０８および積分器６１０の機能と実質的に同じ機能を実施するようにこれらの機能を実施することができる。信号発生器７０６は直接ディジタルシンセサイザ（ＤＤＳ）であってもよい。フィルタ７０９は低域通過フィルタであってもよく、また、混合器７０８の出力を特定の時間期間および変調サイクルにわたって平均するディジタルアキュムレータを使用して実施することができる。
[0033]結果として得られる積分器７１０からの調整信号は、加算器７１２に送るためのアナログ透過モード調整信号を生成するディジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）７０２に提供される。加算器７１２は、透過モード調整信号を信号発生器７０６からの透過モード変調信号と結合する。結合された信号は減算器２０６に送られる。透過モード帰還制御部のいくつかの例は、より低い速度で動作するため、透過モード帰還制御部は、上で説明したようにディジタル的に実施することができ、したがって透過モード調整信号の精度を改善することができる。さらに、ＰＤＨ帰還制御部は、大きい周波数エラーを調整するために使用することができるため、ＰＤＨ帰還制御部と透過モード帰還制御部を組み合わせることにより、透過モード帰還制御部に対するあらゆる速度要求事項をさらに緩和することができる。さらに、要求事項のこの緩和により、透過モード帰還制御部をディジタル的に実施することができる。
[0034]図８は、ＰＤＨ帰還制御部を備えたレーザ１０２およびシステム１００の透過モード帰還制御部の他の例のブロック図である。この例では、ＰＤＨ帰還制御部を備えたレーザ１０２は、ＰＤＨ帰還制御部を備えたマスタレーザ８０２およびマスタレーザ８０２に固定されるスレーブレーザ８０４として実施されている。スレーブレーザ８０４をマスタレーザ８０２に固定することにより、ＰＤＨ帰還制御部の周波数ノイズ低減を備えたスレーブレーザ８０４が提供される。このマスタ／スレーブセットアップを使用することにより、ＰＤＨエラー信号を変調することなくスレーブレーザ８０４を透過モード変調信号によって周波数変調することができる。
[0035]透過モード変調信号が共振器１０６の準位幅と比較して大きい場合、ＰＤＨエラー信号を図２〜図７に関連して説明したように変調することによってひずみを変調することができる。図８に示されているマスタ／スレーブセットアップを使用してＰＤＨエラー信号と透過モード変調信号を分離することにより、このひずみを小さくすることができる。ＰＤＨエラー信号はマスタレーザ８０２を制御し、また、透過モード変調信号はスレーブレーザ８０４を変調する。
[0036]マスタレーザ８０２は、ＰＤＨ帰還制御部を使用して反射ポートにおける共振器１０６の共振に固定される。スレーブレーザ８０４は、光位相固定ループ（ＰＬＬ）を使用してマスタレーザ８０２に固定される。ＰＬＬは、スレーブレーザ８０４にＰＤＨ制御マスタレーザ８０２の低周波ノイズ品質を提供する。マスタレーザ８０２からの光は、スレーブレーザ８０４に固定するために結合器８０６を介してスレーブレーザ８０４に結合される。スレーブレーザ８０４は、マスタレーザ８０２とスレーブレーザ８０４の間に一定の周波数差ｆｄｉｆｆが存在するように設定される（以下で説明する透過モード調整信号にもかかわらず）。ｆｄｉｆｆは、マスタレーザ８０２、スレーブレーザ８０４または共振器１０６が動作中に変化しても変わらないため、一定である。ｆｄｉｆｆは、システム１００の初期動作に先立って、あるいは初期動作中に、共振器１０６の共振モードに基づいて設定される。詳細には、マスタレーザ８０２が共振器１０６の所与の共振モードに設定されると、ｆｄｉｆｆは、スレーブレーザ８０４が共振器１０６の異なる共振モード（例えば別の１つの共振モード）になるように設定される。
[0037]周波数差ｆｄｉｆｆは、透過モードＦＣＥ１０４からスレーブレーザ８０４への周波数差信号によって設定される。ｆｄｉｆｆは、ＤＤＳなどの透過モードＦＣＥ１０４内の極めて安定した周波数源によって決定される。したがってマスタレーザ８０２は、概ね第１の周波数の光を出力し、また、スレーブレーザ８０４は、第１の周波数とはｆｄｉｆｆだけ離れた概ね第２の周波数の光を出力する。マスタレーザ８０２およびスレーブレーザ８０４の両方の周波数が変調され、それに応じて変化する。したがって第１および第２の周波数は、マスタレーザ８０２およびスレーブレーザ８０４の平均周波数である。一例では、マスタレーザ８０２の第１の（平均）周波数は、共振器１０６の第１の共振モードで設定され、また、スレーブレーザ８０４の第２の（平均）周波数は、共振器１０６の第２の共振モードで設定される。他の結合器８０８は、マスタレーザ８０２からの光とスレーブレーザ８０４からの光を結合し、いずれも共振器１０６の第１の結合器１０８に送られ、共振器１０６を通って循環する。
[0038]図２〜図７で説明した例と同様、透過モードＦＣＥ１０４は、また、スレーブレーザ８０４からの光の（平均）周波数を調整するための透過モード調整信号（Δｆ）を提供する。図２〜図７で説明した例と同様、透過モード調整信号は、透過ポートにおける共振トラッキングエラー信号に基づくスレーブレーザ８０４の周波数に対する調整からなっている。詳細には、透過モードＦＣＥ１０４からの調整（Δｆ）は、スレーブレーザ８０４を透過ポートにおける共振に固定する。したがってこの調整（Δｆ）は、スレーブレーザ８０４および共振器１０６の変化に応じて常に変化する。
[0039]また、透過モードＦＣＥ１０４は、また、図２〜図７に関連して上で説明した透過モード変調信号と同様の透過モード変調信号をスレーブレーザ８０４に提供する。したがって透過モードＦＣＥ１０４は、スレーブレーザ８０４とマスタレーザ８０２の間の周波数差ｆｄｉｆｆ、透過モード変調信号および透過モード調整信号（Δｆ）を含んだ複合信号をスレーブレーザ８０４に提供する。透過モードＦＣＥ１０４からのこの複合信号により、スレーブレーザ８０４がｆｄｉｆｆ＋マスタレーザ８０２からのΔｆに等しい平均周波数に設定され、その平均周波数は透過モード変調信号によって変調される。透過モード調整信号は、Δｆを調整することによってスレーブレーザ８０４の共振を維持することができる。ＰＤＨ帰還制御部の使用によるマスタレーザ８０２へのスレーブレーザ８０４の固定と、透過モード帰還制御部の使用による透過ポートへのスレーブレーザ８０４の周波数の固定とを組み合わせることにより、ＰＤＨ帰還制御部の帯域幅内の周波数ノイズが小さく、かつ、周波数ずれが小さいスレーブレーザ８０４が提供される。次に、スレーブレーザ８０４からの光を使用して正確に回転を測定することができる。
[0040]図９は、ＰＤＨ帰還制御部を備えたマスタレーザ８０２、スレーブレーザ８０４およびＰＬＬ、ならびに図８に示されている透過モード帰還制御部１０４の一例のブロック図である。ＰＤＨ帰還制御部を備えたマスタレーザ８０２は、共振器１０６内を循環する光を生成するように構成されたレーザアセンブリ２０２を含む。また、ＰＤＨ帰還制御部を備えたマスタレーザ８０２は、また、レーザアセンブリ２０２からの光の周波数を共振器１０６の反射ポートにおける共振に固定するためのＰＤＨ ＦＣＥ２０４を含む。ＰＤＨ ＦＣＥ２０４およびレーザアセンブリ２０２は、図２に関連して説明したように機能する。しかしながら、この例では、透過モード変調信号および透過モード調整信号はＰＤＨエラー信号と加算されない。その代わりにＰＤＨエラー信号は、透過モードＦＣＥ１０４からの調整を必要とすることなくレーザアセンブリ２０２を制御する。これによりレーザアセンブリ２０２が反射ポートにおける共振器１０６の共振に固定される。図３〜５で説明したレーザアセンブリ２０２およびＰＤＨ ＦＣＥ２０４の任意の例を使用することができる。
[0041]図８に関連して説明したように、レーザアセンブリ２０２からの光は、スレーブレーザ８０４に固定するために結合器８０６を介してスレーブレーザ８０４に結合される。スレーブレーザ８０４は、光ＰＬＬ内にレーザ９０２を含む。一例ではレーザ９０２は半導体レーザである。スレーブレーザ８０４のＰＬＬは、レーザ９０２からの光をＰＬＬ中に結合するための結合器９０４、およびレーザ９０２からの光とマスタレーザ８０２からの光を結合するための他の結合器９０６を含む。この組合せは、光に基づいて電気信号を生成する光検出器９０８に送られる。この電気信号は、混合器９１０で透過モードＦＣＥ１０４からの信号と混合され、次に積分器９１２によって積分され、レーザ９０２を制御する前に位相遅れが補償される。結果として得られるレーザ９０２からの信号は、レーザアセンブリ２０２からの信号と結合され、共振器１０６に送られる。
[0042]上で言及したように、透過モードＦＣＥ１０４からの信号は、透過モード変調信号、透過モード調整信号（Δｆ）および一定の周波数差（ｆｄｉｆｆ）を含む。透過モード変調信号および透過モード調整信号はディジタル生成される。ＡＤＣ７０４、混合器７０８、フィルタ７０９、積分器７１０および加算器７１２は、図７に関連して説明した機能と実質的に同じ機能である。透過モード変調信号は、９１２で正弦波のディジタル表現として生成される。図７に関連して言及したように、混合器７０８、フィルタ７０９、積分器７１０、加算器７１２および正弦波９１６のディジタル表現は、１つまたは複数のディジタル処理デバイスによって実施される機能である。結合された透過モード変調信号および透過モード調整信号は、加算器７１２から加算器９１４へ送られ、そこでそれらと一定の周波数差ｆｄｉｆｆを表す固定値が結合される。上で説明したように、この周波数差ｆｄｉｆｆは、スレーブレーザ８０４の周波数とマスタレーザ８０２の周波数の間の公称オフセットである。また、ｆｄｉｆｆおよび加算器９１４も、図７に関連して説明したように、１つまたは複数の処理デバイスによって実施されるディジタル機能である。加算器９１４の出力は、典型的にはＤＤＳである正弦波発生器９１８に送られる。正弦波発生器９１８の出力は、加算器９１４からの結合信号に比例する周波数を有する正弦波である。
[0043]結果として得られる透過モードＦＣＥ１０４からの複合信号は、混合器９１０でスレーブレーザ８０４のＰＬＬ内の信号と混合される。混合器９１０での透過モード変調信号中への混合はレーザ９０２を変調し、また、透過モード調整信号中への混合は、レーザ９０２を透過ポートにおける共振に固定する。混合器９１０での周波数差ｆｄｉｆｆ中への混合は、レーザ９０２とレーザアセンブリ２０２の間にｆｄｉｆｆに等しい一定の周波数差が存在するようにレーザ９０２を設定する。レーザ９０２からの光とレーザアセンブリ２０２からの光を結合器９０６で結合するとうなり周波数が生じる。このうなり周波数がｆｄｉｆｆに等しい場合、この制御によってはレーザ９０２は変化せず、スレーブレーザ８０４はマスタレーザ８０２に固定されることになり、それらの間にｆｄｉｆｆに等しい一定の周波数差が得られる。ｆｄｉｆｆを適切に選択すると、この固定により、スレーブレーザ８０４をマスタレーザ８０２の共振モードとは異なる共振モードにすることができ、また、ＰＤＨ帰還制御部を備えたマスタレーザ８０２の周波数ノイズを小さくすることができる。
[0044]図１０は、図８および図９に関連して説明した透過モードおよび反射モードの帰還制御部を備えた共振トラッキングレーザを含んだ共振器光ファイバジャイロスコープ（ＲＦＯＧ）１０００の一例のブロック図である。透過モードおよび反射モードの帰還制御部を備えた共振トラッキングレーザを使用することにより、共振トラッキングレーザ１００２、１００４、１００６をジャイロスコープ共振器１０６に固定し、それによりレーザ１００２、１００４、１００６と共振器１０６の間の相対ノイズを小さくすることができる。これは、位相ノイズを有するレーザを使用した、振動環境におけるジャイロスコープの性能を改善することができる。また、図１０の例は、ＰＤＨループのバイアスエラーを修正するために、透過ポートからの情報を同じく使用する。
[0045]ＲＦＯＧ１０００における回転検知のために使用される共振トラッキングレーザ１００２、１００４、１００６は、図８および図９に関連して説明したマスタ／スレーブセットアップと同様のマスタ／スレーブセットアップを使用して透過モードおよび反射モードの帰還制御部を達成し、これらの共振トラッキングレーザはマスタレーザ１００８に対するスレーブレーザである。しかしながら、図８および図９に関連して説明した単一のスレーブレーザの代わりに複数のスレーブレーザが使用され、少なくとも、ジャイロスコープ共振器１０６を通って第１の方向に循環させるための第１のスレーブレーザ、および共振器１０６を通って第２の方向に、第１のスレーブレーザとは逆方向に伝搬させるための第２のスレーブレーザが使用される。図１０に示されている例は、第１のスレーブレーザアセンブリ１００２、第２のスレーブレーザアセンブリ１００４および第３のスレーブレーザアセンブリ１００６（本明細書においては単純に第１、第２および第３の「レーザ」とも呼ばれている）を含む３つのスレーブレーザを有している。第１のスレーブレーザアセンブリ１００２からの光は、共振器１０６中に結合されて第１の方向に伝搬し、また、第２および第３のスレーブレーザアセンブリ１００４、１００６からの光は、共振器１０６中に結合されて、共振器１０６を通って第２の方向に、第１のスレーブレーザアセンブリ１００２からの光とは逆方向に伝搬する。一例では、第１、第２および第３のスレーブレーザ１００２、１００４、１００６は同様の構成要素を含む。図１０は、第１のスレーブレーザ１００２の構成要素を示しており、第２および第３のスレーブレーザ１００４、１００６も同様の構成要素を含むことができる。
[0046]スレーブレーザ１００２、１００４、１００６の各々は、ジャイロスコープ共振器１０６からの透過モード帰還および反射モード帰還を使用して安定化される。つまりスレーブレーザ１００２、１００４、１００６の各々は、回転検知のために使用される共振器１０６からの帰還に基づいて制御される。回転検知のために、また、透過モード帰還および反射モード帰還のために、基準共振器を使用するのではなく、同じ共振器１０６を使用することにより、レーザ１００２、１００４、１００６とジャイロスコープ共振器１０６の間の相対周波数ノイズが低減され、それによりＲＦＯＧ１０００の性能を改善することができる。
[0047]スレーブレーザ１００２、１００４、１００６の周波数ノイズを小さくするための反射モード帰還は、スレーブレーザ１００２、１００４および１００６の各々をＰＤＨ帰還制御部を備えたマスタレーザ１００８に固定することによって達成される。ＰＤＨ帰還制御部を備えたマスタレーザ１００８は、図８および図９のＰＤＨ帰還制御部を備えたマスタレーザ８０２に関連して説明したように達成することができる。したがってマスタレーザ１００８は、反射ポートにおける共振器１０６の共振に固定することができる。図９に関連して説明したように、マスタレーザ１００８を反射ポートに固定するためのＰＤＨ帰還制御部は、図３〜図５で説明したＰＤＨ ＦＣＥ２０４の任意の例を使用して達成することができる。図１０は、図３で説明したＰＤＨ ＦＣＥ２０４の使用例を示したものである。したがってＰＤＨ ＦＣＥ２０４は、マスタレーザ１００８を調整してマスタレーザ１００８を反射ポート共振に固定し、また、マスタレーザ１００８を制御してマスタレーザ１００８からの基準光のＰＤＨ変調を達成するように構成されている。マスタレーザ１００８からの基準光は、共振器１０６を通って、第１のスレーブレーザ１００２からの第１のスレーブ光と同じ方向に循環するように結合される。
[0048]また、基準光は、また、スレーブレーザ１００２、１００４、１００６の各々に固定するためにこれらのスレーブレーザの各々に送られる。スレーブレーザ１００２、１００４、１００６の各々は、マスタレーザ１００８と個々のスレーブレーザ１００２、１００４、１００６の間に一定の周波数差ｆｄｉｆｆが存在するようにマスタレーザ１００８に固定される。個々のスレーブレーザ１００２、１００４、１００６は、マスタレーザ１００８の周波数とは異なる一定の周波数差ｆｄｉｆｆ１、ｆｄｉｆｆ２およびｆｄｉｆｆ３を有しており、したがって他のスレーブレーザ１００２、１００４、１００６とは全く異なる周波数の光を生成する。この一定の周波数差に関するさらなる詳細については、以下で提供される。スレーブレーザ１００２、１００４、１００６の各々は、図９に関連して説明した光ＰＬＬを備えたマスタレーザ１００８に固定することができる。したがってスレーブレーザ１００２、１００４、１００６の各々は、ＰＤＨ技法に基づく共振器１０６に関しては小さい周波数ノイズを達成することができる。
[0049]また、スレーブレーザ１００２、１００４、１００６は、また、共振器１０６の個々の透過ポートにおける共振に固定するように制御される。スレーブレーザ１００２、１００４、１００６は、透過モードＦＣＥ１０１０によってそれらの個々の透過ポートにおける共振に固定される。透過モードＦＣＥ１０１０は、個々のスレーブレーザ１００２、１００４、１００６に対して、図９に関連して説明した構成要素を含むことができ、また、図９に関連して説明したように動作させることができる。したがって透過モードＦＣＥ１０１０は、第１のスレーブレーザ１００２を共振器１０６の第１の透過ポート共振に固定することができ、第１の透過モード変調信号（ｆｍ，１）に従って第１のスレーブ光を変調することができ、また、第１のスレーブ光と基準光の間に一定の周波数差を設定するために、第１の一定の周波数差ｆｄｉｆｆ１を第１のスレーブレーザ１００２に送ることができる。同様に、透過モードＦＣＥ１０１０は、第２のスレーブレーザ１００４を共振器１０６の第２の透過ポート共振に固定することができ、第２の透過モード変調信号（ｆｍ，２）に従って第２のスレーブ光を変調することができ、また、第２のスレーブ光と基準光の間に一定の周波数差を設定するために、第２の一定の周波数差ｆｄｉｆｆ２を第２のスレーブレーザ１００４に送ることができる。最後に、透過モードＦＣＥ１０１０は、第３のスレーブレーザ１００６を共振器１０６の第３の透過ポート共振に固定することができ、第３の透過モード変調信号（ｆｍ，３）に従って第３のスレーブ光を変調することができ、また、第３のスレーブ光と基準光の間に一定の周波数差を設定するために、第３の一定の周波数差ｆｄｉｆｆ３を第３のスレーブレーザ１００６に送ることができる。この方法によれば、スレーブレーザ１００２、１００４、１００６の各々は、共振器１０６からの透過モード帰還および反射モード帰還によって制御することができる。
[0050]図１１は、図１０のジャイロスコープ共振器１０６内の時計方向の強度波形および反時計方向の強度波形の一例のグラフである。図１１では、Δｆ１’は、ｆｄｉｆｆ１＋本明細書において説明されているΔｆ１であり、Δｆ２’は、ｆｄｉｆｆ２＋Δｆ２であり、また、Δｆ３’は、ｆｄｉｆｆ３＋Δｆ３であり、Δｆ１、Δｆ２およびΔｆ３は、個々のスレーブレーザに固有であることを除き、本明細書において説明されているΔｆと同じである。Δｆωは、回転によって生じる周波数差である。第１、第２および第３の一定の周波数差（ｆｄｉｆｆ１、ｆｄｉｆｆ２、ｆｄｉｆｆ３）は、図１０に関連して上で説明したように独立して設定することができる。また、マスタレーザ１００８の周波数は、また、スレーブレーザ１００２、１００４、１００６が共振器１０６に固定されている間、これらのスレーブレーザ１００２、１００４、１００６の間のうなり周波数が透過モードＦＣＥ１０１０の正規の動作限界内になるように設定することができる。第１の一定の周波数差ｆｄｉｆｆ１は、第１のスレーブレーザ１００２を第１の方向における共振器１０６の共振周波数に同調させるように構成することができる。第２の一定の周波数差ｆｄｉｆｆ２は、第２のスレーブレーザ１００４を、ゼロ回転速度における第１のスレーブレーザ１００２の共振周波数より低い１縦モードである第２の方向における共振器１０６の共振周波数に同調させるように構成することができる。第３の一定の周波数差ｆｄｉｆｆ３は、第３のスレーブレーザ１００６を、ゼロ回転速度における第１のスレーブレーザ１００２の共振周波数より高い１縦モードである第２の方向における共振器１０６の他の共振周波数に同調させるように構成することができる。
[0051]スレーブレーザ１００２、１００４、１００６がそれらの個々の一定の周波数差を使用して個々の共振モードの近傍に設定されると、透過モードＦＣＥ１０１０は、透過モード帰還に基づいて個々の透過モード調整信号中に調整（Δｆ１、Δｆ２、Δｆ３）を提供することによって個々のスレーブレーザをその個々の共振に固定する。個々のスレーブレーザ１００２、１００４、１００６に送られる複合信号は、透過モード帰還に基づいて、スレーブレーザ１００２、１００４、１００６毎に、個々のスレーブレーザ１００２、１００４、１００６とマスタレーザ１００８の間に、スレーブレーザ１００２、１００４、１００６毎の一定の周波数差（ｆｄｉｆｆ１、ｆｄｉｆｆ２、ｆｄｉｆｆ３）＋調整（Δｆ１、Δｆ２、Δｆ３）に等しい周波数差（Δｆ１’、Δｆ２’、Δｆ３’）を設定する。
[0052]一例では、マスタレーザ１００８の基準周波数ｆ０はスレーブ周波数より低くなるように設定される。この例では、第１、第２および第３の周波数差は、Δｆ１’＝ｆ１−ｆ０、Δｆ２’＝ｆ２−ｆ０およびΔｆ３’＝ｆ３−ｆ０であり、ｆ１は第１のスレーブレーザ１００２からの光の周波数であり、ｆ２は第２のスレーブレーザ１００４からの光の周波数であり、また、ｆ３は第３のスレーブレーザ１００６からの光の周波数である。共振トラッキングデータΔｆ１’、Δｆ２’およびΔｆ３’は、透過モードＦＣＥ１０１０からプロセッサへの出力であってもよく、プロセッサは、（Δｆ３’−Δｆ１’）−（Δｆ１’−Δｆ２’）＝２Δｆωを計算し、Δｆωは回転速度に比例し、Δｆ３’−Δｆ１’＝ΔｆＦＳＲ＋Δｆω、およびΔｆ１’−Δｆ２’＝ΔｆＦＳＲ−Δｆωである。したがって自由スペクトル範囲（ＦＳＲ）および関連するあらゆるバイアスならびにバイアス不安定性に無関係に回転測値が得られる。
[0053]２つのスレーブレーザを使用する例（例えば第２の方向に伝搬するビームを生成するために２つの光を結合しない例）では、２つのスレーブレーザのうちの第１のスレーブレーザからのビームは、共振器１０６を介した第１の方向の共振周波数で共振ディップに固定される。２つのスレーブレーザのうちの第２のスレーブレーザからのビームは、ゼロ回転速度における第１のスレーブレーザの共振周波数から離れた１縦モードである共振周波数で共振ディップに固定される（例えば共振器リング内に適合する、１つ少ない波サイクルを有する）。隣接するモード間の周波数空間は、自由スペクトル範囲（ＦＳＲ）と呼ばれる。自由スペクトル範囲は光路長によって決まり、光路長は、熱膨張のために温度に依存する可能性があるため、結果として生じるバイアスは、温度変動によって不安定になることがある。この自由スペクトル範囲の影響は、第２のスレーブレーザの周波数を、第１のスレーブレーザの共振モードより低い１縦モードである共振ディップから、第１のスレーブレーザの共振モードより高い１共振モードである共振モードに周期的に切り換えることによって小さくすることができる。
[0054]図１２は、システム１００に関連して説明した透過モードおよび反射モードの帰還制御部を備えた共振トラッキングレーザを含んだＲＦＯＧ１２００の他の例のブロック図である。ＲＦＯＧ１０００と同様、ＲＦＯＧ１２００は、ＰＤＨ帰還制御部を備えたマスタレーザ１００８に固定される３つのスレーブレーザ１００２、１００４、１００６を含む。また、スレーブレーザ１００２、１００４、１００６は、透過モードＦＣＥ１０１０によって実施されたそれらの個々の透過ポートからの帰還制御部を有している。ＲＦＯＧ１２００では、マスタレーザ１００８のためのＰＤＨ帰還制御部は、図５に関連して説明したように実施される。例えば位相変調器１２０２は、マスタレーザ１００８からの基準光をＰＤＨ変調信号に従って変調するために含まれている。さらに、ＰＤＨ帰還制御部は、ＰＤＨ変調信号に短期間平均シフトを提供するための高速ループを含み、ＰＤＨ変調信号は、次に位相変調器１２０２に加えられる。また、ＰＤＨ帰還制御部は、マスタレーザ１００８の周波数を調整するためにマスタレーザ１００８自体を調整する低速ループを含む。
[0055]図１３は、システム１００に関連して説明した透過モードおよび反射モードの帰還制御部を備えた共振トラッキングレーザを含んだＲＦＯＧ１３００のさらに他の例のブロック図である。ＲＦＯＧ１２００と同様、ＲＦＯＧ１３００は、ＰＤＨ帰還制御部を備えたマスタレーザ１００８に固定される３つのスレーブレーザ１００２、１００４、１００６を含む。他の例では、他の数（例えば２つ）のスレーブレーザを上で説明したように使用することも可能である。
[0056]ＲＦＯＧ１３００は、平衡ヘテロダイン検波（ＢＨＤ）を使用して共振器１０６内のスレーブレーザ１００２、１００４、１００６からの光を共振トラッキングする。ＢＨＤは、マスタレーザ１００８からの基準光の一部を使用する。しかしながら、基準光のＰＤＨ変調は、ＢＨＤにおけるエラーの原因になることがある。したがってＲＦＯＧ１３００内のＰＤＨ変調は、ＢＨＤ１３０２に送られる基準光の部分ではなく、共振器１０６に送られる基準光の部分に存在している第１の位相変調器１３０４に適用される。高速ループ調整は、ジャイロ共振器１０６に入射する光、ＢＨＤ１３０２に入射する基準光、およびスレーブレーザ１００２、１００４、１００６に提供される基準光の位相を制御するために、第２の位相変調器１３０６に提供される。
[0057]また、ＲＦＯＧ１３００は、変調不完全に関連する速度検知エラーを小さくするために、ｆｍｏｄを使用してスレーブレーザ１００２、１００４、１００６の共通透過モード変調を実施する。したがって透過モード変調信号は、透過モードＦＣＥ１０１０によって加えられる代わりに、第３の位相変調器１３０８によって加えられる。第３の位相変調器１３０８は、ＢＨＤ１３０２に提供される基準光の部分または共振器１０６に提供される基準光の部分ではなく、スレーブレーザ１００２、１００４、１００６に提供される基準光の部分を変調するように構成されている。透過モード変調信号は第３の位相変調器１３０８に送られ、第３の位相変調器１３０８は、それに応じて基準光のこの部分を変調する。
[0058]ＲＦＯＧ１３００の透過モードＦＣＥ１０１０は、対応するＢＨＤ１３０２から信号を受け取り、受け取った信号をＡＤＣを使用してディジタルに変換する。この場合、アナログ信号は、それと混合された対応する透過モード調整信号Δｆ１’、Δｆ２’、Δｆ３’を有する。結果として得られる信号は、積分され、かつ、該当する一定の周波数差ｆｄｉｆｆ１、ｆｄｉｆｆ２、ｆｄｉｆｆ３と加算される前に、透過モード変調信号を使用して復調される。ＤＤＳは、次に、個々のスレーブレーザアセンブリ１００２、１００４、１００６に送るためのアナログ信号を生成する。
[0059]ＲＦＯＧ１３００は、図５で説明したＰＤＨ帰還制御部を使用した一例を示したものであるが、他の例では、図３および図４に関連して説明したＰＤＨ帰還制御部を使用することも可能である。例えばＢＨＤおよび図３に関連して説明したＰＤＨ帰還制御部を使用したＲＦＯＧ１３００は、第１の位相変調器１３０４を含まなくてもよく、また、第２の位相変調器１３０６は、透過モード変調信号のみからの入力を受け取ることができる。
[0060]以上、本明細書において特定の実施形態を示し、説明したが、同じ目的を達成するためにもくろまれる任意の構造を図に示されている特定の実施形態の代わりに使用することができることは当業者には理解されよう。したがって本発明は特許請求の範囲およびその等価物によってのみ限定されることが明確に意図されている。
実施形態例
[0061]例１は安定化レーザであって、この安定化レーザは、ある周波数の光を生成するためのレーザと、レーザからの光がその中を循環するようにレーザに結合された共振器と、共振器の反射ポートで検知される光に応答して位相ノイズを小さくするために、レーザからの光の周波数を調整するように構成されたＰｏｕｎｄ−Ｄｒｅｖｅｒ−Ｈａｌｌ（ＰＤＨ）帰還電子部と、共振器の透過ポートで検知される光に応答して、レーザからの光の周波数を透過ポートにおける共振器の共振に向けて調整するように構成された透過ポート帰還電子部とを備え、透過ポート帰還電子部は、ＰＤＨ帰還電子部の速度の少なくとも１０分の１の速度で周波数を調整する。
[0062]例２は例１の安定化レーザであって、透過帰還電子部からのエラー信号は、結合エラー信号を形成するために、ＰＤＨ帰還電子部からのエラー信号中のエラーを相殺する。
[0063]例３は例２の安定化レーザであって、結合エラー信号は、レーザの設定点を調整するように構成されている。
[0064]例４は例３の安定化レーザであって、ＰＤＨ帰還電子部は、レーザの設定点を変調するためにＰＤＨ変調信号と結合エラー信号とを結合し、かつ、ＰＤＨ変調信号に基づいて反射ポートからの信号を復調するように構成され、また、ＰＤＨ帰還電子部からのエラー信号は、反射ポートからの信号に応答して位相ノイズを小さくするために、レーザの設定点を調整するように構成され、また、結合エラー信号は、設定点の平均値を調整するように構成されている。
[0065]例５は、例３または４のいずれかの安定化レーザであって、レーザと共振器の間に結合された、レーザからの光をＰＤＨ変調信号を使用して変調するように構成された位相変調器を備え、ＰＤＨ帰還電子部は、ＰＤＨ変調信号に基づいて反射ポートからの信号を復調するように構成され、また、ＰＤＨ帰還電子部からのエラー信号は、反射ポートからの信号に応答して位相ノイズを小さくするために、レーザの設定点を調整するように構成されている。
[0066]例６は例５の安定化レーザであって、ＰＤＨ帰還電子部は、反射ポートからの信号に応答してＰＤＨ変調信号の平均を調整するように構成されている。
[0067]例７は、例３〜６のいずれかの安定化レーザであって、透過モード帰還電子部は、透過モード変調信号を使用してレーザの設定点を変調し、第２の周波数の透過モード変調信号に基づいて透過ポートからの信号を復調するように構成され、また、透過モード帰還電子部からのエラー信号は、透過ポートにおける光に応答して、レーザからの光の周波数を透過ポートにおける共振器の共振に向けて調整するために、レーザの設定点を調整するように構成されている。
[0068]例８は、例１〜７のいずれかの安定化レーザであって、第１の周波数のＰＤＨ変調信号および第２の周波数の透過モード変調信号を使用してレーザからの光が変調され、第１の周波数は１〜１００ＭＨｚの範囲内であり、また、第２の周波数は１〜１００ＫＨｚの範囲内である。
[0069]例９は、例１〜８のいずれかの安定化レーザであって、ＰＤＨ帰還電子部および共振器に結合されたマスタレーザを備え、マスタレーザが共振器を通って伝搬する基準光を生成し、ＰＤＨ帰還電子部は、マスタレーザの周波数を反射ポートにおける共振に向けて調整することによって基準光中の位相ノイズを小さくするように構成され、レーザは、第１のスレーブ光を生成するための第１のスレーブレーザを備え、また、透過モード帰還電子部に結合された第１の位相固定ループ（ＰＬＬ）を備え、第１のＰＬＬが第１のスレーブ光と基準光とをうならせ、かつ、第１のスレーブ光が基準光に固定されるように第１のスレーブレーザを駆動し、透過モード帰還電子部は、第１のスレーブレーザの設定点を調整し、かつ、第１のスレーブ光が基準レーザから第１のうなり周波数に等しい周波数差で固定されるよう、第１のうなり周波数を第１のＰＬＬに提供するように構成されている。
[0070]例１０は例９の安定化レーザであって、第２のスレーブ光を生成するための第２のスレーブレーザと、透過モード帰還電子部に結合された第２のＰＬＬであって、第２のＰＬＬが第２のスレーブ光と基準光とをうならせ、かつ、第２のスレーブ光が基準光に固定されるように第２のスレーブレーザを駆動し、透過モード帰還電子部が、第２のスレーブレーザの設定点を調整し、かつ、第２のスレーブ光が基準レーザから第２のうなり周波数に等しい周波数差で固定されるよう、第２のうなり周波数を第２のＰＬＬに提供するように構成されている第２のＰＬＬと、第３のスレーブ光を生成するための第３のスレーブレーザと、透過モード帰還電子部に結合された第３のＰＬＬであって、第３のＰＬＬが第３のスレーブ光と基準光とをうならせ、かつ、第３のスレーブ光が基準光に固定されるように第３のスレーブレーザを駆動し、透過モード帰還電子部が、第３のスレーブレーザの設定点を調整し、かつ、第３のスレーブ光が基準レーザから第３のうなり周波数に等しい周波数差で固定されるよう、第３のうなり周波数を第３のＰＬＬに提供するように構成されている第３のＰＬＬとを備え、マスタレーザからの光および第１のスレーブ光は、共振器内を第１の方向に循環するように構成され、また、第２のスレーブ光および第３のスレーブ光は、共振器内を第２の方向に循環するように構成され、透過モード帰還電子部は、共振器を通って伝搬する第１のスレーブ光、第２のスレーブ光および第３のスレーブ光に基づいて、共振器の回転速度を表す出力を提供するように構成されている。
[0071]例１１はレーザを安定にする方法であって、この方法は、レーザを使用して光を生成するステップと、レーザからの光をＰｏｕｎｄ−Ｄｒｅｖｅｒ−Ｈａｌｌ（ＰＤＨ）変調信号を使用して周波数変調するステップと、レーザからの光を透過モード変調信号を使用して周波数変調するステップと、ＰＤＨ変調信号および透過モード変調信号を使用して変調された光を共振器内を循環させるステップと、共振器の反射ポートで光を検知するステップと、ＰＤＨ変調信号に基づいて反射ポートで光を復調するステップと、位相ノイズを小さくするために、反射ポートにおける光に応答して、ＰＤＨ技法を使用してレーザの周波数を調整するステップと、共振器の透過ポートで光を検知するステップと、透過モード変調信号に基づいて透過ポートで光を復調するステップと、透過ポートにおける光に応答して、レーザの周波数を透過ポートにおけるレーザの共振に向けて調整するステップとを含み、レーザの周波数を透過ポートにおけるレーザの共振に向けて調整する速度は、反射ポートにおける光に応答してレーザの周波数を調整する速度の少なくとも１０分の１である。
[0072]例１２は例１１の方法であって、結合エラー信号を形成するために、透過ポートにおける光に基づくエラー信号中のエラーを、反射ポートにおける光に基づくエラー信号を使用して相殺するステップを含み、また、レーザの周波数を透過ポートにおけるレーザの共振に向けて調整するステップ、および反射ポートにおける光に応答してレーザの周波数を調整するステップは、結合エラー信号を使用してレーザの周波数を調整するステップを含む。
[0073]例１３は例１２の方法であって、結合エラー信号を使用してレーザの周波数を調整するステップは、レーザの設定点を調整するステップを含む。
[0074]例１４は、例１２または１３のいずれかの方法であって、レーザからの光をＰＤＨ変調信号を使用して周波数変調するステップは、レーザの設定点を変調するためにＰＤＨ変調信号と結合エラー信号を結合するステップを含み、この結合エラー信号を使用してレーザの周波数を調整するステップは、設定点の平均値を調整する。
[0075]例１５は、例１２〜１４のいずれかの方法であって、レーザからの光をＰＤＨ変調信号を使用して周波数変調するステップは、位相変調器を使用して光を位相変調するステップを含む。
[0076]例１６は例１５の方法であって、反射ポートにおける光に応答して、ＰＤＨ技法を使用してレーザの周波数を調整するステップは、反射ポートにおける光に応答してＰＤＨ変調信号の平均を調整するステップを含む。
[0077]例１７は、例１２〜１６のいずれかの方法であって、レーザからの光をＰＤＨ変調信号を使用して周波数変調するステップは、１〜１００ＭＨｚの範囲内の周波数で変調するステップを含み、また、レーザからの光を透過モード変調信号を使用して周波数変調するステップは、１〜１００ＫＨｚの範囲内の周波数で変調するステップを含む。
[0078]例１８は、共振器と、基準光を生成するためのマスタレーザであって、基準光が共振器を通って第１の方向に循環するように共振器に結合されたマスタレーザと、ＰＤＨ変調信号を使用して基準光を変調し、共振器の反射ポートで光を検知し、かつ、マスタレーザの周波数を反射ポートにおける共振器の共振に向けて調整するように構成されたＰｏｕｎｄ−Ｄｒｅｖｅｒ−Ｈａｌｌ（ＰＤＨ）帰還電子部と、第１のスレーブ光を生成するための第１のスレーブレーザであって、第１のスレーブ光が共振器を通って第１の方向に循環するように共振器に結合された第１のスレーブレーザと、第１のスレーブレーザに結合された第１の位相固定ループ（ＰＬＬ）であって、第１のスレーブ光と基準周波数とをうならせ、かつ、第１のスレーブ光が基準光に固定されるように第１のスレーブ光を駆動する第１のＰＬＬと、第１のＰＬＬに結合された透過モード帰還電子部であって、第１のＰＬＬが第１のスレーブ光を基準周波数から第１のうなり周波数に等しい周波数差で固定するよう、第１のうなり周波数を第１のＰＬＬに送り、第１のうなり周波数を第１の変調信号を使用して周波数変調し、共振器の第１の透過ポートで光を検知し、かつ、第１のスレーブレーザの周波数を第１の透過ポートにおける共振器の共振に向けて調整するように構成された透過モード帰還電子部と、第２のスレーブ光を生成するための第２のスレーブレーザであって、第２のスレーブ光が共振器を通って第２の方向に循環するように共振器に結合された第２のスレーブレーザと、第２のスレーブレーザに結合された第２のＰＬＬであって、第２のスレーブ光と基準周波数とをうならせ、かつ、第２のスレーブ光が基準光に固定されるように第２のスレーブ光を駆動する第２のＰＬＬとを備え、透過モード帰還電子部は、第２のＰＬＬに結合され、また、第２のＰＬＬが第２のスレーブ光を基準周波数から第２のうなり周波数に等しい周波数差で固定するよう、第２のうなり周波数を第２のＰＬＬに送り、第２のうなり周波数を第２の変調信号を使用して周波数変調し、共振器の第２の透過ポートで光を検知し、かつ、第２のスレーブレーザの周波数を第２の透過ポートにおける共振器の共振に向けて調整するように構成されている、共振器光ファイバジャイロスコープ（ＲＦＯＧ）である。
[0079]例１９は例１８のＲＦＯＧであり、第３のスレーブ光を生成するための第３のスレーブレーザであって、第３のスレーブ光が共振器を通って第２の方向に循環するように共振器に結合された第３のスレーブレーザと、第３のスレーブレーザに結合された第３のＰＬＬであって、第３のスレーブ光と基準周波数とをうならせ、かつ、第３のスレーブ光が基準光に固定されるように第３のスレーブ光を駆動する第３のＰＬＬとを備え、透過モード帰還電子部は、第３のＰＬＬに結合され、また、第３のＰＬＬが第３のスレーブ光を基準周波数から第３のうなり周波数に等しい周波数差で固定するよう、第３のうなり周波数を第３のＰＬＬに送り、第３のうなり周波数を第３の変調信号を使用して周波数変調し、共振器の第２の透過ポートで光を検知し、かつ、第３のスレーブレーザの周波数を第３の透過ポートにおける共振器の共振に向けて調整するように構成されている。
[0080]例２０は、例１８または１９のいずれかのＲＦＯＧであって、ＰＤＨ帰還電子部は、透過モード帰還電子部が第１および第２のスレーブレーザの周波数を調整するように構成されている速度より少なくとも１０倍速い速度でマスタレーザの周波数を調整するように構成され、また、ＰＤＨ変調信号は１〜１００Ｍｈｚの範囲内であり、第１および第２の変調信号は１〜１００Ｋｈｚの範囲内である。
１００ システム
１０２、３１２、９０２ レーザ
１０４、１０１０ 透過モード帰還制御電子部（ＦＣＥ）
１０６ 共振器（ジャイロスコープ共振器）
１０８ 第１の結合器
１１０ 第２の結合器
１１２ 第１の光検出器
１１４ 第２の光検出器
２０２ レーザアセンブリ
２０４ ＰＤＨ帰還制御電子部（ＦＣＥ）
２０６ 差動増幅器（減算器）
２０８、６１０、７１０、９１２ 積分器
３０４、６０４、７０８、９１０ 混合器
３０６、６０６、７０６ 信号発生器
３０８、６０８、７０９ 低域通過フィルタ
３１０、５０４、６１２、７１２、９１４ 加算器
３１４ アイソレータ
４０２、１２０２ 位相変調器
５０２ 帯域通過フィルタ
７０２ ディジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）
７０４ ＡＤＣ
８０２、１００８ マスタレーザ
８０４ スレーブレーザ
８０６、９０４ 結合器
８０８、９０６ 他の結合器
９０８ 光検出器
９１６ 正弦波
９１８ 正弦波発生器
１０００、１２００、１３００ 共振器光ファイバジャイロスコープ（ＲＦＯＧ）
１００２ 共振トラッキングレーザ（第１のスレーブレーザアセンブリ、第１のレーザ）
１００４ 共振トラッキングレーザ（第２のスレーブレーザアセンブリ、第２のレーザ）
１００６ 共振トラッキングレーザ（第３のスレーブレーザアセンブリ、第３のレーザ）
１３０２ ＢＨＤ
１３０４ 第１の位相変調器
１３０６ 第２の位相変調器
１３０８ 第３の位相変調器

Claims (3)

  1. ある周波数の光を生成するためのレーザと、
    前記レーザからの前記光が中を循環する(circulates)ように前記レーザに結合された共振器と、
    前記共振器の反射ポート(reflection port)で検知される光に応答して位相ノイズを小さくするために、前記レーザからの前記光の前記周波数を調整するように構成された、Ｐｏｕｎｄ−Ｄｒｅｖｅｒ−Ｈａｌｌ（ＰＤＨ）帰還(feedback)電子部(electronics)と、
    前記共振器の透過ポート(transmission port)で検知される光に応答して、前記レーザからの前記光の前記周波数を透過ポートにおける前記共振器の共振に向けて調整するように構成された透過ポート帰還電子部であって、前記透過帰還電子部からのエラー信号が、前記レーザからの前記光を調整するための結合(combined)エラー信号を形成するために、前記ＰＤＨ帰還電子部からのエラー信号中のエラーを相殺し(cancels)、前記透過ポート帰還電子部が前記ＰＤＨ帰還電子部の速度の少なくとも１０分の１の速度で(at least ten times slower than)前記周波数を調整する、透過ポート帰還電子部と
    を備える安定化(stabilized)レーザ。
  2. 前記結合エラー信号が前記レーザの設定点(set-point)を調整するように構成され、前記ＰＤＨ帰還電子部が、
    前記レーザの前記設定点を変調するためにＰＤＨ変調信号と前記結合エラー信号とを結合し(combine)、
    前記ＰＤＨ変調信号に基づいて反射ポートからの信号を復調する
    ように構成され、
    前記ＰＤＨ帰還電子部からの前記エラー信号が、反射ポートからの前記信号に応答して位相ノイズを小さくするために、前記レーザの前記設定点を調整するように構成され、
    前記結合エラー信号が前記設定点の平均値を調整するように構成され、前記ＰＤＨ帰還電子部が、反射ポートからの前記信号に応答して前記ＰＤＨ変調信号の平均を調整するように構成され、
    前記透過モード帰還電子部が、
    透過モード変調信号を用いて前記レーザの前記設定点を変調し、
    第２の周波数の前記透過モード変調信号に基づいて透過ポートからの信号を復調する
    ように構成され、
    前記透過モード帰還電子部からの前記エラー信号が、透過ポートにおける光に応答して、前記レーザからの前記光の前記周波数を透過ポートにおける前記共振器の共振(resonance)に向けて(toward)調整するために、前記レーザの前記設定点を調整するように構成されている
    請求項１に記載の安定化レーザ。
  3. 前記ＰＤＨ帰還電子部および前記共振器に結合されたマスタレーザであって、前記マスタレーザが前記共振器を通って伝搬する基準光(reference light)を生成し、前記ＰＤＨ帰還電子部が、前記マスタレーザの周波数を反射ポートにおける共振に向けて調整することによって前記基準光中の位相ノイズを小さくするように構成され、前記レーザが、第１のスレーブ光を生成するための第１のスレーブレーザを備える、マスタレーザと、
    前記透過モード帰還電子部に結合された第１の位相固定ループ（ＰＬＬ）であって、前記第１のＰＬＬが前記第１のスレーブ光と前記基準光とをうならせ(beat)、かつ、前記第１のスレーブ光が前記基準光に固定される(locked to)ように前記第１のスレーブレーザを駆動する、第１の位相固定ループ（ＰＬＬ）とを備え、
    前記透過モード帰還電子部が、前記第１のスレーブレーザの設定点を調整し、かつ、前記第１のスレーブ光が基準レーザから第１のうなり周波数に等しい周波数差で固定されるよう、前記第１のうなり周波数(beat frequency)を前記第１のＰＬＬに提供する(provide)ように構成されている、
    請求項１に記載の安定化レーザ。
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