JP2015001521A - 側波帯ヘテロダイン検波のシステム及び方法 - Google Patents

側波帯ヘテロダイン検波のシステム及び方法 Download PDF

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Abstract

【課題】側波帯ヘテロダイン検波のシステム及び方法を提供する。【解決手段】光共振器１５４と、複数の光電界を形成するように制御される少なくとも１つの光源１０２であって、各電界は共通の変調周波数で位相又は周波数変調１０４され、異なる周波数である、少なくとも１つの光源とを含む。複数の側波帯を形成するために、それぞれのヘテロダイン周波数で複数の電界のそれぞれの電界を位相又は周波数変調する複数のヘテロダイン変調器１１４、１２０，１２８であって、対応するヘテロダイン周波数は各ヘテロダイン変調器ごとに異なる、複数のヘテロダイン変調器と、複数の側波帯を光共振器に結合する少なくとも１つのカプラと、共振器から外へ送信された複数の側波帯を検出して、複数の検出された側波帯信号を生成し、複数の検出された側波帯信号に基づいて複数の電界の周波数を調整するように構成されるフィードバック制御とを備える。【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、側波帯ヘテロダイン検波のシステム及び方法に関する。
政府のライセンス権利
[0001]本発明は、ＤＡＲＰＡによって与えられた契約番号ＨＲ００１１−０８−Ｃ−００１９の下で政府の支援を受けて行われた。政府は本発明において一定の権利を有する。
[0002]ジャイロスコープ（本明細書においてジャイロとも呼ぶ）は、回転速度又は回転軸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、ビーム生成デバイス、及び、ある領域を取り囲む、ビーム生成デバイスに結合された光ファイバのコイルを含む。ビーム生成デバイスは、光ファイバのコアに沿って時計回り（ＣＷ）方向及び反時計回り（ＣＣＷ）方向に伝播する光ビームをコイルに送る。多くのＦＯＧは、ファイバの固体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周りで伝播する間に異なる経路長を経験し、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。
[0003]従来の共振器ＦＯＧ（ＲＦＯＧ）では、反対に伝播する光ビームは、通常、単色（例えば、単一周波数）であり、光ファイバコイルの複数のターンを介して、また、コイルを通過した光を再びコイルへ向け直すファイバカプラなどのデバイスを介した複数の経路に対して循環する。共振コイルの共振周波数を観測できるように、ビーム生成デバイスは、反対に伝播する光ビームの各々の周波数を変調及び／又はシフトする。コイルを通るＣＷ経路及びＣＣＷ経路の各々についての共振周波数は、異なる回数コイルを横断した全ての光波がコイル中の任意の点において強め合うように干渉するように、強め合う干渉条件に基づく。この強め合う干渉の結果、往復の共振器光路長が波長の整数倍に等しいとき、波長λを有する光波は「オンレゾナンス（on resonance）」と呼ばれる。コイルの軸の周りの回転は、時計回りと反時計回りの伝播に対して異なる有効経路長を生成し、したがって共振器のそれぞれの共振周波数間のシフトを生成する。回転による閉じた光路の共振周波数シフトと一致するようにＣＷビーム及びＣＣＷビーム周波数を調整することによって測定することができるような周波数差は、回転速度を示す。
[0004]しかしながら、光ビームの変調はまた、回転速度バイアス誤差をもたらし得る欠点を有している。１つの種類の欠点は変調器の強度変調である。意図された変調が、キャビティ長、光周波数又は光位相に対するものであっても、理想的でない変調器は、変調周波数における成分を有し得る光強度の変調を生成することもある。望ましくない強度変調は、復調器によって検出されて、オフレゾナンス条件を示す信号として解釈される。正常な共振強度信号が望ましくない強度信号を正確に打ち消すまで、共振追跡電子機器は、レーザ周波数を共振周波数から離れて移動する。共振周波数からのずれは、望ましくない強度信号が２つの逆方向に伝播する光波の間で異なる場合、回転検知誤差をもたらす。
[0005]回転検知誤差をもたらし得る別の変調器の欠点は、変調歪みである。変調歪みは、変調器駆動電子機器又は変調器において発生する可能性がある。理想的な変調は単一周波数の正弦波変調である。しかし、歪みにより、変調において高調波の発生がもたらされ得る。偶数次の高調波の変調は、回転検出誤差につながる可能性のある共振検出誤差をもたらす。
[0006]回転検出誤差の別の原因は、共振追跡変調周波数を超える周波数で発生するレーザ位相雑音である。共振追跡変調周波数の２倍及び他のより高い周波数帯域のレーザ位相雑音は、ジャイロ共振器によって相対強度雑音へと変換され、共振検出信号と同じ周波数へと周波数ダウンコンバートされ、したがって、最終的には、ランダムな回転検知誤差となる。この種の誤差を許容可能なレベルに低減するいくつかの方法は、非常に低い位相雑音及び光フィルタリングのレーザを使用することである。しかし、これは、製品の大幅なコスト増につながり、製品の運用ロバスト性を低減することがある。
[0007]位相変調が両方のビームに共通に適用される場合、変調の不完全性は、通常、ＣＷ及びＣＣＷ光ビームの間で共有され、変調の不完全性は、ジャイロ速度信号の信号処理中に差し引くことができる。しかし、一般的な変調は、光後方散乱に関連付けられる他の速度バイアス誤差をもたらし得る。光後方散乱を抑圧する２つの技術は、固有のシグネチャ（signature）で様々なレーザビームを符号化するために強度変調を使用すること、及び信号処理における様々な検出されるビームの分離を可能にするための共振器出力における平衡ヘテロダイン検波を含む。しかし、強度変調の使用は、角度ランダムウォーク性能の劣化をもたらす著しい光損失を導入する強度変調器を含む。また、平衡ヘテロダイン検波の使用は余分な光学系並びに複雑な信号処理及び制御を含む。
[0008]共通の共振追跡変調の別の利点は、変調周波数を超える周波数において共通のレーザ位相雑音によって生成されたランダム誤差が、ジャイロ速度信号の信号処理中に差し引かれることである。共通モードレーザ位相雑音の除去は、低コスト、高位相雑音のレーザの使用を可能にすることができ、光フィルタリングの必要性を排除することができ、このため、製品コストの大幅な低減をもたらすことができ、製品の運用ロバスト性を大幅に向上させることができる。
側波帯ヘテロダイン検波のシステム及び方法を提供する。
[0009]側波帯ヘテロダイン検波のためのシステム及び方法が提供される。ある実施例において、システムは、光がその中で共振できるように構成された光共振器と、少なくとも１つの光源を含み、少なくとも１つの光源からの光が複数の光電界を形成するように制御され、複数の電界の各電界は共通の変調周波数で位相又は周波数変調され、複数の電界の各電界は異なる周波数である。システムはまた、複数のヘテロダイン変調器を備え、複数のヘテロダイン変調器の各々のヘテロダイン変調器は、複数の側波帯を形成するために、それぞれのヘテロダイン周波数で複数の電界の各電界を位相又は周波数変調し、対応するヘテロダイン周波数は複数のヘテロダイン変調器の各ヘテロダイン変調器ごとに異なる。さらに、システムは、複数の側波帯を光共振器に結合するように構成される少なくとも１つのカプラと、共振器に結合されたフィードバック制御装置とを含み、フィードバック制御装置は、共振器から送信された複数の側波帯を検出して、複数の検出された側波帯信号を生成し、複数の検出された側波帯信号に基づいて複数の電界の周波数を調整するように構成される。
[0010]図面が例示的な実施例のみを示しており、したがって範囲を限定するように考慮されないことを理解した上で、例示的な実施例は、添付の図面の使用を通じてさらに具体的かつ詳細に説明される。
[0011]本開示に記載の１つの実施例における、側波帯ヘテロダイン検波を使用するシステムのブロック図である。 [0012]本開示に記載の１つの実施例における、共振器を介して伝播される異なる周波数の信号を示す図である。 [0013]本開示に記載の１つの実施例における、キャリア周波数の周りで形成される異なる側波帯信号を示す図である。 [0014]本開示に記載の１つの実施例における、複数のキャリア周波数の周りで形成される複数の側波帯信号を示す図である。 [0015]本開示に記載の１つの実施例における共振器光ファイバジャイロスコープのブロック図である。 [0016]本開示に記載の１つの実施例における共振器光ファイバジャイロスコープのブロック図である。 [0017]本開示に記載の１つの実施例における共振器光ファイバジャイロスコープのブロック図である。 [0018]本開示に記載の１つの実施例における、側波帯ヘテロダイン検波を実施する方法のフロー図である。
[0019]一般的な慣例にしたがって、様々な説明される特徴は、縮尺どおりに描かれず、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。
[0020]以下の詳細な説明では、本明細書の一部を形成する添付の図面が参照され、図面においては特定の例示的な実施例が例として示される。しかしながら、他の実施例が利用されてもよいし、論理的、機械的、及び電気的な変更がなされ得ることが理解されるべきである。さらに、図面及び明細書に提示される方法は、個々のステップが実行され得る順序を限定するものとして解釈されるべきではない。以下の詳細な説明は、したがって、限定的な意味で解釈されるべきではない。
[0021]信号処理において様々な検出された光を分離するために、側波帯ヘテロダイン検波と呼ばれる方法を実施する共振器光ファイバジャイロスコープ（ＲＦＯＧ）の実施例が本明細書において説明される。本明細書に記載されるように、位相又は周波数変調は、ＲＦＯＧ共振コイルの共振周波数を測定するために使用される各レーザビームの固有の（unique）周波数で適用される。固有の周波数での各レーザビームの変調により、各レーザビームの側波帯に基づいて、信号処理中に、互いに異なるレーザビームの区別を容易にすることができる。少なくとも１つの実施例では、側波帯ヘテロダイン検波の使用は、さらなる光学系及び／又は複雑な制御方式を用いることなく実現される。
[0022]図１は、共振器１５４内で伝播する異なるレーザ電界を区別するために側波帯ヘテロダイン検波（ＳＨＤ）を実施するシステム１００のブロック図である。システム１００では、図示されるように、３つの異なるレーザ電界が共振器１５４内で伝播する。例えば、少なくとも１つの実施例では、３つの異なるレーザ周波数は、レーザ１０２などの単一のレーザ源によって生成される。システム１００がジャイロスコープの一部である実施例では、異なる周波数の異なるレーザ電界は、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る。レーザ電界が共振器１５４内で伝播するとき、レーザ電界は、共振器１５４内の光ファイバのコアに沿って時計回り（ＣＷ）方向又は反時計回り（ＣＣＷ）方向のいずれかで伝播する。システム１００が回転すると、２つの反対に伝播する（例えば、ＣＷ及びＣＣＷ）レーザ電界は、サニャック効果により、共振器１５４の周りに伝播する間に、異なる有効経路長を経験する。時計回りの伝播と反時計回りの伝播との間の有効経路長の差は、共振器のそれぞれの共振周波数に差を生じる。周波数の差は、回転中に共振器１５４のそれぞれの共振周波数に一致するようにＣＷ伝播電界周波数及びＣＣＷ伝播電界周波数を調整することによって測定することができる。測定された差はシステム１００の回転速度を示す。
[0023]例えば、システム１００はＲＦＯＧなどのジャイロスコープであってもよい。システム１００がＲＦＯＧである場合、システム１００は、ナビゲーションシステム、プラットフォーム安定化システム、ポインティングシステムなどの一部として使用することができる。例えば、いくつかの実施例では、システム１００は、１つ又は複数のＲＦＯＧ及び１つ又は複数の線形加速度計を含む慣性センサユニットの一部として実施される。システム１００は、回転速度を測定し、プロセッサ又は他のデバイスなどの外部コンポーネントに対して回転速度を示す信号を出力し、外部コンポーネントは、システム１００からの測定された回転速度を使用して、位置、方向及び角速度などのパラメータを計算する。
[0024]示されるように、システム１００は、レーザ１０２から生成される３つのレーザ周波数を含む。あるいは、システム１００は、任意の複数の数の異なるレーザ電界を含むことができる。レーザ１０２は特定の周波数で単色の光電界を生成する。ある実施例において、レーザ１０２は、（図１においてｆｃと表される）共通の変調周波数１０６で共通の変調器１０４によって変調される。レーザ１０２によって生成された光を変調することにより、変調源は、電界が共通の変調周波数で変調され、変調の不完全性がまた、すべての電界に共通に適用されるように、共振器１５４を通って伝播するすべての別個のレーザ電界に影響を与える。共通の変調周波数１０６は、共振器１５４を通過する各光電界の共振追跡変調周波数として用いることができる。共通の変調は、共振器を通過するすべての光電界に対して、（ｆｃなどの）の共通の共振追跡変調周波数信号を使用する種類の変調である。例えば、これは、共振器１５４内で伝播する反対に伝播する光波に対して同じ変調器を使用することによって行うことができる。それらは同じ変調源を使用して変調されるので、変調の不完全性に起因する共振検出誤差は、時計回りと反時計回りの共振周波数の両方に対して同じであり、共通の誤差は回転測定において相殺される。さらに、同じ共振追跡変調周波数を使用することにより、変調周波数を超える周波数におけるレーザ位相雑音に起因するランダムな回転誤差はまた、共通のモードであり、回転測定において打ち消し合う。本明細書に記載の実施例は、変調器の不完全性及び共通のレーザ位相雑音変調器に起因する回転検知誤差を低減又は排除するために共通の変調を使用する。代替の実施例では、共通の変調器１０４は、関連する個々の光電界を共通の変調周波数１０６で各々が変調する、多くの別個の変調器を含み、個々の電界は共振器１５４内で伝播する。
[0025]図１Ａに示すように、レーザ１０２によって生成された光を、周波数、伝播方向、空間分離などによって区別可能な別個のレーザ電界へと分離するために、ビームスプリッタ１０８は、レーザ光の一部をシステム１００のＣＣＷブランチ１０５へと分割し、光の一部をシステム１００のＣＷブランチ１０３へと分割する。システム１００のＣＷブランチ１０３へと分割された光の一部は、時計周り方向に共振器１５４の周りに伝播する第１の電界となる。システム１００のＣＣＷブランチ１０５へと分割された光の一部は、ビームスプリッタ１１０によって２つの別個のブランチへと分割されて、第２の電界及び第３の電界を形成する。第２の電界及び第３の電界の両方は反時計周り方向に共振器１５４の周りに伝播する。
[0026]図１Ｂは、異なる周波数が図１Ａの共振器１５４内で伝播される従来技術の実装を示す。図１Ｂに示すように、軸の周りの回転速度を検知するために、システム１００は、共振器１５４の時計回りの共振周波数１１５と反時計回り共振周波数１１３との間の分離１１１を検出する。図１Ａにおいて、システム１００は、各レーザビームの光周波数が共振器１５４の共振にあるように制御するために、共振検出電子回路及びサーボ１６２、１６４、及び１６６を使用する。２つの異なる電界の干渉又は１つの１次電界と別の電界の後方反射もしくは後方散乱との間の干渉に起因する回転検知誤差を排除するために、システム１００は、各電界の周波数を、他の電界の周波数とは異なる周波数にシフトする。このように、回転誤差は、電界の光周波数の間の周波数差に等しい周波数へと周波数シフトされる。少なくとも１つの実施例において、各周波数が他の周波数から少なくとも図１Ｂにおける自由スペクトル領域１１７にあるように、システム１００は各電界の光周波数をシフトさせ、自由スペクトル領域は共振器１５４中の隣接する共振周波数の間の差に等しい。いくつかの実施例では、共振器１５４の自由スペクトル領域が共振器ループの光路長に依存するため、自由スペクトル領域は、共振器１５４の光路長が変化するときに変化し得る。例えば、温度などのある環境効果は、自由スペクトル領域１１７を変化させることがある。
[0027]異なる電界の周波数を異なる周波数にシフトするために、システム１００は、各電界に関連付けられた別個の周波数シフタを含む。システム１００は、ＣＷブランチ１０３の第１の電界の周波数を第１の周波数へとシフトするための第１の周波数シフタ１１２を含む。システム１００はまた、ＣＣＷブランチ１０５の電界の周波数を異なる周波数へとシフトするための第２の周波数シフタ１１８及び第３の周波数シフタ１２４を含む。例えば、第２の周波数シフタ１１８は第２の電界を第２の周波数へとシフトさせ、第３の周波数シフタ１２４は第３の電界を第３の周波数へとシフトさせる。図１Ｂに示すように、第１の周波数１１９、第２の周波数１２１、及び第３の周波数１２３は、すべて互いに異なり、以前の実施例では、異なる共振周波数はすべて、共振器１５４の自由スペクトル領域によって分離される。各レーザビームの光周波数又は位相の共通の変調は、ビームの光周波数が共振器１５４の共振からいつ外れたかを示す誤差信号を提供するために使用される。共通の変調は光検出器１３０及び１３６において共振器出力信号を生成する。共振器出力信号は、対応するレーザビームがオンレゾナンスであるときを検出するための誤差信号として用いることができる変調周波数での成分を有することになる。レーザビームの周波数がオンレゾナンスであるとき、変調周波数での誤差信号の振幅がゼロになる。レーザ電界周波数が共振から外れる場合、誤差信号の振幅はゼロではなくなり、共振からの偏差の方向に依存する符号を有することになる。変調周波数における誤差信号は、変調周波数における基準信号と混合することにより、ＤＣへと復調される。ＤＣ誤差信号は、ビームの周波数を制御するためにサーボによって使用される。しかし、共振検出変調周波数は３つの電界すべてに共通であるので、各電界に関連付けられた誤差信号を区別するための方法を使用しなければならない。各電界の共振検出誤差信号を区別するために、システムは、各電界が周波数スペクトル中の異なる位置において対応する側波帯を有するように、異なる変調周波数で各電界を位相変調する、複数の位相変調器（ヘテロダイン変調器と呼ばれる）を含む。位相変調の周波数はヘテロダイン変調周波数と呼ばれる。ヘテロダイン変調周波数は、光の１次変調側波帯が少なくとも共振器の自由スペクトル領域のオーダーで互いに分離されるように、十分に高い。レーザ周波数は、レーザキャリア及び偶数次側波帯をオンレゾナンスで配置するか又は奇数次側波帯をオンレゾナンスで配置するために調整することができる。奇数次側波帯がオンレゾナンスで配置される場合は、キャリア及び偶数次側波帯はオフレゾナンスになる。例えば、第１の電界は、第１の周波数シフタ１１２により周波数シフトされた後、第１のヘテロダイン変調器１１４によって位相変調され、第１のヘテロダイン変調器１１４は、ｆＨ１として表される第１のヘテロダイン周波数１１６における電界を位相変調する。第２の電界は、第２の周波数シフタ１１８によって周波数シフトされた後、第２のヘテロダイン変調器１２０によって位相変調され、第２のヘテロダイン変調器１２０は、ｆＨ２としてここで表される第２のヘテロダイン周波数１２２における電界を位相変調する。第３の電界は、第３の周波数シフタ１２４によって周波数シフトされた後、第３のヘテロダイン変調器１２８によって位相変調され、第３のヘテロダイン変調器１２８は、ｆＨ３としてここで表される第３のヘテロダイン周波数１２６における電界を位相変調する。
[0028]少なくとも１つの例示的な実施例では、ヘテロダイン変調周波数１１６、１２２及び１２６は、共振器１５４の自由スペクトル領域の半分の奇数倍にほぼ等しくなるように設定される。電界がヘテロダイン変調周波数１１６、１２２、及び１２６で変調され、電界のキャリアが共振器１５４の２つの共振モードの間の中間周波数に位置する周波数を有する場合には、電界の変調は側波帯信号を生成し、第１の高調波側波帯は共振器１５４の共振ピークに位置する。電界がヘテロダイン変調周波数で変調される場合、変調によって生成される側波帯信号は、逆方向に共振器１５４の周りを伝播される。例えば、第１の電界の側波帯がサーキュレータ１３４を通過すると、すぐに、第１の電界の側波帯が共振器１５４へと伝播される。共振器１５４内では、第１の電界に関連付けられた側波帯は、時計回り（ＣＷ）方向に共振器１５４の周りを伝播する。同様に、第２の電界の側波帯及び第３の電界の側波帯は、単一のチャネルへと結合され、サーキュレータ１３２を通過する。第２及び第３の電界の組み合わされた側波帯は、次いで、サーキュレータ１３２から共振器１５４へと伝播される。図示のように、第２及び第３の電界の側波帯は、反時計回り（ＣＣＷ）方向に共振器１５４の周りで伝播する。
[0029]少なくとも１つの実施例では、時計回り方向に伝播する側波帯信号はサーキュレータ１３２によって受信され、サーキュレータ１３２は時計回りの側波帯信号１５４を光検出器１３０に渡す。第１の電界に関連付けられた側波帯信号はＣＷ方向に伝播するので、第１の側波帯信号は光検出器１３０によって受信される。光検出器１３０は、第１の側波帯信号間の干渉によって生成された光ビートノート（うなり音、beat note）を検出し、第１の側波帯信号間のビートノートを表す電気信号を第１の復調器１５６に渡す。第１の側波帯信号間の周波数分離はヘテロダイン変調周波数の２倍であるので、第１の側波帯間のビートノートはヘテロダイン変調周波数の２倍である。第１の復調器１５６は、第１の復調周波数１６０で第１の側波帯信号を復調する。少なくとも１つの例示的な実施例では、第１の復調周波数１６０は、第１のヘテロダイン周波数１１６の２倍である。同様に、ＣＣＷ方向に伝播する側波帯信号はサーキュレータ１３４によって受信され、サーキュレータ１３４はＣＣＷ側波帯信号１５４を光検出器１３６に渡す。第２の電界及び第３の電界に関連付けられた側波帯信号はＣＣＷ方向に伝播するので、第２の側波帯信号及び第３の側波帯信号は光検出器１３６によって受信される。光検出器１３６は、検出された光に関連付けられる電気信号を第２の復調器１４４及び第３の復調器１４０の両方に渡す。第２の復調器１４４及び第３復調器１４０はそれぞれ、第２及び第３の側波帯信号の両方を復調する。例えば、第２の復調器１４４は、第２の復調周波数１３８で第２及び第３の側波帯信号の両方を復調し、第２の復調周波数１３８は第２のヘテロダイン周波数１２２（２ｆＨ２）の２倍の周波数にある。同様に、第３の復調器１４０は、第３の復調周波数１５０で第２及び第３の側波帯信号の両方を復調し、第３の復調周波数１５０は第３のヘテロダイン周波数１２６又は２ｆＨ３の２倍の周波数にある。第２の復調周波数１３８及び第３の復調周波数１５０によって第２及び第３の信号を復調することにより、システム１００は、第２の側波帯信号を第３の側波帯信号と区別することができる。復調された信号は、共通の変調周波数１０６で３つのすべての信号を復調する異なる共通の復調器によってフィルタリングされて復調される。例えば、第１の共通の復調器１５８は、共通の変調周波数１０６で第１の復調器１５６によって生成された信号を復調する。同様に、第２の共通の復調器１４６は、共通の変調周波数１０６で第２の復調器によって生成される信号を復調し、第３の共通の復調器１４８は、共通の変調周波数１０６で第３の復調器により生成される信号を復調する。第１の共通の復調器１５８、第２の共通の復調器１４６、及び第３の共通の復調器１４８によって生成された信号は、共振器１５４内で伝播する異なる電界の周波数を調整するために使用される。システム１００は、側波帯信号を共振器の共振周波数にロックするために使用される共振検出誤差を決定するために、共通の変調周波数１０６によってすべての信号を復調する。
[0030]１つの実施例では、側波帯は強度変調誤差の影響を受けることがあり、その結果、１つの側波帯の振幅が同じ次数の対応する側波帯の振幅とは異なる場合がある。強度変調は共振周波数を検出する際に誤差をもたらすことがあり、したがって回転検知誤差につながることがある。強度変調は、共振線形（resonance lineshape）において明らかな非対称性を生じさせることがある。しかし、ヘテロダイン変調周波数が半分の自由スペクトル領域の奇数倍に設定されるとき、異なる振幅を有する対応する側波帯による共振検出誤差はゼロになる。例えば、光信号の側波帯の平均周波数が共振器１５４の共振ピークに配置され、レーザキャリア及び側波帯周波数が周波数で上下にシフトされる（共通の変調１０４がレーザビームに適用されるときに生じる）場合、共振器１５４を介して送られた側波帯の大きさは、側波帯信号の振幅の間の差にかかわらず、共振周波数の両側で等しい量だけ減少する。したがって、明らかな線形の非対称性や結果として生じる共振検出誤差はない。また、側波帯が周波数スペクトル上の異なる位置にあるので、側波帯は、共振器１５４内を伝播するときに特定の信号を識別するために使用することができる。
[0031]ヘテロダイン変調の第２高調波歪みもまた、共振検出誤差につながり、したがって回転検知誤差につながる可能性がある。第２高調波歪みは、同じ次数を有する偶数次側波帯に異なる大きさを持たせる。偶数次波帯が共振ピーク上に又は非常に近くにある場合、高調波歪みは、明らかな線形の非対称性につながり、したがって共振周波数検出の誤差につながる可能性がある。ヘテロダイン変調周波数を自由スペクトル領域の半分の奇数倍に正確に設定することにより、高調波歪みからの誤差はゼロになる。しかし、実際には、ヘテロダイン変調周波数は、自由スペクトル領域の半分の奇数倍に正確に設定することはできず、デバイスの制約によって設定されるある許容範囲内に設定できるにすぎない。第２高調波に起因する誤差のさらなる低減は、レーザのキャリア及び偶数次側波帯をオフレゾナンスに設定することで実現することができ、そのため、キャリア、偶数次側波帯及びキャリアと偶数次側波帯に関連付けられる誤差は、共振器を介して送信されない。図２は、共振器の周波数応答２００に対してキャリア周波数２０６の周りに形成された異なる側波帯信号を示す図である。周波数応答２００は複数の共振ピーク２０２を含む。各共振ピーク２０２は、共振器の自由スペクトル領域に等しい周波数差だけ隣接する共振ピークから離される。図示のように、キャリア周波数２０６は、隣接する共振ピークから自由スペクトル領域の半分離れた周波数に位置する。キャリア周波数２０６は共振ピークに位置していないので、キャリア周波数は共振器内で共振することができない。自由スペクトル領域の半分に等しい周波数での変調は、共振ピーク２０２に位置する側波帯信号２０４Ａ及び２０４Ｂを生成する。また、変調により、キャリア周波数２０６から自由スペクトル領域の半分のさらなる倍数に位置する他の高次高調波信号２０８が生成される。高次高調波信号２０８のいくつかは他の共振ピークに対応し、しかし、高次高調波信号２０８は、１次高調波側波帯信号２０４Ａ及び２０４Ｂよりも小さい振幅を有する。キャリア周波数２０６が共振器内で共振することができないので、側波帯信号２０４Ａ及び２０４Ｂは、共振コイル１５４の共振周波数を検出し、側波帯信号２０４Ａ及び２０４Ｂをオンレゾナンスで保持するようにキャリア周波数２０６の周波数を調整するために使用される。
[0032]図３は、共振器内を伝播する３つの異なる電界の異なる側波帯信号を示す図であり、共振器は、自由スペクトル領域で分離される複数のＣＷ共振ピーク３０２及びＣＣＷ共振ピーク３０３を有する周波数応答３００を有する。図示のように、共振器は、共振器内を伝播する３つのグループの電界を有する。第１のグループ３１０、第２のグループ３２０、及び第３グループ３３０である。各グループの電界は、図２に関して上述した異なる電界のように機能する。各グループは、キャリア周波数と、キャリア周波数の周りに均一に間隔を置いて配置される高調波の側波帯とを有する。しかしながら、各グループのキャリア周波数と間隔は、異なるグループの少なくとも下位側波帯が重ならないように異なっている。
[0033]各グループにおいて、キャリア周波数は、最も隣接する共振ピークから自由スペクトル領域の半分だけ離れて位置する。図示されるように、第１のグループ３１０の第１のキャリア周波数３１２、第２のグループ３２０の第２のキャリア周波数３２２、及び第３グループ３３０の第３のキャリア周波数３３２は、すべて、最も隣接する共振ピークから自由スペクトル領域の半分だけ離れて異なる周波数に位置する。さらに、第１の高調波側波帯信号は、対応するキャリア周波数から自由スペクトル領域の奇数倍離れて位置し、低次高調波側波帯信号は、共振器内を伝播する他の信号と重ならない。例えば、第１のグループ３１０において、１次高調波側波帯信号３１４Ａ及び３１４Ｂは、キャリア周波数３１２と１次高調波側波帯信号３１４Ａ及び３１４Ｂの周波数との間の差が共振器の自由スペクトル領域の４．５倍に等しい周波数に配置される。同様に、第２のグループ３２０において、１次高調波側波帯信号３２４Ａ及び３２４Ｂは、キャリア周波数３２２と１次高調波側波帯信号３２４Ａ及び３２４Ｂの周波数との差が共振器の自由スペクトル領域の３．５倍に自由に等しい周波数に配置される。第３のグループ３３０において、１次高調波側波帯信号３３４Ａ及び３３４Ｂは、キャリア周波数３３２と１次高調波側波帯信号３３４Ａ及び３３４Ｂの周波数との間の差が共振器の自由スペクトル領域の６．５倍に等しい周波数に配置される。ある実施例では、光信号の１つのグループの低次高調波側波帯信号が低次高調波側波帯信号と重ならないことを保証するために、異なるキャリア周波数及び高調波側波帯間の間隔を特定するためにソフトウェアツールを使用してもよい。
[0034]図４は、側波帯ヘテロダイン検波を実施するＲＦＯＧ４００の１つの実施例のブロック図である。上述したように、ＲＦＯＧ４００は、ナビゲーションシステム、プラットフォーム安定化システム、ポインティングシステムなどとして機能することができる。例えば、幾つかの実施例では、ＲＦＯＧ４００は、１つ又は複数のＲＦＯＧ及び１つ又は複数の線形加速度計を含む慣性センサユニットの一部として実施される。ＲＦＯＧ４００は、回転速度を測定し、回転速度を示す信号を出力する。ＲＦＯＧ４００からの測定された回転速度は、位置、方向、角速度などのパラメータを計算するために使用されてもよい。計算されたパラメータは、いくつかの実施例では、１つ又は複数の任意のアクチュエータに出力される制御信号を計算するために使用されてもよい。
[0035]さらに、少なくとも１つの実施例では、ＲＦＯＧ４００は、透過及び反射モードのフィードバック制御を含む。レーザ源からの電界は共振器４０２を通って循環する。光が共振器４０２内を伝播できるように、光はポート４８２及び４８０において共振器４０２へと結合される。少なくとも１つの実施例では、ポート４８２及び４８０は、ミラー、光ファイバカプラ、導波路、又は共振器４０２に光を結合するための他の適切なコンポーネントを含む。少なくとも１つの実施例では、ポート４８２及び４８０の各々は、入力ポート及び出力ポートの両方として機能する。たとえば、ポート４８０は、第１の方向（例えば、反時計回り）で共振器４０２へ光を結合する。共振器４０２に結合された光は「透過（送信）ポート」及び「反射ポート」を有する。一般に、透過ポートにおいて検出された全ての光は共振器を通って伝播してきたものであるのに対して、反射ポートにおいては、共振器に入らなかった共振器入射光の一部と共振器を伝播した光との組み合わせが存在する。例えば、ポート４８０はまた、ポート４８２を介して共振器４０２に結合される光の透過ポートとして機能し、ポート４８２は、ポート４８０を介して共振器４０２に結合される光の透過ポートとして機能する。ポート４７８は、ポート４８０を介して共振器４０２に結合される光の反射ポートとして機能する。
[0036]いくつかの実施例では、共振器４０２に結合される光は、ポート４８０及び４８２から得られる光に基づくフィードバック制御によって共振器４０２を使用して周波数安定化される。さらに、マスタレーザアセンブリ４４８によって生成される光が共振器４０２内を伝播する光の周波数をさらに安定化するために使用されるいくつかの実施例では、光はまた、マスタ反射ポート４７８を介して得ることができる。フィードバック制御を使用すると、共振器４０２内を伝播する電界を高周波と低周波の両方で安定化させることができる。少なくとも１つの実施例では、フィードバック制御は、パウンド・ドレバー・ホール（ＰＤＨ）技術を使用して位相雑音を低減することができる。ＰＤＨフィードバック制御を有するレーザ源は、マスタレーザアセンブリ４４８に関連付けられた反射ポート４７８からの光を検知するＰＤＨ光検出器４１４からの信号を受信する。レーザと共振器との間の相対的な周波数の変化に対する共振器の応答は、反射ポートにおいて、透過ポートよりもはるかに高速である。マスタレーザ４４８を安定化し、したがってマスタレーザ４４８の位相雑音を低減するために、マスタレーザ４４８は、ＰＤＨフィードバック制御を用いることにより、共振器４０２のＣＣＷ共振にロックされる。通常、反射ポートにおける共振線形は、透過ポートにおける共振線形よりも著しい非対称性を有する。反射ポート線形における大幅に大きな非対称性は、マスタレーザ４４８と共振器４０２との間の相対的な周波数でのバイアス誤差及び低周波数ドリフト誤差を生じる。線形の非対称性の変化は主に熱的効果により引き起こされるので、周波数ドリフト誤差は、通常、比較的低い周波数（例えば、１０Ｈｚよりもはるかに小さい）である。バイアス誤差及び低周波数ドリフト誤差は、スレーブレーザを共振器にロックするために透過ポートを用いることによって補正することができる。マスタレーザ４４８と共振器４０２との間の低い相対周波数雑音は、スレーブレーザをマスタレーザにロックする位相ロックループを用いることによってスレーブレーザ４６６、４６８及び４８４に転送される。スレーブレーザ４６６、４６８、及び４８４を共振器４０２の対応する共振周波数にロックするために、送信モードフィードバック制御が、共振器４０２の共振中心（又は、本明細書において単に「共振」と呼ぶ）へとレーザの側波帯をロックするために使用される。マスタレーザ４４８によって生成される光に追従させられる（slaved）各レーザは、特定の透過ポートに関連付けられた光検出器からの信号を受信する、関連するフィードバック制御を有する。例えば、ＲＦＯＧ４００が、第１、第２、及び第３のスレーブレーザを有する場合、第１のスレーブレーザは共振器４０２中でＣＣＷ方向に伝播し、第２及び第３のスレーブレーザはＣＷ方向に伝播する。ＣＷ方向に伝播するレーザは共振器４０２から外へ結合して光検出器４１０に向かって循環し、光検出器４１０は、ＣＷ方向に伝播するレーザのためのフィードバック制御へと信号を提供する。同様に、ＣＣＷ方向に伝播するレーザは共振器４０２から外へ結合して光検出器４０４に向かって循環し、光検出器４０４は、ＣＣＷ方向に伝播するレーザのフィードバック制御へと信号を提供する。したがって、ＰＤＨフィードバック制御は、より高い周波数（例えば、１０Ｈｚより高い）での位相雑音を低減することができ、フィードバック制御はドリフト（例えば、バイアス）誤差を補正することができる。
[0037]マスタレーザアセンブリ４４８によって生成された光がＰＤＨフィードバックを介して制御されるいくつかの実施例では、マスタレーザアセンブリ４４８の出力は、カプラ４７６及び４７２を介して複数のスレーブレーザアセンブリ４８４、４６６、及び４６８に結合される。さらに、マスタレーザアセンブリ４４８の出力は、カプラ４７４を介して共振器４０２に結合される。マスタレーザアセンブリ４４８は、共振器４０２内での循環のための光を生成するように構成される。マスタレーザアセンブリ４４８によって生成される光は、マスタレーザアセンブリ４４８からの光の周波数を、共振器４０２の共振ポート４７８で検出された共振器４０２の共振周波数にロックするために、ＰＤＨフィードバックを受信する。ＰＤＨフィードバック制御は、マスタレーザアセンブリ４４８に結合され、マスタレーザアセンブリ４４８からの光をＰＤＨ変調信号で周波数変調するように構成される。ある例では、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。ＰＤＨフィードバック制御はまた、共振器４０２に結合されて、共振器４０２のポート４７８からの光を検知し、ＰＤＨ変調信号に基づいて光を復調するように構成される。この復調に基づいて、ＰＤＨフィードバック制御は、マスタレーザアセンブリ４４８からの光の周波数を、ポート４７８での共振器４０２の共振のために調整するためのＰＤＨ誤差信号を生成する。マスタレーザアセンブリ４４８からの光が周波数変調されるので、ＰＤＨ誤差信号は、光の時間平均周波数の値を調整するように構成される。
[0038]図示のように、ＲＦＯＧ４００は、ＰＤＨフィードバック制御により、マスタレーザアセンブリ４４８によって生成される光にロックされる、少なくとも１つのスレーブレーザを含む。マスタレーザアセンブリ４４８によって生成される光にスレーブレーザをロックすると、ＰＤＨフィードバック制御の周波数雑音低減がスレーブレーザにもたらされる。このマスタスレーブ設定を用いることにより、透過ポートにおいて共振周波数を検出するためにスレーブレーザに対して共通の変調を適用する少なくとも２つの方法がある。１つの方法は、ＰＤＨ誤差信号に変調を加えることであり、これは、共振器４０２の共振周波数に対してマスタレーザのロック点を変調する。スレーブレーザがマスタレーザに対して位相ロックされるので、スレーブレーザの周波数はまた、共振器の共振周波数に対して変調する。この方法の１つの欠点は、ＰＤＨ誤差信号の非線形性が、回転検出誤差につながる可能性のある変調歪みを引き起こし得ることである。スレーブレーザに共通の周波数変調を適用する別の方法は、スレーブレーザをマスタにロックするために使用されるマスタ光の位相を変調することである。マスタスレーブ設定を使用すると、ＰＤＨ誤差信号及び送信モード変調信号を分離することにより変調歪みを低減することができる。ＰＤＨ誤差信号はマスタレーザ４４８を制御し、送信モード変調信号はスレーブレーザを変調する。
[0039]以上のように、マスタレーザアセンブリ４４８によって生成された光は、ＰＤＨフィードバック制御を用いて反射ポートにおいて共振器４０２の共振にロックされる。（第１のスレーブレーザ４６４などの）スレーブレーザは、光位相ロックループ（ＰＬＬ）を用いて、マスタレーザアセンブリ４４８によって生成される光にロックされる。ＰＬＬは、スレーブレーザに、共振器相対周波数雑音の質が低いＰＤＨ制御されるマスタレーザアセンブリ４４８を提供する。１つの実施例では、マスタレーザアセンブリ４４８からの光は、ロックするためにカプラ４７６を介して第１のスレーブレーザ４６４に結合される。第１のスレーブレーザ４６４は、（以下に説明する送信モード調整信号にかかわらず）マスタレーザアセンブリ４４８及び第１のスレーブレーザ４６４によって生成される光の間に一定の周波数差があるように設定される。周波数差は、動作中にマスタレーザアセンブリ４４８、スレーブレーザ４６４、又は共振器４０２によって生成される光の変化に基づいて変化しない。周波数差は、共振器４０２の共振モードに基づいて、ＲＦＯＧ４００の初期動作の前又は初期動作中に設定される。特に、共振器４０２の所与の共振モードに設定されたマスタレーザアセンブリ４４８によって生成される光により、周波数差は、スレーブレーザ４６４の側波帯が共振器４０２の異なる共振モードにあるように設定される。
[0040]周波数差は、スレーブレーザに対する送信モードフィードバック制御からの周波数差信号によって設定される。１つの実施例では、周波数差は、直接デジタルシンセサイザ（ＤＤＳ）などの安定周波数源によって決定される。したがって、マスタレーザアセンブリ４４８は第１の周波数付近の光を出力し、第１のスレーブレーザ４６４は、当該周波数差だけ第１の周波数から離れた第２の周波数付近の光を出力する。マスタレーザアセンブリ４４８及びスレーブレーザ４６４によって生成される光の両方の周波数は、変調され、それに応じて異なるものとなる。さらに、（ＣＣＷの第１のスレーブ処理４３４内で実施される）フィードバック制御は、第１のスレーブレーザ４６４からの光の（平均）周波数を調整するために送信モード調整信号を提供する。送信モード調整信号は、共振器４０２のポート４８２における共振追跡誤差信号に基づいて、第１のスレーブレーザ４６４の周波数に対する調整を含む。特に、ＣＣＷの第１のスレーブ処理４３４からの調整信号は、第１のスレーブレーザ４６４の側波帯を、透過ポート４２４において検出された共振へロックする。したがって、調整は、第１のスレーブレーザ４６４及び共振器４０２の側波帯の変化に基づいて経時的に変化する。
[0041]ＣＣＷの第１のスレーブ処理４３４は、第１のスレーブレーザ４６４とマスタレーザアセンブリ４４８によって生成される光との間の周波数差、及び送信モード調整信号を含む合成信号を、第１のスレーブレーザ４６４に提供する。ＣＣＷの第１のスレーブ処理４３４からの合成信号は、第１のスレーブレーザ４６４を、周波数差に送信モード調整信号を加えたものに等しい平均周波数に設定させる。送信モード調整信号は、マスタレーザとスレーブレーザ４６４との間の相対周波数を調整することにより、第１のスレーブレーザ４６４の１次側波帯を共振器４０２の共振に保つことができる。ＰＤＨフィードバック制御により第１のスレーブレーザ４６４をマスタレーザアセンブリ４４８によって生成される光にロックすることと、第１のスレーブレーザ４６４の周波数をＣＣＷの第１のスレーブ処理４３４からの信号とロックすることとの組み合わせにより、第１のスレーブレーザ４６４に、ＰＤＨフィードバック制御の帯域幅内の共振器に関連した低周波数雑音と共振器に関連した低周波数ドリフトの両方がもたらされる。第１のスレーブレーザ４６４からの光は、次いで、正確な回転測定のために使用することができる。第１のスレーブレーザ４６４と同様に、第２のスレーブレーザアセンブリ４６６及び第３のスレーブレーザアセンブリ４６８によって生成される光もまた、マスタレーザアセンブリ４４８によって生成される光にロックされる。さらに、第２のスレーブレーザアセンブリ４６６及び第３のスレーブレーザアセンブリ４６８からの光はまた、ＣＷの第２のスレーブ処理４３２及びＣＷの第３のスレーブ処理４３０によって生成される信号によってそれぞれ調整される。
[0042]いくつかの実施例では、フィードバック制御で第１のスレーブレーザアセンブリ４８４、第２のスレーブレーザアセンブリ４６６、及び第３のスレーブレーザアセンブリ４６８によって生成される光は、スレーブレーザアセンブリ内のスレーブレーザが、（変調誘起１次側波帯を共振器４０２の共振周波数にロックすることによって）共振器４０２の共振ピーク上にロックされて、スレーブレーザと共振器１０６との間の相対周波数ドリフトやジッタを低減することを可能にする。これにより、位相雑音を有し振動環境にあるレーザを有するジャイロスコープの性能を向上させることができる。
[0043]ＲＦＯＧにおける回転検知に使用されるスレーブレーザアセンブリ４８４、４６６、４６８内のスレーブレーザは、マスタ−スレーブ設定を使用して透過及び反射モードのフィードバック制御をもたらし、第１のスレーブレーザアセンブリ４８４から生成された光は共振器４０２を通じて第１の方向に循環し、第２のスレーブレーザアセンブリ４６６から生成された光は共振器４０２を通じて第２の方向に第１のスレーブレーザと対向して伝播する。さらに、第３のスレーブレーザアセンブリ４６８からの光はまた、共振器４０２に結合されて、共振器１０６を通じて第２の方向に、第１のスレーブレーザアセンブリ４８４からの光と反対に伝播する。少なくとも１つの実施例では、第１、第２、及び第３のスレーブレーザアセンブリ４８４、４６６、及び４６８は同様のコンポーネントを含む。図４は、第１のスレーブレーザアセンブリ４８４のコンポーネントを示し、第２及び第３のスレーブレーザ４６６、４６８は同様のコンポーネントを含むことができる。
[0044]スレーブレーザアセンブリ４８４、４６６、４６８の各々は、共振器４０２からの透過及び反射モードのフィードバックで安定化される。すなわち、スレーブレーザアセンブリ４８４、４６６、４６８の各々は、回転検知に使用される共振器４０２からのフィードバックに基づいて制御される。レーザを安定化させるために別個の基準共振器を使用するのではなく、回転検知並びに透過及び反射モードフィードバックについて同じ共振器４０２を用いることによって、スレーブレーザアセンブリ４８４、４６６、４６８及びジャイロスコープ共振器４０２によって生成されるレーザ間の相対周波数雑音が低減され、ＲＦＯＧ４００の性能を向上させることができる。
[0045]スレーブレーザアセンブリ４８４、４６６、及び４６８により生成される光の周波数雑音を低減するための反射モードフィードバックは、ＰＤＨフィードバック制御４４４によってジャイロ共振器４０２にロックされるマスタレーザアセンブリ４４８によって生成される光に、スレーブレーザアセンブリ４８４、４６６、及び４６８の各々からの光をロックすることによって達成される。したがって、マスタレーザアセンブリ４４８によって生成された光は、ポート４７８において共振器４０２の共振にロックすることができる。ＰＤＨフィードバック制御４４４を実現するための様々な実施例は、参照により本明細書に組み込まれる、２０１２年８月１０日に出願された「ＬＡＳＥＲ ＷＩＴＨ ＴＲＡＮＳＭＩＳＳＩＯＮ ＡＮＤ ＲＥＦＬＥＣＴＩＯＮ ＭＯＤＥ ＦＥＥＤＢＡＣＫ ＣＯＮＴＲＯＬ」というタイトルの米国特許出願番号第１３／５７１，８８７号に開示される。したがって、ＰＤＨフィードバック制御４４４は、マスタレーザアセンブリ４４８によって生成される光を共振器４０２の反射ポート４７８において検出される共振にロックし、マスタレーザ４４８によって生成される参照光のＰＤＨ変調を達成するようにマスタレーザアセンブリ４４８を制御するために、マスタレーザアセンブリ４４８によって生成される光を調整するように構成される。ある実施例では、マスタレーザアセンブリ４４８からの参照光は、第１のスレーブレーザアセンブリ４８４からの第１のスレーブ光と同じ方向に共振器４０２を介して循環するように結合される。
[0046]マスタレーザアセンブリ４４８からの参照光はまた、ロックするためにスレーブレーザアセンブリ４８４、４６６、及び４６８の各々に送られる。マスタレーザアセンブリ４４８によって生成される光と各々のスレーブレーザアセンブリ４８４、４６６及び４６８によって生成される光との間に一定の周波数差が存在するように、スレーブレーザアセンブリ４８４、４６６及び４６８の各々によって生成される光は、マスタレーザアセンブリ４４８によって生成される光にロックされる。さらに、各スレーブレーザアセンブリ４８４、４６６、及び４６８は、マスタレーザアセンブリ４４８によって生成される光とは異なる一定の周波数差を有する光を生成し、そのため、各スレーブレーザアセンブリ４８４、４６６、及び４６８は、他のスレーブレーザアセンブリ４８４、４６６、及び４６８によって生成される光とは異なる周波数の光を生成する。スレーブレーザアセンブリ４８４、４６６、及び４６８によって生成される光に関するさらなる詳細は以下に提供される。スレーブレーザアセンブリ４８４、４６６、及び４６８の各々は、光ＰＬＬにより、マスタレーザ４４８によって生成される光にロックすることができる。したがって、スレーブレーザ４８４、４６６、及び４６８の各々によって生成される光は、ＰＤＨ技術に基づいて、共振器４０２に対して低周波数雑音を達成することができる。
[0047]図１−３に関連して上述したように、スレーブレーザアセンブリ４８４、４６６、及び４６８によって生成される光は、共振器４０２の共振ピーク間にある特定の周波数を有する電界の側波帯を生成するための位相変調器を含み、その結果、電界の変調により、共振器４０２の共振ピーク上に配置された１次高調波側波帯信号が生成される。例えば、第１のスレーブアセンブリ４８４における第１のスレーブレーザ４６４は、共振器４０２の共振ピークから自由スペクトル領域の半分である周波数を有する光をもたらす。第１のスレーブレーザ４６４からの光は、第１のヘテロダイン変調器４５４に提供される。第１のヘテロダイン位相変調器４５４は、第１のヘテロダイン信号源４５２からの信号で第１のスレーブレーザ４６４からの光を位相変調し、第１のヘテロダイン信号は、共振器４０２の自由スペクトル領域の半分の奇数倍に等しい高周波信号を生成する。第１のヘテロダイン変調器４５４は、共振器４０２の共振ピークに対応する周波数における第１高調波側波帯を有する信号を生成する。同様に、第２及び第３のスレーブレーザアセンブリ４６６及び４６８はまた、共振器４０２の共振ピークに対応する周波数における側波帯を有する電界を生成する。図３に関連して上述したように、各スレーブレーザアセンブリによって生成される側波帯は、共振器４０２の異なる共振ピークにある。
[0048]ある実施例では、スレーブレーザアセンブリ４８４、４６６、及び４６８によって生成された光はまた、共振器４０２のそれぞれの透過ポート４８２及び４８０において検出された共振にロックするように制御される。スレーブレーザアセンブリ４８４、４６６、及び４６８によって生成される光は、送信モードフィードバック制御により、それぞれの透過ポートにおいて検出された共振にロックされる。送信モードフィードバック制御は、図１に関連して上述したように、光検出器４１０及び４０４によって生成された信号を復調するコンポーネントを含むことができる。特に、光検出器４１０及び４０４において検出された光に応答して生成された信号は、発振信号源４１６によって提供されるヘテロダイン変調周波数の２倍の周波数でヘテロダイン復調器４１８によって復調される。ある実施例では、ヘテロダイン周波数がモニタされ、共振ポートにおいて受け取られた光をモニタすることによって調整される。さらに、いくつかの実施例では、信号はまた、スレーブレーザアセンブリ４８４、４６６、及び４６８によって生成された光をマスタスレーブアセンブリ４４８によって生成された光にロックすることによって生成される変調に対応する共通の変調周波数に従って、復調器４２４によって復調される。少なくとも１つの実施例において、各復調後、信号は低域通過フィルタによってフィルタリングされる。信号がフィルタリングされて復調されると、信号は、スレーブレーザアセンブリ４８４、４６６、および４６８によって生成される光を共振器４０２の透過ポート共振信号にロックするために信号を提供するスレーブ処理に渡される。例えば、第１のスレーブレーザアセンブリによって生成される側波帯信号は、ＣＣＷ方向で共振器４０２内を伝播し、ポート４８２を介して共振器の外に送信される。側波帯は光検出器４０４によって検出され、光検出器４０４は復調器４１８及び４２４に信号を提供し、復調器４１８及び４２４はＣＣＷの第１のスレーブ処理４３４のために信号を復調する。ＣＣＷの第１のスレーブ処理４３４はミキサ４６０に周波数信号を提供し、第１のスレーブレーザ４６４により生成される光とマスタレーザアセンブリ４４８から受け取られる光との間の干渉によって生成されるビート信号と混合する。ミキサ４６０はサーボ４６２を介して誤差信号を渡し、サーボ４６２は、スレーブレーザ４６４とマスタレーザ４４８との間のビート信号がスレーブ処理４３４からの周波数信号と同じ周波数を有するように、第１のスレーブレーザ４６４により生成される光を調整する。スレーブ処理４３４は、レーザ４６４の１次ヘテロダイン変調側波帯が共振器４０２の共振ピークにあるように、第１のレーザ４６４によって生成された光を調整するためにミキサ４６０に対する周波数信号を調整する。同様に、ＣＷの第２のスレーブ処理４３２は、第２のレーザアセンブリ４６６によって生成される側波帯の電界を共振器４０２の共振ピークにロックするために、透過ポート４８０から受け取られる信号を復調する。また、ＣＷの第３のスレーブ処理４３０は、第３のレーザアセンブリ４６８によって生成される側波帯の電界を共振器４０２の共振ピークにロックするために、透過ポート４８０から受け取られた信号を復調する。
[0049]図５は、側波帯ヘテロダイン検波を実施するＲＦＯＧ５００の１つの実施例のブロック図である。ＲＦＯＧ５００は、スレーブレーザアセンブリを除いて、図４のＲＦＯＧ４００と実質的に同様である。例えば、第１のスレーブレーザアセンブリ５８４は、第１のスレーブレーザ５６４を含む。ある実施例では、第１のスレーブレーザ５６４は、共振ピークから自由スペクトル領域の半分離れた周波数を有する第１のスレーブレーザビームを生成する。第１のスレーブレーザビームは、第１のヘテロダイン周波数５５２でヘテロダイン位相変調器５５４によって変調されて、共振器５０２の共振ピークに位置する側波帯を生成する。ヘテロダイン位相変調器５５４は、光位相ロックループの高周波フィードバック制御を提供するためにも使用される。サーボ５６２は、第１のレーザ５６４からの光の周波数を制御するために２つの制御信号を提供する。スレーブレーザ５６４に向かう制御信号は、スレーブレーザ周波数を、ＤＣから、制御ループの帯域幅によって制限されるある周波数に制御する。典型的には、帯域幅は、レーザの周波数応答によって制限される。レーザ５６４の周波数の周波数制御の全体的な帯域幅を増加するために、別のフィードバック制御信号が、サーボ５６２から、レーザ５６４よりも高速な周波数応答を有し得る位相変調器５５４に送信される。しかしながら、位相変調器５５４は、ＤＣにおける利得を有しておらず、したがって、高い周波数での周波数制御を提供することができるにすぎない。側波帯が共振器５０２の共振ピークにとどまるように第１のスレーブレーザビームの周波数を調整するために、ＣＣＷのスレーブ処理５３４は、周波数信号をミキサ５６０に対して調整し、これは、次に、サーボ５６２に、第１のスレーブレーザビームの平均周波数を調整させる。図４に関連して上述したように、サーボ５６２は、ミキサ５６０からの入力を受信し、ミキサ５６０は、マスタレーザアセンブリ５４８からの入力、ＣＣＷの第１のスレーブ処理５３４から処理結果、及びスレーブレーザ５６４からの入力を受信する。ヘテロダイン変調周波数は、光位相ロックループの帯域幅より高く設定され、したがって、サーボ５６２は、スレーブレーザ光に与えられるヘテロダイン変調に応答しない。サーボ５６２は、第１のレーザビームのキャリア周波数を調整するためにこれらの信号の組み合わせを使用する。
[0050]図６は、側波帯ヘテロダイン検波を実施するＲＦＯＧ６００の１つの実施例のブロック図である。ＲＦＯＧ６００は、スレーブレーザアセンブリを除いて、図５のＲＦＯＧ５００と実質的に同様である。例えば、第１のスレーブレーザアセンブリ６８４は、第１のスレーブレーザ６６４を含む。ある実施例では、第１のスレーブレーザ６６４は、共振ピークから自由スペクトル領域の半分離れた周波数を有する第１のスレーブレーザビームを生成する。ヘテロダイン変調を提供したり、光位相ロックループの高周波フィードバック制御を提供したりするために使用される位相変調器は存在しない。代わりに、光位相ロックループのフィードバックは、全体的にスレーブレーザ６６４に向かう。これは、半導体ベースのレーザなどの、十分な周波数変調帯域幅を有するレーザが採用される場合に行うことができる。ヘテロダイン信号源６５２からのヘテロダイン変調が、サーボ６６２の出力のフィードバック信号と加算される。これにより、ヘテロダイン信号源６５２は、スレーブレーザ６６４に対して直接的にヘテロダイン変調を適用して、共振器６０２の共振ピークに位置する側波帯を生成するすることができる。側波帯が共振器６０２の共振ピークにとどまるように第１のスレーブレーザビームの周波数を調整するために、ＣＣＷのスレーブ処理６３４は、ミキサ６６０に対する周波数信号を調整し、これは、次いで、サーボ６６２に、第１のスレーブレーザビームの平均周波数を調整させる。図４及び図５に関連して上述したように、サーボ６６２は、マスタレーザアセンブリ６４８からの入力を受信するミキサ６６０からの入力、ＣＣＷの第１のスレーブ処理６３４からの処理結果、及びスレーブレーザ６６４からの入力を受信する。ヘテロダイン変調周波数は、光位相ロックループの帯域幅よりもはるかに高く設定され、したがって、サーボ６６２は、スレーブレーザ光に課されるヘテロダイン変調に応答しない。サーボ６６２は、第１のレーザビームのキャリア周波数を調整するためにこれらの信号の組み合わせを使用する。
[0051]図７は、共振光ファイバシステムにおいて側波帯ヘテロダイン検波を実施するための方法７００のフロー図である。方法７００は、複数の電界が生成される７０２において開始する。複数の電界が生成されると、各電界は、共振器の共振周波数から自由スペクトル領域の半分離れたものに等しい異なる周波数で生成される。方法７００は７０４に進み、複数の電界は、複数のヘテロダイン周波数によって変調されて、複数の側波帯信号を生成する。複数の側波帯信号を生成するために、各電界は自由スペクトル領域の半分の奇数倍に等しい異なる周波数で変調される。変調により側波帯信号が生成され、１次高調波側波帯は共振器の共振周波数に位置するが、別の電界に関連付けられた高調波側波帯と重ならない。
[0052]さらなる実施例では、方法７００は７０６に進み、複数の側波帯信号は共振器内を循環する。ある実施例では、複数の側波帯信号は、ＣＷ方向に共振器の周りを伝播する信号のグループと、ＣＣＷ方向に共振器の周りを伝播する信号のグループとに分離される。方法７００は７０８に進み、複数の側波帯信号が検出されて、複数の側波帯信号を生成する。例えば、共振器内を伝播している側波帯信号は、共振器の外へ循環され、光検出器によって受信される。光検出器は、共振器の外で受けた光から、複数の検出された側波帯信号を生成する。
[0053]少なくとも１つの実施例では、方法７００は７１０に進み、複数の検出された側波帯信号が復調される。例えば、複数の検出された側波帯信号は、側波帯信号を生成するために使用されたヘテロダイン周波数の２倍に等しい周波数で復調される。さらに、複数の検出された側波帯信号は、共通の変調周波数で復調されてもよい。方法７００は、次いで、７１２に進み、複数の電界の周波数が調整される。
例示的な実施例
[0054]実施例１は、光が内部で共振することを可能にするように構成される光共振器と、少なくとも１つの光源、少なくとも１つの光源であって、当該少なくとも１つの光源からの光が複数の光電界を形成するように制御され、複数の電界の各電界が共通の変調周波数で位相又は周波数変調され、複数の電界の各電界が異なる周波数にある、少なくとも１つの光源と、複数のヘテロダイン変調器であって、当該複数のヘテロダイン変調器の各ヘテロダイン変調器は、複数の電界のそれぞれの電界をそれぞれのヘテロダイン周波数で位相又は周波数変調して複数の側波帯を形成し、対応するヘテロダイン周波数は複数のヘテロダイン変調器の各ヘテロダイン変調器について異なる、複数のヘテロダイン変調器と、複数の側波帯を光共振器に結合するように構成される少なくとも１つのカプラと、共振器に結合されたフィードバック制御であって、共振器から外へ送信された複数の側波帯を検出して、複数の検出された側波帯信号を生成し、複数の検出された側波帯信号に基づいて複数の電界の周波数を調整するように構成される、フィードバック制御とを備えるシステムを含む。
[0055]実施例２は、実施例１のシステムを含み、フィードバック制御は、それぞれのヘテロダイン周波数の各々の対応するヘテロダイン周波数の２倍のそれぞれの復調周波数で複数の検出された側波帯信号を復調して、複数の検出された側波帯信号における異なる検出された側波帯信号を区別する。
[0056]実施例３は、実施例１−２のいずれかのシステムを含み、フィードバック制御は、複数の側波帯信号が光共振器の共振周波数にあるかどうかを判断するために、共通の変調周波数によって複数の側波帯を復調する。
[0057]実施例４は、実施例１−３のいずれかに記載のシステムを含み、複数の側波帯における１次高調波側波帯が光共振器の異なる共振周波数に位置するように、対応するヘテロダイン周波数及び複数の電界の異なる周波数が選択される。
[0058]実施例５は、実施例１−４のいずれかのシステムを含み、複数の電界中の電界は、光共振器の共振周波数から自由スペクトル領域の半分に位置し、それぞれのヘテロダイン周波数は自由スペクトル領域の半分の奇数倍に実質的に等しい。
[0059]実施例６は、実施例１−５のいずれかのシステムを含み、複数の電界の周波数はマスタレーザの基準周波数にロックされる周波数を有するスレーブレーザである。
[0060]実施例７は、実施例１−６のいずれかのシステムを含み、複数の電界が、単一のレーザによって生成される光を複数の異なる周波数に周波数シフトすること、及び複数の異なるレーザによって生成される光を使用することのうち少なくとも１つによって生成される。
[0061]実施例８は、共振器光ファイバジャイロスコープであって、光が内部で共振することを可能にするように構成される共振器であって、おのおのが自由スペクトル領域だけ分離される複数の共振周波数を有する、共振器と、第１の周波数を有する第１の光を生成する第１のレーザと、第１のヘテロダイン周波数で第１のスレーブ光を位相又は周波数変調して、複数の共振周波数のうちの第１の側波帯共振周波数に位置する第１の側波帯信号を生成する、第１のヘテロダイン変調器であって、第１の側波帯信号は第１の方向に共振器内を伝播する、第１のヘテロダイン変調器と、第２の周波数を有する第２の光を生成する第２のレーザと、第２のヘテロダイン周波数で第２の光を位相又は周波数変調して、複数の共振周波数のうちの第２の側波帯共振周波数に位置する第２の側波帯信号を生成する、第２のヘテロダイン変調器であって、第２の側波帯信号は第１の方向とは反対の第２の方向に共振器内を伝播する、第２のヘテロダイン変調器と、共振器の第１のポートから受信した第１の側波帯信号を検出して第１の検出された信号を生成し、第１の検出された信号を復調して第１の復調された信号を形成し、第１の復調された信号に基づいて第１の側波帯信号が第１の側波帯共振周波数のより近くに移動するように第１の周波数を調整するように構成された第１のフィードバック制御と、共振器の第２のポートから受信した第２の側波帯信号を検出して第２の検出された信号を生成し、第２の検出された信号を復調して第２の復調された信号を形成し、第２の復調された信号に基づいて第２の側波帯信号が第２の側波帯共振周波数のより近くに移動するように第２の周波数を調整するように構成された第２のフィードバック制御とを備える、共振器光ファイバジャイロスコープを含む。
[0062]実施例９は、実施例８の共振器光ファイバジャイロスコープを含み、第１のフィードバック制御は、第１のヘテロダイン周波数の２倍の第１の復調周波数で第１の検出された信号を復調することによって、第１の検出された信号を復調する。
[0063]実施例１０は、実施例８−９のいずれかの共振器光ファイバジャイロスコープを含み、さらに、第３の周波数を有する第３の光を生成する第３のレーザと、第３の光を第３のヘテロダイン周波数で位相又は周波数変調して、複数の共振周波数のうちの第３の共振周波数に位置する第３の側波帯信号を生成する第３のヘテロダイン変調器であって、第３の側波帯信号は第２の方向に共振器中を伝播する、第３のヘテロダイン変調器と、共振器の第３のポートから受信した第３の側波帯信号を検出して第３の検出された信号を生成し、第３の検出された信号を復調して第３の復調された信号を形成し、第３の復調された信号に基づいて第３の側波帯信号が第３の側波帯共振周波数のより近くに移動するように第３の周波数を調整するように構成された第３のフィードバック制御とを備える。
[0064]実施例１１は、実施例８−１０のいずれかの共振器光ファイバジャイロスコープを含み、第１の側波帯共振周波数が第２の側波帯共振周波数と異なるように、第１の周波数、第２の周波数、第１のヘテロダイン周波数、及び第２のヘテロダイン周波数が選択される。
[0065]実施例１２は、実施例８−１１のいずれかの共振器光ファイバジャイロスコープを含み、第１の光と第２の光が共通の周波数によって変調される。
[0066]実施例１３は、実施例１２の共振器光ファイバジャイロスコープを含み、第１の検出された信号及び第２の検出された信号は共通の周波数によって復調される。
[0067]実施例１４は、実施例８−１３のいずれかの共振器光ファイバジャイロスコープを含み、基準周波数を有する基準レーザビームを生成するように構成された基準レーザをさらに備え、基準レーザビームは第１の方向に共振器を通じて循環し、第１の周波数及び第２の周波数は基準周波数にロックされる。
[0068]実施例１５は、実施例１４の共振器光ファイバジャイロスコープを含み、第１の光の第１の周波数は複数の共振周波数のうちの第１の共振周波数から自由スペクトル領域の半分であり、第１のヘテロダイン周波数は自由スペクトル領域の半分の奇数倍に実質的に等しく、第２の光の第２の周波数は複数の共振周波数のうちの第２の共振周波数から自由スペクトル領域の半分であり、第２のヘテロダイン周波数は自由スペクトル領域の半分の奇数倍に実質的に等しい。
[0069]実施例１６は、実施例８−１５のいずれかの共振光ファイバジャイロスコープを含み、第１の側波帯信号は第１のヘテロダイン周波数で変調された第１の周波数の１次高調波帯側波帯を含み、第２の側波帯信号は第２のヘテロダイン周波数で変調された第２の周波数の１次高調波帯側波帯を含む。
[0070]実施例１７は、回転をモニタする方法を含み、当該方法は、複数の電界を生成するステップと、複数のヘテロダイン周波数によって複数の電界を変調して複数の側波帯信号を生成するステップと、共振器内で複数の側波帯信号を循環させるステップと、共振器の少なくとも１つのポートにおいて複数の側波帯信号を検出して複数の検出された側波帯信号を生成するステップと、複数の検出された側波帯信号を復調するステップと、複数の電界の周波数を調整するステップとを含み、周波数を調整するステップは、複数の側波帯信号の側波帯周波数を共振器の共振ピークに向かって移動させる。
[0071]実施例１８は、実施例１７の方法を含み、複数の検出された側波帯信号を復調するステップは、対応するヘテロダイン周波数の２倍で少なくとも１つの検出された側波帯信号を復調して、複数の側波帯信号のうちの各々の検出された側波帯信号を区別するステップと、少なくとも１つの検出された側波帯信号を共通の変調周波数で復調して、共振誤差を識別するステップとを含む。
[0072]実施例１９は、実施例１７−１８のいずれかの方法を含み、共通の変調周波数によって複数の電界を変調するステップをさらに含む。
[0073]実施例２０は、実施例１７−１９のいずれかの方法を含み、複数の電界は、マスタレーザの基準周波数に対して参照される周波数にある。
[0074]本明細書においては特定の実施例が示されて説明されたが、当業者は、同じ目的を達成するために計算される任意の構成が、示された特定の実施例に代えて使用できることを理解するであろう。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限定されることが明白に意図される。

Claims (3)

  1. 光が内部で共振することを可能にするように構成される光共振器（１５４）と、
    少なくとも１つの光源（１０２）であって、前記少なくとも１つの光源（１０２）からの光が複数の光電界を形成するように制御され、前記複数の電界の各電界が共通の変調周波数で位相又は周波数変調され、前記複数の電界の各電界が異なる周波数にある、少なくとも１つの光源（１０２）と、
    複数のヘテロダイン変調器（１１４、１２０、１２８）であって、前記複数のヘテロダイン変調器（１１４、１２０、１２８）の各ヘテロダイン変調器は、前記複数の電界のそれぞれの電界をそれぞれのヘテロダイン周波数で位相又は周波数変調して複数の側波帯を形成し、対応するヘテロダイン周波数は前記複数のヘテロダイン変調器（１１４、１２０、１２８）の各ヘテロダイン変調器について異なる、複数のヘテロダイン変調器（１１４、１２０、１２８）と、
    前記複数の側波帯を前記光共振器（１５４）に結合するように構成される少なくとも１つのカプラ（４７０、４７４）と、
    前記共振器（１５４）に結合されたフィードバック制御であって、前記共振器から外へ送信された複数の側波帯を検出して、複数の検出された側波帯信号を生成し、前記複数の検出された側波帯信号に基づいて前記複数の電界の周波数を調整するように構成される、フィードバック制御と
    を備えるシステム
  2. 前記フィードバック制御は、前記それぞれのヘテロダイン周波数の各々の前記対応するヘテロダイン周波数の２倍のそれぞれの復調周波数で前記複数の検出された側波帯信号を復調して、前記複数の検出された側波帯信号における異なる検出された側波帯信号を区別する請求項１に記載のシステム。
  3. 回転をモニタする方法であって、
    複数の電界を生成するステップと、
    複数のヘテロダイン周波数によって前記複数の電界を変調して、複数の側波帯信号を生成するステップと、
    共振器（１５４）内で前記複数の側波帯信号を循環させるステップと、
    前記共振器（１５４）の少なくとも１つのポートにおいて前記複数の側波帯信号を検出して、複数の検出された側波帯信号を生成するステップと、
    前記複数の検出された側波帯信号を復調するステップと、
    前記複数の電界の周波数を調整するステップであって、前記複数の側波帯信号の側波帯周波数を前記共振器の共振ピークに向かって移動させる、ステップと
    を含む方法。
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