JP2017037060A - 基準リング共振器を利用した光ファイバ・ジャイロスコープのためのシステムおよび方法 - Google Patents

基準リング共振器を利用した光ファイバ・ジャイロスコープのためのシステムおよび方法 Download PDF

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Abstract

【課題】低コスト低消費電力で、位相ノイズを低減した光ファイバ・ジャイロスコープのためのシステムおよび方法を提供する。【解決手段】共振型光ファイバ・ジャイロスコープは、第１および第２光ビームを生成する第１および第２レーザ源１１０，１１２と、第１および第２光ビームが逆方向に周回する第１共振器１２０と、第１および第２光ビームが逆方向に周回する第２共振器１４０と、第１サーボループが、第１共振器１２０を周回したビームおよび第２共振器１４０を周回したビームに基づいて第１レーザ源１１０を制御し、第２サーボ・ループが、第１共振器１２０を周回したビームおよび第２共振器１４０を周回したビームに基づいて第２レーザ源１１２を制御する、第１および第２サーボ・ループと、回転数検出回路とを含む。【選択図】図１

Description

[0001] 共振型光ファイバ・ジャイロスコープ（ＲＦＯＧ）は、次世代ナビゲーション・ジャイロスコープに対する将来有望な候補である。これは、低価格、小型パッケージ・サイズ、および軽量の組み合わせにより、ナビゲーション級の解決手段を提供する潜在的可能性を有する。ＲＦＯＧは、少なくとも２つのレーザ・ビームを使用し、少なくとも１つは共振コイルの周囲を時計回り（ＣＷ）方向に伝搬し、他方は反時計回り（ＣＣＷ）方向に伝搬する。共振型光ファイバジャイロスコープ（ＲＦＯＧ）の動作において、高帯域幅電子サーボを使用して、レーザ光源の周波数を光ファイバ・リング共振器の共振周波数にロックすることが望まれる。現在の基準線ＲＦＯＧ設計では、多くの場合、マスタ・レーザを安定化させるための基準共振器としてジャイロスコープのファイバ・リング共振器の検知コイルを使用する。次いで，高速光位相ロック・ループを使用して、 マスタ・レーザの安定性をスレーブ・レーザに移転させる。この結果、ジャイロ共振器の検知コイルと比較すると、位相ノイズが低減しジャイロの性能が向上する。この手法の欠点の１つは、マスタ・レーザが、回転検知に使用されるスレーブ・レーザ・ビームの１つと共伝搬(co-propagate)しなければならないことである。これら２つのビーム間のビーティング(beating)は、回転検知の誤差の原因となる可能性がある。また、光ファイバは、スレーブ・レーザの出力における位相ノイズを一掃するためにも利用されている。しかしながら、これらの手法の欠点は、それらの動作周波数にジャイロ共振器の検知コイルの共振周波数を追跡させるためには、多くの場合光ファイバをある種の温度制御と組み合わなければならないことである。この温度制御は、多大な電力消散およびコストをジャイロに負わすことになる。
[0002] 以上で述べた理由のため、そして本明細書を読んで理解したときに当業者に明白になる、以下で述べるその他の理由のために、基準リング共振器を利用する光ファイバ・ジャイロスコープのためのシステムおよび方法が、当技術分野では求められている。
[0003] 本発明の実施形態は、基準リング共振器を利用する光ファイバ・ジャイロスコープのためのシステムおよび方法を提供し、以下の明細書を読んで研究することにより理解されよう。
[0004] 一実施形態では、共振型光ファイバ・ジャイロスコープは、第１光ビームを生成する第１レーザ光源と、第２光ビームを生成する第２レーザ光源と、ハブ材料を含む第１ハブの回りに巻回された第１長の光ファイバ材料を含む第１光ファイバ・リング共振器であって、第１光ビームおよび第２光ビームが当該第１光ファイバ・リング共振器内部を逆方向に周回する、第１光ファイバ・リング共振器と、前述のハブ材料を含む第２ハブの回りに巻回された第２長の光ファイバ材料を含む第２光ファイバ・リング共振器であって、第１光ビームおよび第２光ビームが当該第２光ファイバ・リング共振器内部を逆方向に周回する、第２光ファイバ・リング共振器と、第１光ファイバ・リング共振器および第２光ファイバ・リング共振器に結合された第１サーボ・ループであって、第１光ファイバ・リング共振器を周回した第１光ビームの第１部分、および第２光ファイバ・リング共振器を周回した第１光ビームの第２部分の関数として、第１レーザ光源を制御する、第１サーボ・ループと、第１光ファイバ・リング共振器および第２光ファイバ・リング共振器に結合された第２サーボ・ループであって、第１光ファイバ・リング共振器を周回した第２光ビームの第１部分、および第２光ファイバ・リング共振器を周回した第２光ビームの第２部分の関数として、第２レーザ光源を制御する、第２サーボ・ループと、第１光ビームによってロックオンされた第２光ファイバ・リング共振器の第１共振周波数と、第２光ビームによってロックオンされた第２光ファイバ・リング共振器の第２共振周波数との間の差の関数として、回転数測定値を出力する回転数検出回路とを含む。
[0005] 本発明の実施形態は、好ましい実施形態の説明および以下の図を参照して検討すると、一層容易に理解することができ、更に他の利点やその使用も一層容易に明らかになるであろう。
図１は、本開示の一実施形態のジャイロスコープを示す図である。 図１Ａは、本開示の一実施形態のジャイロスコープを示す図である。 図１Ｂは、本開示の一実施形態の代替ビート信号検出構成の図である。 図２は、基準ファイバ・コイルおよびジャイロ・リングに対する共振周波数の一致(alignment)例を示す図である。 図３は、基準ファイバ・コイルおよびジャイロ・リングに対する共振周波数の一致例を示す図である。 図４は、基準ファイバ・コイルおよびジャイロ・リングに対する共振周波数の一致例を示す図である。 図５は、基準ファイバ・コイルおよびジャイロ・リングに対する共振周波数の一致例を示す図である。 図６は、本開示の一実施形態の方法を示すフロー・チャートである。
[0011] 共通の慣例にしたがって、説明する種々の構造(feature)は、同じ拡縮率で描かれるのではなく、本発明に関連のある特徴を強調するように描かれる。参照符号は、図および本文全体を通じて、同じエレメントを示す(denote)。
[0012] 以下の詳細な説明では、その一部を形成する添付図面を参照する。添付図面では、本発明を実施することができる具体的な実例となる実施形態を一例として示す。これらの実施形態は、当業者が本発明を実施することを可能にするために十分に詳細に説明され、更に本発明の範囲から逸脱することなく、他の実施形態が利用されてもよく、論理的、機械的、および電気的変更が行われてもよいことは理解されてしかるべきである。したがって、以下の詳細な説明は、限定的な意味で捕らえてはならない。
[0013] 本開示の実施形態は、共振型光ファイバ・ジャイロスコープ内において第２リング共振器を利用するシステムおよび方法を提供する。この第２リング共振器（ここでは、基準ファイバ共振器と呼ぶ）は、基準光共振器の動作周波数が自動的に、回転数検知リング共振器において生ずる共振周波数のずれを追跡することを確保するために、回転数検知リング共振器（ここではジャイロ・リングと呼ぶ）と同じ構造で作られる。更に、ここでは基準ファイバ共振器と呼ばれるもののファイバ長は、ジャイロ・リングと特殊な関係を有するように選択され、側波帯ヘテロダイン検出（ＳＨＤ：sideband heterodyne detection）変調を直接光ビームに適用すること、および光ファイバ・キャビティを通過してジャイロ共振器上に達することを可能にする。これによって、高価で大きな光位相変調器の必要性を解消する。更に、本明細書において説明する実施態様は、基準ファイバ共振器の動作周波数にジャイロ・リングを追跡させるために温度制御を使用する必要性を回避する。基準ファイバ・リングは、ジャイロ共振器と同じタイプのファイバ材料で製作され、同等のハブ上に巻回されるので、基準ファイバ・リングの共振周波数は当然ジャイロ共振器の共振周波数を追跡する。大きなヒータを必要とする代わりに、小さなヒータを制御ループと共に任意に採用することにより、デバイスにわたる温度勾配、および２つの共振器の光路長熱膨張係数の小さな差に対処することができる。これらの小さなヒータであれば、ジャイロ共振器の温度制御型共振周波数追跡を実施するために必要となるヒータよりも、消費する電力は著しく減少する。
[0014] 図１は、本開示に一実施形態の共振型光ファイバ・ジャイロスコープ（ＲＦＯＧ）１００を示すブロック図である。共振型光ファイバ・ジャイロスコープ（ＲＦＯＧ）１００は、第１光ファイバ・リング共振器１２０（ここでは基準ファイバ・リング１２０と呼ぶ）と、第２光ファイバ・リング共振器１４０（ここではジャイロ・ファイバ・リング１４０と呼ぶ）とを含む。基準ファイバ・リング１２０およびジャイロ・ファイバ・リング１４０は、各々、中央ハブの回りに巻回されたある長さの光ファイバ材料を含む。この光ファイバ材料は、中空コア、中実コア、または誘電体充填ファイバ材料のいずれを含んでもよいが、基準ファイバ・リング１２０およびジャイロ・ファイバ・リング１４０の双方は、同じ光ファイバ材料で組み立てられる。但し、各々を製作するために使用される材料の長さは同じである必要はない。また、これらは、同じハブ材料を含むハブの回りに巻回される。一実施形態では、基準ファイバ・リング１２０およびジャイロ・ファイバ・リング１４０は、各々、チタン酸ジルコン酸鉛のような（しかしこれに限定されるのではない）、同じ圧電セラミック材料を含むハブ材料の回りに巻回され、圧電変換器（図１ではそれぞれＰＺＴ１２２および１４８として示されている）として構成される。ある実施形態では、光ファイバ材料は、限定ではないが、セラミックおよびアルミニウムまたは他の金属の組み合わせというような、同じ組成の材料で作られたハブの回りに巻回されてもよい。
[0015] 以下で更に説明するが、基準ファイバ・リング１２０は、レーザ源１１０および１１２から生成される光の周波数を制御するためのフィードバック信号を生成する基準を提供する。ある実施形態では、基準ファイバ・リング１２０は、ジャイロ・リング１４０に供給される光ビームからノイズを除去するための光学フィルタとしても機能する。ジャイロ・リング１４０は、ジャイロスコープ１００の回転検知エレメントを構成し、時計回り方向および反時計回り方向の共振周波数の差を、逆伝搬光ビーム(counter-propagating light beam)によって測定して、回転数測定値を導き出す。
[0016] 更に、ＲＦＯＧ１００は、第１レーザ源（ＬＳ１）１１０および第２レーザ源（ＬＳ２）１１２も含む。これらはレーザ光ビームを生成し、これらのレーザ光ビームは、少なくとも１つの光カプラ１１５によって少なくとも部分的に基準ファイバ・リング１２０に結合される。レーザ源１１０は、レーザ光の第１光ビーム１０１を出力する。このレーザ光の内少なくともある割合が、カプラ１１５によって基準ファイバ・リング１２０内に結合され、基準ファイバ・リング１２０に沿って(around)第１方向に進行する。レーザ源１１２は、レーザ光の第２光ビーム１０２を出力する。このレーザ光も、少なくともある割合がカプラ１１５によって基準ファイバ・リング１２０内に結合され、基準ファイバ・リング１２０の中を第２方向に進行する。第２方向は、光ビーム１０１が進行する第１方向とは逆である。
[0017] 光カプラ１１５が光ビーム１０１および１０２を基準ファイバ・リング１２０内に丁度入射させる(coupled into)ときに、基準ファイバ・リング１２０内を伝搬する光の一部を逆に出射させる(couple back out)。図１の実施形態では、基準ファイバ・リング１２０から出射するこの光は、レーザ源１１０および１１２を制御するために利用される。
[0018] 例えば、一実施形態では、光ビーム１０１は、レーザ源１１０による生成の後、経路にしたがって進み、サーキュレータ１１４によってカプラ１１５に導かれ、基準ファイバ・リング１２０に入射して、このリングに沿って周回する。また、カプラ１１５に導かれた光１０１には、基準ファイバ・リング１２０に入射することなく、カプラ１１５によってサーキュレータ１１６に導かれる部分もある。光ビーム１０２は、レーザ源１１２による生成の後、経路にしたがって進み、サーキュレータ１１６を通ってカプラ１１５に導かれ、基準ファイバ・リング１２０内に入射し、このリングに沿って周回する。また、カプラ１１５に導かれる光１０２には、基準ファイバ・リング１２０に入射することなく、カプラ１１５によってサーキュレータ１１４に導かれる部分もある。基準ファイバ・リング１２０に沿って周回する各光ビームの一部は、次いで出射する。光ビーム１０１の一部は、伝搬してカプラ１１５から出てサーキュレータ１１６に入り、基準ファイバ・リング１２０に入射しない光の一部と共に、サーボ・ループ１３０の一部を構成する光検出器１３１に導かれる。光検出器１３１において受光された光信号に基づいて、サーボ・ループ１３０はフィードバック信号を生成する。このフィードバック信号は、光ビーム１０１を基準ファイバ・リング１２０の共振周波数にロックさせたまま維持するように、レーザ源１１０の周波数を制御する。同様に、光ビーム１０２の一部は、伝搬してカプラ１１５から出てサーキュレータ１１４に入り、基準ファイバ・リング１２０に入射しない光の一部と共に、サーボ・ループ１５０の一部を構成する光検出器１５１に導かれる。光検出器１５１において受光された光信号に基づいて、サーボ・ループ１５０はフィードバック信号を精製する。このフィードバック信号は、光ビーム１０２を基準ファイバ・リング１２０の共振周波数にロックさせたまま維持するように、レーザ源１１２の周波数を制御する。サーボ・ループ１３０および１５０の各々については、以下で更に詳しく説明する。
[0019] 図１に示す実施形態では、カプラ１１５が光ビーム１０１および１０２を基準ファイバ・リング１２０に入射させ、更に光ビーム１０１および１０２を基準ファイバ・リング１２０から出射させるエレメントであるので、光検出器１３１および１５１に到達した光は、基準ファイバ・リング１２０内を周回した光の成分と、周回しなかった光の成分とを含むことになる。例えば、光ビーム１０１からの光がカプラ１１５に到達したとき、第１部分（例えば、１０％）が基準ファイバ・リング１２０内に入射させられ、残り（例えば、９０％）はカプラ１１５から出て光検出器１３１に向かって進む。同様に、カプラ１１５は、基準ファイバ・リング１２０内を再周回する光ビーム１０１の一部（例えば、１０％）を基準ファイバ・リング１２０から抜き出す一方、残り（例えば、９０％）は再周回し続ける。つまり、光検出器１３１に到達した光は、レーザ源１１０から直接来た光ビーム１０１の成分と、基準ファイバ・リング１２０内を周回した当該ビームの成分との光干渉を含む。光ビーム１０１が共振しているとき、その周波数が基準ファイバ・リング１２０の共振周波数と同調していることを意味し、これら２つの成分は、光学的にカプラ１１５において干渉するとき、互いから１８０度位相ずれとなる。したがって、これら２つの成分は、互いに減数的に干渉して、光検出器１３１に到達する光の光強度の降下(dip)を生ずる。光強度が最小値に達すると、光ビーム１０１は共振状態になる。これは、光ビーム１０２および光検出器１５１に到達する光の光強度にも該当し、光ビーム１０２が共振しているときを判定する。光検出器１３１および１５１によって生成された電気信号は、それぞれのサーボ・ループ１３０および１５０のサーボ電子回路に供給され、レーザ源１１０および１２０を基準ファイバ・リング１２０の共振周波数にロックする。
[0020] この実施形態では、光検出器１３１および１５１は、各々、基準ファイバ・リング１２０の反射ポートと呼ばれるものに結合される。したがって、光検出器１３１および１５１に到達する光の最も大きな成分は、最初に基準ファイバ・リング１２０を通過することなく、直接レーザ源から来るが、これらは、基準ファイバ・リング１２０内を周回した光の減数干渉によって変調される。これが意味するのは、光検出器１３１および１５１は、レーザ源１１０および１２０によって生成された光の変化を素早く検出して反応するので、レーザ源１１０および１２０を基準ファイバ・リング１２０の共振周波数に同調させ続けるために、非常の早い制御ループを形成できるということである。
[0021] 一実施形態では、サーボ・ループ１３０および１５０は、各々、パウンド・ドレーバ・ホール（ＰＤＨ：Pound-Drever-Hall）法のサーボを実装する。例えば、図に示すように、光検出器１３１によって生成された電気信号は復調器１３９に供給され、復調器１３９はこの信号を復調し誤差信号をＰＤＨサーバ１３２に出力する。一方、ＰＤＨサーボ１３２はＰＤＨ法を実現し、制御信号１８０を生成してレーザ源１１０に向けて返送し、誤差信号を最小値に落とそうとする。同様に、光検出器１５１によって生成された電気信号は、復調器１５９に供給され、復調器１５９はこの信号を復調して、誤差信号をＰＤＨサーボ１５２に出力する。一方、ＰＨＤサーボ１５２はＰＨＤ法を実現し、制御信号１８２を生成してレーザ源１１２に向けて返送し、この誤差信号を最小値に落とそうとする。
[0022] 図１に示す実施形態では、基準ファイバ・リング１２０は、ジャイロ・リング１４０に入射する全ての光に対して光学フィルタとしても機能する。したがって、基準ファイバ・リング１２０は、光ビーム１０１および１０２の内、基準ファイバ・リング１２０から出る一部、およびジャイロ・ファイバ・リング１４０に入る一部を結合する少なくとも１つの追加の光カプラ１１７を含む。カプラ１１５と同様に、カプラ１１７は、基準ファイバ・リング１２０内を再周回する光ビーム１０１および１０２の一部（例えば、１０％）を基準ファイバ・リング１２０から抜き出し、残り（例えば、９０％）は再周回し続ける。各方向または周回から抜き出された部分は、ジャイロ・リング１４０に入射する。しかしながら、カプラ１１５から出射し光検出器１３１および１５１に送られる光とは対照的に、カプラ１１７から出射しジャイロ・リング１４０に送られる光の１００％は、基準ファイバ・リング１２０に沿って周回した光である。したがって、基準ファイバ・リング１２０は、この実施形態では、ジャイロ・リング１４０のための光学フィルタとしても役割を果たす。これについては以下で更に詳しく説明する。
[0023] 光ビーム１０１からのレーザ光の内カプラ１１７によって抜き出された部分は、光路にしたがってジャイロ・リング１４０まで進み、カプラ１４３によってジャイロ・リング１４０に入射され、ジャイロ・リング１４０に沿って第１方向（基準ファイバ・リング１２０の第１方向に対応し、これと一致してもよい）に進行する。光ビーム１０２からのレーザ光の内カプラ１１７によって抜き出された部分は、他の光路にしたがってジャイロ・リング１４０まで進み、カプラ１４４によってジャイロ・リング１４０に入射され、ジャイロ・リング１４０に沿って第２方向（基準ファイバ・リング１２０の第２方向に対応し、これと一致してもよい）に進行する。第２方向は、第１方向の逆である。
[0024] 次いで、ジャイロ・リング１４０に沿って周回する各光ビームの一部は出射する。光ビーム１０１の一部は、カプラ１４４から出射しサーキュレータ１４２内に伝搬し、サーボ・ループ１３０の一部を構成する第２光検出器１３３に導かれる。光検出器１３３において受光された光信号に基づいて、サーボ・ループ１３０は更にフィードバック信号を調節し、光ビーム１０１をジャイロ・リング１４０の共振周波数にロックさせたまま維持するようにレーザ源１１０の周波数を制御する。同様に、光ビーム１０２の一部はカプラ１４３から出射してサーキュレータ１４１内に伝搬し、サーボ・ループ１５０の一部を構成する第２光検出器１５３に導かれる。光検出器１５３において受光した光信号に基づいて、サーボ・ループ１５０は更にフィードバック信号を調節し、光ビーム１０２をジャイロ・リング１４０の共振周波数にロックさせたまま維持するように、レーザ源１１２の周波数を制御する。
[0025] 一般的に言うと、レーザ源１１０および１１２は各々それぞれの光ビームを特定の光周波数ｆ（図１においてビーム１０１に対してｆ１として示し、ビーム１０２に対してｆ２として示す）で発射する。この周波数ｆにおいて、光ビームは特定の対応する波長λを有する(exhibit)（例えば、レーザ光では、約１．５ミクロンの波長となる可能性がある）。正確に波長λの整数倍数が共振リング（リング１２０または１４０のような）に沿って伝搬するように光ビームを周波数ｆに同調させたとき、光ビームはその共振リングの共振周波数で動作していると言われる。これは、共振リングの共振モードの内１つで動作すると表現することもできる。この周波数において、光ビームが共振リングのループに沿って進行するパス(pass)毎に、光ビームはその直前のパスと同相となり、各パスからの光パワーは増数的に追加し、共振器内部におけるピーク共振強度に蓄積する。光ビームの周波数ｆが共振周波数からずれるときは常に、共振リング内部における光パワーはピーク共振強度未満となる。共振リングがその検知軸に関して回転を受けていないとき、リングの第１方向（例えば、時計回り（ＣＷ）方向）に進行する光の種々の共振モードは、逆向きであるリングの第２方向（例えば、反時計回り（ＣＣＷ）方向）に進行する光の種々の共振モードと周波数が一致する(align)。しかしながら、共振リングがその検知軸に関して回転を受けていると、ＣＷおよびＣＣＷ方向に光が進行するそれぞれの経路長はもはや等しくなくなり、サニャック効果として知られている現象を呈する。例えば、共振リングがＣＷ方向に回転し始めると、光ビーム１０１がリングを１回完全に回るために進行しなければならない距離は長くなり、一方光ビーム１０２がリングを１回完全に回るために進行しなければならない距離は短くなる。回転数がゼロでないと、ＣＷおよびＣＣＷ経路内において同じ数の波長（長手方向モード数と呼ぶ）が収まる(fit)にしても、各方向に関連する共振周波数はもはや同じではない。
[0026] ジャイロ・リング１４０に関して、各方向に関連する共振周波数の周波数ずれは、ジャイロスコープ１００の回転数の関数となる。回転数測定値は、したがって、共振周波数における相対的なずれを測定することによって導き出すことができ、一方、この測定はそれぞれの方向に対してジャイロ・リング１４０の共振周波数に各々ロックされる光ビーム１０１および１０２の周波数における相対的なずれを測定することによって遂行することができる。したがって、サーボ・ループ１３０および１５０にとって、光ビーム１０１および１０２をジャイロ・リング１４０の共振周波数にロックし続けることも重要である。
[0027] サーボ・ループ１３０および１５０が光ビーム１０１および１０２を基準ファイバ・リング１２０の共振周波数に、そしてジャイロ・リング１４０の共振周波数にもロックさせ続けるにあたって直面する課題は、双方のリングを同じ光ファイバ材料で組み立て、同じ材料で組み立てられたハブ上に巻回させることによって軽減する。基準ファイバ・リング１２０およびジャイロ・リング１４０の双方を同じ光ファイバ材料で組み立て、同じ材料で組み立てられたハブ上に巻回させることによって、基準ファイバ・リング１２０の共振周波数のずれは、当然リング１４０の共振周波数に生じているずれを追跡することになる。共振周波数におけるこれらのずれは、回転数の変化による可能性があるが、動作温度の変化というような環境現象による可能性もある。即ち、リング１２０および１４０は双方共同じ材料て同様に組み立てられているので、これらは同じ熱膨張係数によって特徴付けられ、したがって各リングの光路の熱膨張および収縮は、互いに比例して変化する。
[0028] 回転数検出およびレーザ源制御という双方の目的のために共振周波数のずれを検出するのを補助するには、ジャイロスコープ１００によって光ビーム(optical light beam)１０１および１０２に２つの異なる変調を加える。これらを１）共通変調（ｆＣＭで示す）、および２）側波帯ヘテロダイン変調（ｆＳＨＤとして示す）と呼ぶ。共通変調ｆＣＭは、圧電変換器１４０によって、光ビーム１０１および１０２がジャイロ・リング１４０を逆方向に伝搬するときに、これらに加えられる。一実施態様では、共通変調ｆＣＭは、ジャイロ・リング１２０の共振周波数を変調する圧電変換器１４０に印加される正弦波電気信号（例えば、約７ｋＨｚから５０ｋＨｚの範囲）を使用して加えられ、光ビーム上に既知の変調を生成し、いつ光ビームが共振しているか判定し易くする。側波帯ヘテロダイン（ＳＨＤ）変調は、各光ビームに個々に加えられ、回転数検出および一方向光逆散乱誤差(single direction optical backscatter error)の排除に加えて、ジャイロ・リング１４０において共振周波数を検出するのを補助する。図１に示す実施形態では、ＳＨＤ変調は、レーザ源１１０および１１２によって生成される光ビーム１０１および１０２の周波数を制御する電気制御信号１８０および１８２（以下で論ずる）を変調することによって、レーザ源１１０および１１２によって直接加えられる。制御信号１８０は、制御信号とｆＳＨＤ＿１変調信号とを合算し、その結果をレーザ源１１０に印加することによって、ｆＳＨＤ＿１の周波数で変調される。制御信号１８２は、制御信号とｆＳＨＤ＿２変調信号とを合算しその結果をレーザ源１１２に印加することによって、ｆＳＨＤ＿２の周波数で変調される。ジャイロスコープ１００の他の実施態様では、ＳＨＤおよびＣＭ変調は、本開示を研究した当業者には周知の異なる手段によって加えられる。
[0029] サーボ・ループ１３０は、光ビーム１０１に加えられたｆＳＨＤ＿１変調を復調し（ＳＨＤ復調器１３４を使用して）、更に圧電変換器１４８によって加えられた共通変調ｆＣＭを復調する（ＣＭ復調器１３５を使用して）ことによって、光検出器１３３からの電気出力を処理する。ＣＭ復調器１３５の出力は、光ビーム１０１がジャイロ・リング１４０の共振に同調しているか否かを示す誤差信号である。ＣＭ復調器１３５からの誤差信号がゼロに等しいとき、光ビームは共振状態にある。ジャイロ・リング（ＧＲ）サーボ１３６は、積分器またはディジタル・アキュミュレータを含み、これはＣＭ復調器１３５からの誤差信号を入力し、ＰＤＨサーボ１３２に送られる制御信号を出力する。図１に示すように、ＧＲサーボ１３６から出力された制御信号は、ＰＤＨサーボ１３２の前に、光検出器１３１から出力された誤差信号と合算されるので、ＰＤＨサーボ１３２は、制御信号１８０を、ＧＲサーボ１３６から出力された制御信号および光検出器１３１から出力された誤差信号双方の関数として生成することによって、レーザ源１１０を制御する。一実施態様では、ＰＤＨサーボ１３２はその合計を最小値にしようとする。基準ファイバ・リング１２０の共振周波数はジャイロ・リング１４０のそれと完全に一致していないかもしれないので、ＰＤＨサーボ１３２によって加えられる調節は、光ビーム１０１を基準ファイバ・リング１２０の共振周波数から多少ずらして、ジャイロ・リング１４０の共振周波数上にそれを持って行くようにしてもよい。しかしながら、基準ファイバ・リング１２０はジャイロ・リング１４０よりも広い共振を有するように設計されているので、これは問題にはならない。ファイバ・リング１２０の共振は十分に広いので、光ビーム１０１が多少共振ピークからずらされても、基準ファイバ・リング１２０内では最小限の光パワー損失しか起こらない。
[0030] サーボ１３０と実質的に全く同じやり方で、サーボ・ループ１５０は、光ビーム１０２に加えられたｆＳＨＤ＿２変調を復調し（ＳＨＤ復調器１５４を使用して）、更に圧電変換器１４０によって加えられた共通変調ｆＣＭを復調する（ＣＭ復調器１５５を使用して）ことによって、光検出器１５３からの電気出力を処理する。ＣＭ復調器１５５の出力は、光ビーム１０２がジャイロ・リング１４０の共振に同調されているか否かを示す誤差信号である。ＣＭ復調器１５５からの誤差信号がゼロに等しいとき、光ビームは共振状態にある。ジャイロ・リング（ＧＲ）サーボ１５６は、ＣＭ復調器１５５からの誤差信号を入力し、ＰＤＨサーボ１５２に送られる制御信号を出力する積分器またはディジタル・アキュミュレータを含む。図１に示すように、ＧＲサーボ１５６から出力された制御信号は、ＰＤＨサーボ１５２の前に、光検出器１５１から出力された誤差信号と合算されるので、ＰＤＨサーボ１５２は、制御信号１８２を、ＧＲサーボ１５６から出力された制御信号および光検出器１５１から出力された誤差信号双方の関数として生成することによって、レーザ源１１２を制御する。一実施態様では、ＰＤＨサーボ１５２はその合計を最小値にしようとする。基準ファイバ・リング１２０の共振周波数はジャイロ・リング１４０のそれと完全に一致していないかもしれないので、ＰＤＨサーボ１５２によって加えられる調節は、光ビーム１０２を基準ファイバ・リング１２０の共振周波数から多少ずらして、ジャイロ・リング１４０の共振周波数上にそれを持って行くようにしてもよい。この場合も、基準ファイバ・リング１２０はジャイロ・リング１４０よりも広い共振を有するように設計されているので、これは問題にはならない。ファイバ・リング１２０の共振は十分に広いので、光ビーム１０２が多少共振ピークからずらされても、基準ファイバ・リング１２０内では最小限の光パワー損失しか起こらない。
[0031] また、基準ファイバ・リング１２０およびファイバ・リング１４０の共振が余り良く重複しないという状況もあり得る。これは、特に、２つの共振器間で温度勾配を引き起こす可能性がある温度変化のような環境要因によって生ずるおそれがある。基準ファイバ・リング１２０の共振周波数からずらしてジャイロ・リング１４０の周波数に合わせるときに最小限の光パワー・ロスしか起こらないように正確なオーバーラップが望まれるので、ＲＦＯＧ１００は、任意に、基準ファイバ・リング１２０の共振周波数をどこに位置付けるかについて更に何らかの制御を可能にする他の技法も実現することができる。更に具体的には、前述のサーボ・ループの内一方（この例では、サーボ・ループ１５０）が更に基準ファイバ・リング（ＲＦＲ）サーボ１５７を含み、このサーボ１５７がＧＲサーボ１５６の出力を外部に供給する(feed off)。基準ファイバ・リング１２０の共振周波数がジャイロ・リング１４０の共振周波数よりも著しく外れている場合、ＧＲサーボ１５６は光ビーム１０２をジャイロ・リング１４０の共振周波数にロックすることを試みるために、大きな補正信号をＰＤＨサーボ１５２に生成する。ここで、ＲＦＲサーボ１５７もＧＲサーボ１５６から出力されたこの補正信号を読み、基準ファイバ・リング１２０の圧電変換器１２２上に電圧を印加する。圧電変換器１２２への電圧を制御することによって、ＲＦＲサーボ１５７は基準ファイバ・リング１２０の共振周波数を調節し、補正信号をゼロにしようとする。これは、光ビーム１０２が実質的に基準ファイバ・リング１２０の共振周波数および基準ファイバ・リング１４０の共振周波数の双方にロックされていることの指示になる（したがって、それぞれの共振周波数が実質的に一致したことも示す）。
[0032] 回転数測定値は、光ビーム１０１および１０２間の周波数差を観察することによって得られる。図１の特定的な実施形態では、これは、光ビーム１０１および１０２を組み合わせることによって光ビート信号を生成し、光検出器においてこのビート信号を観察することによって遂行される。更に具体的には、光ビーム１０１の一部がカプラ１６１を使用して抜き出され、光ビーム１０２の一部がカプラ１６２を使用して抜き出され、これら２つの部分がカプラ１６３において光学的に組み合わせられる。これら２つのビーム間の周波数差が、光検出器１６３によって検出される組み合わせビームにおいて光ビート信号として現れる。光検出器１６３は、光ビート信号を含む組み合わせビームを電気信号に変換し、ビート信号検出器１６５（ここでは回転数検出回路とも呼ぶ）に供給する。一実施形態では、ビート信号検出器１６５は、この電気信号をサンプリングし、電気信号内にあるビート信号の周波数を判定し、回転数を計算し、ジャイロスコープ１００についての回転数測定信号１６６として出力する。
[0033] 図１において、ビート信号検出構成は、光ビーム１０１および１０２がジャイロ・リング１４０に入射する直前に、光ビーム１０１および１０２を抜き出すように位置付けられている。この位置が有利であるのは、示される回転数における周波数ノイズおよびドリフト誤差が少ないからである。これは、光路に関して、測定がジャイロ共振器１４０の近くで行われるからであり、つまり光ビーム１０１および１０２がジャイロ共振器１４０に入射するときの真の周波数差を最も良く表すからである。しかしながら、この時点における光信号は、変調されリング１２０を通って処理されているので、一層複雑になっている。図１Ｂは、代替実施態様を示し、レーザ源１１０および１１２から直接光ビーム１０１および１０２を受光するように、ビート信号検出構成が位置付けられている。これらのレーザ源から直接抜き出す結果、周波数スペクトルの複雑さが緩和されたビート・ノート(beat note)が得られる。何故なら、ビームの組成が簡単になり、本質的に搬送波周波数および任意のＳＨＤ変調（以下で論ずる）しか含まないからである。更に、この位置では、光ビーム１０１および１０２は、回転によるリング１２０および１４０における共振周波数のずれに応答して、サーボ・ループ１３０およびサーボ・ループ１５０によって加えられた周波数調節に直ちに反応する。更にまた、ビート信号測定の複雑さは、ＳＨＤ変調が導波路位相変調器(waveguide phase modulator)によってカプラ１６１および１６２の後に光に加えられる場合、更に軽減することができる。
[0034] 図１Ａは、図１のジャイロスコープの代替実施態様を示し、基準ファイバ・リング１２０を使用して光フィルタを実装することなく、光ビーム１０１および１０２が、２つの光ファイバ・リング共振器（即ち、基準ファイバ・リング１２０およびジャイロ・ファイバ・リング１４０）双方に供給される。代わりに、図１Ａに示すように、光ビーム１０１および１０２がレーザ源１１０および１１２によって生成された直後に、その一部がそれぞれのカプラ１９０および１９２において抜き出される。導波路１９１がカプラ１９０に結合され、光ビーム１０１をジャイロ・ファイバ・リング１４０に（サーキュレータ１４１を経由して）接続し、ここで光ビーム１０１はジャイロ・リング１４０に入射し、第１方向に周回する。導波路１９３はカプラ１９２に結合され、光ビーム１０２をジャイロ・ファイバ・リング１４０に（サーキュレータ１４２を経由して）接続し、ここでジャイロ・リング１４０に入射し、第１方向とは逆の第２方向に周回する。基準ファイバ・リング１２０によって設けられる光濾波がないこと以外、図１Ａに示すエレメントの各々は、図１に関して先に説明したのと同じ機能を実行する。
[0035] 光濾波を実施する実施形態では、共振ファイバ・リング１２０の長さは、光ビーム１０１および１０２上に変調されるＳＨＤ側波帯の通過に対処するために、ジャイロ・リング１４０のある端数に設定(size)しなければならない。即ち、ＳＨＤ側波帯は、光学フィルタの通過帯域内に入らなければならない。光濾波が実施されない場合、図１Ａにおけるように、ＳＨＤ変調側波帯はもはや基準ファイバ・リング１２０を通過する必要がないので、非常に短い基準ファイバ・リング１２０（例えば、１メートル未満）を使用することができる。また、これは、ＰＤＨサーバに利用可能な帯域幅を広げ、高速応答を必要とする用途では利点を得ることができる。
[0036] ＳＨＤ変調側波帯は、光ビーム１０１および１０２においてレーザ搬送波周波数のいずれかの側の隣りに現われ、ジャイロ・リング１４０の共振周波数を判定するために使用される。側波帯は、共振ファイバ・リング１２０によって加えられる光濾波を通り抜ける必要がある。側波帯が通り抜けるためには、共振周波数とぴったりと合わなければならず、その各々が光学フィルタの通過帯域を事実上定める。この一致を確保するために、基準ファイバ・リング１２０の長さは、ジャイロ・リング１４０の長さの整数分の１としなければならず、この整数は理想的には比較的小さな数値で４以下である。更に、基準ファイバ・リング１２０の長さが短い程、ＳＨＤ周波数を高くする必要がある。
[0037] 図２は、基準ファイバ・リング１２０の共振周波数（２２０で示す）およびジャイロ・リング１４０の共振周波数（２４０で示す）の相対的位置を、光ビームの搬送波周波数（２１８で示す）、および光ビーム上に変調されたＳＨＤ変調側波帯（２１６で示す）に関係付けて表す図を、全体的に２００で示す。図２の例では、基準ファイバ・リング１２０およびジャイロ・リング１４０の各々は、同じ長さの光ファイバ材料を含み、したがって同じ自由スペクトル範囲（ＦＳＲ）を共有する。基準ファイバ・リング１２０の共振ピーク（２２０で示す）がジャイロ・リング１４０の共振ピーク（２４０で示す）と正しく一致する限り、ＳＨＤ変調側波帯２１６は光学フィルタを通過する。この例では、ＦＳＲは２ＭＨｚに等しければよいので、側波帯２１６の各々は、搬送波２１８から５ＭＨｚだけ分離される。これが意味するのは、この例では、ｆＳＨＤが５ＭＨｚであるということである。しかしながら、側波帯２１６だけが通過することは注記してしかるべきである。搬送波２１８は、基準ファイバ・リング１２０によって濾波されるので、ジャイロ・リング２４０を通過しない。これは、ノイズのみに寄与し信号には寄与しない光パワーを低減するという利点があるが、ビート・ノートから差分周波数を得るのが一層難しくなるという欠点がある。
[0038] 図３は、基準ファイバ・リング１２０の共振周波数（３２０で示す）およびジャイロ・リング１４０の共振周波数（３４０で示す）の相対的位置を、光ビームの搬送波周波数（３１８で示す）、および光ビーム上に変調されたＳＨＤ変調側波帯（３１６で示す）に関係付けて表す別の図を３００で示す。図３の例では、ジャイロ・リング１４０は、基準ファイバ・リング１２０よりも長い長さの光ファイバ材料を含む。したがって、ジャイロ・リング１４０は、基準ファイバ・リング１２０よりも相対的に小さなＦＳＲ、および基準ファイバ・リング１２０の共振ピーク（３２０）よりも相対的に狭い共振ピーク（３４０）を有すると特徴付けられる。図３が示すのは、共振ピーク３２０および３４０の不一致があっても、基準ファイバ・リング１２０の共振ピーク３２０はなおも、側波帯３１６が基準ファイバ・リング１２０の光学フィルタを通過することができるだけの十分な幅を有し、減衰が制限されるだけであるということである。ある実施態様では、２０％程度までの側波帯３１６の光パワー低下はなおも容認可能である場合もある。したがって、基準ファイバ・リング１２０およびジャイロ・リング１４０を組み立てるために使用される光ファイバ材料の長さは、光ビームに加えられるＳＨＤ側波帯の通過を可能にするように、しかるべく選択されればよい。
[0039] 図４は、基準ファイバ・リング１２０の共振周波数（４４０で示す）およびジャイロ・リング１４０の共振周波数（４２０で示す）の相対的な位置を、光ビームの搬送波周波数（４１８で示す）、および光ビーム上に変調されたＳＨＤ変調側波帯（４１６で示す）に関係付けて表す別の図を４００で示す。ここでは、基準ファイバ・リング１２０はジャイロ・リング１４０の長さの１／４の長さを有し、その結果基準ファイバ・リング１２０のＦＳＲがジャイロ・リング１４０のそれの４倍になる。ここで、側波帯４１６は基準ファイバ・リング１２０を通過するが、搬送波４１８は通過しない。
[0040] 図５は、基準ファイバ・リング１２０の共振周波数およびジャイロ・リング１４０の共振周波数の相対的位置を、光ビームの搬送波周波数（５１８で示す）、および光ビーム上に変調されたＳＨＤ変調側波帯５１６と関係付けて表す更に別の図を５００で示す。ここでは、基準ファイバ・リング１２０はジャイロ・リング１４０の２／５の長さを有し、その結果、基準ファイバ・リング１２０のＦＳＲはジャイロ・リング１４０のそれの５／２倍となる。ここでは、側波帯５１６だけでなく搬送波５１８も基準ファイバ・リング１２０を通過する。
[0041] 図６は、本開示の一実施形態の方法６００を示すフロー・チャートである。種々の異なる実施態様において、方法６００は、以上の図１および図１Ａに示した実施形態と一緒に、または組み合わせて使用することができる。したがって、以上で説明したエレメントの説明は、あらゆる任意選択の実施態様または代替的な実施態様も含む方法６００において説明する同じエレメントにも該当し、その逆も成り立つ。
[0042] 本方法は６１０において開始して、第１レーザ源を使用して第１光ビームを生成し、第２光源を使用して第２光ビームを生成する。ある実施形態では、第１および第２レーザ源は、中心搬送波と前述のようなＳＨＤ変調側波帯とを含む光スペクトルを生成するように制御することができる。本方法は６１５に進み、第１光ビームの第１部分が第１方向に第１光ファイバ・リング共振器に沿って進行するように、第１光ビームの少なくとも第１部分を、第１光ファイバ・リング共振器に入射させ、更に６２０に進み、第２光ビームの第１部分が、第１光ファイバ・リング共振器に沿った第１方向とは逆の第２方向に、第１光ファイバ・リング共振器に沿って進行するように、第２光ビームの少なくとも第１部分を第１光ファイバ・リング共振器に入射させる。
[0043] 次に、本方法は６２５に進み、第１光ビームの第２部分が第１方向に第２光ファイバ・リング共振器に沿って進行するように、第１光ビームの少なくとも第２部分を第２光ファイバ・リング共振器に入射させ、更に６３０に進み、第２光ビームの第２部分が第２光ファイバ・リング共振器に沿った第１方向とは逆の第２方向に、第２光ファイバ・リング共振器に沿って進行するように、第２光ビームの少なくとも第２部分を第２光ファイバ・リング共振器に入射させる。
[0044] 第１および第２光ファイバ・リングを製作する光ファイバ材料は、中空コア、中実コア、または誘電体充填ファイバ材料のいずれかを含むことができ、双方のリングは同じ光ファイバ材料で組み立てられるが、各々を製作するために使用される材料の長さは同じである必要はない。また、これらは同じハブ材料を含むハブの回りに巻回される。一実施形態では、２つのリングは、各々、チタン酸ジルコン酸鉛のような（しかしこれに限定されるのではない）、同じ圧電セラミック材料を含むハブ材料の回りに巻回され、圧電変換器（図１ではそれぞれＰＺＴ１２２および１４８として示されている）として構成される。ある実施形態では、コイルは、限定ではないが、セラミックおよびアルミニウムまたは他の金属の組み合わせというような、同じ組成の材料で作られたハブの回りに巻回されてもよい。
[0045] 本方法は６３５に進み、第１サーボによって生成された第１フィードバック信号を使用して、第１レーザ源の周波数を制御する。第１サーボは、第１フィードバック信号を、第１光ビームの第１部分の第１測定値から導き出された第１誤差信号の関数として生成し、第１光ビームの第１部分は、少なくとも部分的に第１光ファイバ・リング共振器（即ち、基準ファイバ・リング）を周回しており、更に第１光ビームの第２部分の第２測定値から導き出された第２誤差信号の関数として生成し、第１光ビームの第２部分は第２光ファイバ・リング共振器（即ち、ジャイロ・ファイバ・リング）を周回している。例えば、図１および図１Ａでは、光検出器１３１が基準リング１２０を周回した成分、およびレーザ源１１０から直接来る成分を含む光ビーム１０１からの光の信号を受光する。光検出器１３３は、ジャイロ・リング１４０を周回した光ビーム１０１からの光の信号を受光する。実際、これはジャイロ・リング１４０を完全に周回した光のみを受光する。光検出器１３１および１３３からのこれらの測定値を使用して、ＰＤＨサーボ１３２は、レーザ源１１０に印加されるフィードバック信号１８０を生成することによって、第１レーザ源１１０の周波数を制御する。
[0046] 本方法は６４０に進み、第２サーボによって生成された第２フィードバック信号を使用して、第２レーザ源の周波数を制御する。第２サーボは、第２フィードバック信号を、第２光ビームの第１部分の第１測定値から導き出された第３誤差信号の関数として生成し、第２光ビームの第１部分は、少なくとも部分的に、第１光ファイバ・リング共振器を周回しており、更に第２光ビームの第２部分の第２測定値から導き出された第４誤差信号の関数として生成し、第２光ビームの第２部分は、第２光ファイバ・リング共振器を周回している。例えば、図１よび図１Aにおいて、光検出器１５１は、基準リング１２０を周回した成分、およびレーザ源１１２から直接来る成分を含む光ビーム１０２からの光の信号を受光する。光検出器１５３は、ジャイロ・リング１４０を周回した光ビーム１０２からの光の信号を受光する。実際には、これはジャイロ・リング１４０を完全に周回した光だけを受光する。光検出器１５１および１５３からのこれらの測定値を使用して、ＰＤＨサーボ１５２は、レーザ源１１２に印加されるフィードバック信号１８２を生成することによって、第２レーザ源１１２の周波数を制御する。
[0047] 本方法は６４５に進み、回転数測定信号を生成する。回転数測定信号は、第１光ビームによってロックオン(locked-on)された第２光ファイバ・リングの第１共振周波数と、第２光ビームによってロックオンされた第２光ファイバ・リングの第２共振周波数との間の差の関数である。潜在的に可能な代替実施形態では、ブロック６４５において、回転数測定値は、２つの光ビーム間の周波数差を観察することによって得られ、これは、第１および第２光ビームを組み合わせることによって光ビート信号を発生し、このビート信号を光検出器において観察することによって遂行することができる。２つのビーム間の周波数差は、光検出器によって検出される組み合わせビームにおける光ビート信号として表される。光検出器は、光ビート信号を含む組み合わせビームを電気信号に変換することができる。次いで、この電気信号を、前述した検出器１６５のような、ビート信号検出器に供給することができる。一実施形態では、ビート信号検出器１６５は電気信号をサンプリングし、電気信号内にあるビート信号の周波数を判定し、回転数を計算し、ジャイロスコープについての回転数測定信号として出力する。代替実施形態では、ビート信号検出構成は、第１および第２光ビームがジャイロ・リングに入射する直前に（図１または図１Aに示したように）これらを抜き出すように位置付けられ、または代わりに第１および第２レーザ源から直接第１および第２光ビートを受光するように位置付けられる（図１Bに示したように）。
[0048] ある実施形態では、基準ファイバ・コイルを使用して第１光ビームおよび第２光ビームを光学的に濾波するのは、図１に示すように、第１光ビームおよび第２光ビームがジャイロ共振器に入射する前に行われるとよい。他の実施形態では、基準ファイバ共振器による光濾波を先に行う前に、第１光ビームおよび第２光ビームをジャイロ・リングに供給してもよい。更に、ある実施形態では、本方法は、前述のRFRサーボ１５７および圧電変換器１２２に関して説明したように、ジャイロ・リングを周回した光ビームの内一方の測定値から導き出された誤差信号に基づいて、基準ファイバ・リングの共振周波数を調節するステップを含んでもよい。
実施形態例
[0049] 例１は、共振型光ファイバ・ジャイロスコープを含む。このジャイロスコープは、第１光ビームを生成する第１レーザ光源と、第２光ビームを生成する第２レーザ光源と、第１長の光ファイバ材料を含みハブ材料を含む第１ハブの回りに巻回された第１光ファイバ・リング共振器であって、第１光ビームおよび第２光ビームが第１光ファイバ・リング共振器内部を逆方向に周回する、第１光ファイバ・リング共振器と、前記ハブ材料を含む第２ハブの回りに巻回された第２長の光ファイバ材料を含む第２光ファイバ・リング共振器であって、第１光ビームおよび第２光ビームが、第２光ファイバ・リング共振器内部を逆方向に周回する、第２光ファイバ・リング共振器と、第１光ファイバ・リング共振器および第２光ファイバ・リンク共振器に結合された第１サーボ・ループであって、第１光ファイバ・リング共振器を周回した第１光ビームの第１部分、および第２光ファイバ・リング共振器を周回した第１光ビームの第２部分の関数として、第１レーザ光源を制御する、第１サーボ・ループと、第１光ファイバ・リング共振器および第２光ファイバ・リング共振器に結合された第２サーボ・ループであって、第１光ファイバ・リング共振器を周回した第２ビームの第１部分、および第２光ファイバ・リング共振器を周回した第２光ビームの第２部分の関数として、第２レーザ光源を制御する、第２サーボ・ループと、回転数測定値を、第１光ビームによってロックオンされた第２光ファイバ・リング共振器の第１共振周波数と、第２光ビームによってロックオンされた第２光ファイバ・リング共振器の第２共振周波数との間の差の関数として出力する回転数検出回路とを含む。
[0050] 例２は、例１のジャイロスコープを含み、第１サーボ・ループが、第１光ファイバ・リンク共振器を周回した第１光ビームの一部を含む光ビームを受光する第１光検出器と、第２光ファイバ・リンク共振器を周回した第１光ビームの一部を含む光ビームを受光する第２光検出器とを含む。第１サーボ・ループは、第１光検出器の出力から導き出された第１誤差信号、および第２光検出器の出力から導き出された第２誤差信号の関数として、制御信号を第１レーザ光源に生成する。第１サーボ・ループは、第１光ファイバ・リング共振器の共振周波数および第２光ファイバ・リング共振器の共振周波数に第１光ビームをロックするように制御信号を調節する。第２サーボ・ループは、第２光ファイバ・リング共振器を周回した第２光ビームの一部を含む光ビームを受光する第３光検出器と、第２光ファイバ・リング共振器を周回した第２光ビームの一部を含む光ビームを受光する第４光検出器とを含む。第２サーボ・ループは、第３光検出器の出力から導き出された第３誤差信号、および第４光検出器の出力から導き出された第４誤差信号の関数として、制御信号を第２レーザ光源に生成する。第２サーボ・ループは、第１光ファイバ・リング共振器の共振周波数、および第２光ファイバ・リング共振器の共振周波数に第２光ビームをロックするように、制御信号を調節する。
[0051] 例３は、例１〜２のいずれかのジャイロスコープを含み、第２光ファイバ・リング共振器を周回した第１光ビームの第２部分、および第２光ファイバ・リング共振器を周回した第２光ビームの第２部分が、各々、第２光ファイバ・リング共振器を周回する前に、第１光ファイバ・リンク共振器も周回し終えている。
[0052] 例４は、例３のジャイロスコープを含み、第１光ビームおよび第２光ビームが、各々、側波帯ヘテロダイン（ＳＨＤ）変調を含み、第１長の光ファイバ材料が、第１光ビームおよび第２光ビームのＳＨＤ変調側波帯を第２光ファイバ・リング共振器に通過させる第１光ファイバ・リング共振器において、共振周波数を生成する長さに作られる。
[0053] 例５は、例４のジャイロスコープを含み、第１長の光ファイバ材料が、更に、第１光ビームのレーザ搬送波周波数成分および第２光ビームを第２光ファイバ・リング共振器に通過させない長さに作られる。
[0054] 例６は、例３〜５のいずれかのジャイロスコープを含み、更に、第１光ファイバ・リング共振器に結合された光カプラを含み、この光カプラが、第１光ファイバ・リンク共振器からの第１光ビームおよび第２光ビームの一部を第２光リング共振器に抜き出す。
[0055] 例７は、例１〜６のいずれかのジャイロスコープを含み、光ファイバ材料が、中実コア・ファイバ、中空コア・ファイバ、または誘電体充填ファイバの内の１つである。
[0056] 例８は、例１〜７のいずれかのジャイロスコープを含み、第１光ファイバ・リング共振器および第２光ファイバ・リング共振器双方のハブ材料が、圧電セラミック材料を含む。
[0057] 例９は、例８のジャイロスコープを含み、第１光ファイバ・リング共振器が第１圧電変換器を含み、第２サーボ・ループが、第１圧電変換器に結合されたサーボを含み、第１圧電変換器に結合されたサーボが、第２光ファイバ・リング共振器を周回した第１光ビームの第２部分の測定値から導き出された誤差信号に基づいて、第１光ファイバ・リング共振器の共振周波数を調節する。
[0058] 例１０は、例１〜９のいずれかのジャイロスコープを含み、第１サーボ・ループが、第１光ファイバ・リング共振器の共振周波数および第２光ファイバ・リング共振器の共振周波数に第１光ビームをロックするように第１レーザ光源を制御する第１制御信号を生成する第１パウンド・ドレーバ・ホール（ＰＤＨ）法サーボを含み、第２サーボ・ループが、第１光ファイバ・リング共振器の共振周波数および第２光ファイバ・リング共振器の共振周波数に第２光ビームをロックするように第２レーザ光源を制御する第２制御信号を生成する第２パウンド・ドレーバ・ホール（ＰＤＨ）法サーボを含む。
[0059] 例１１は、例１〜１０のいずれかのジャイロスコープを含み、光ファイバ材料の第１長が、光ファイバ材料の第２長と等しい。
[0060] 例１２は、例１〜１１のいずれかのジャイロスコープを含み、光ファイバ材料の第１長が、光ファイバ材料の第２長の整数分の１である。
[0061] 例１３は、例１〜１２のいずれかのジャイロスコープを含み、回転数検出回路が、第１光ビームの第３部分を第２光ビームの第３部分と混合して光ビート信号を生成する光カプラと、この光カプラに結合された光検出器であって、光ビート信号から電気ビート信号を生成する、光検出器と、電気ビート信号から計算された回転数測定値を出力するビート信号検出器とを含む。
[0062] 例１４は、光ファイバ・ジャイロスコープを共振させる方法であって、第１レーザ源を使用して第１光ビームを生成し、第２レーザ源を使用して第２光ビームを生成するステップと、第１光ビームの第１部分が第１光ファイバ・リング共振器に沿って第１方向に進行するように、第１光ビームの少なくとも第１部分を第１光ファイバ・リング共振器に入射させるステップと、第２光ビームの第１部分が第１光ファイバ・リング共振器に沿った第１方向とは逆の第２方向に、第１光ファイバ・リング共振器に沿って進行するように、第２光ビームの少なくとも第１部分を第１光ファイバ・リング共振器に入射させるステップと、第１光ビームの第２部分が第２光ファイバ・リング共振器に沿って第１方向に進行するように、第１光ビームの少なくとも第２部分を第２光ファイバ・リング共振器に入射させるステップと、第２光ビームの第２部分が、第２光ファイバ・リング共振器に沿った第１方向とは逆の第２方向に、第２光ファイバ・リング共振器に沿って進行するように、第２光ビームの少なくとも第２部分を第２光ファイバ・リング共振器に入射させるステップと、第１サーボによって生成された第1フィードバック信号を使用して第１レーザ源の周波数を制御するステップであって、第１サーボが、第１フィードバック信号を、第１光ビームの第１部分の第１測定値から導き出された第１誤差信号の関数として生成し、第１光ビームの第１部分が、少なくとも部分的に、第１光ファイバ・リング共振器を周回しており、更に第１光ビームの第２部分の第２測定値から導き出された第２誤差信号の関数として生成し、第１光ビームの第２部分が、第２光ファイバ・リンク共振器を周回している、ステップと、第２サーボによって生成された第２フィードバック信号を使用して第２レーザ源の周波数を制御するステップであって、第２サーボが、第２フィードバック信号を、第２光ビームの第１部分の第１測定値から導き出された第３誤差信号の関数として生成し、第２光ビームの第１部分が、少なくとも部分的に、第１光ファイバ・リング共振器を周回しており、更に第２光ビームの第２部分の第２測定値から導き出された第４誤差信号の関数として生成し、第２光ビームの第２部分が、第２光ファイバ・リング共振器を周回している、ステップと、回転数測定信号を生成するステップであって、この回転数測定信号が、第１光ビームによってロックオンされた第２光ファイバ・リング共振器の第１共振周波数と、第２光ビームによってロックオンされた第２光ファイバ・リング共振器の第２共振周波数との間の差の関数である、ステップとを含む。
[0063] 例１５は、例１４の方法を含み、第１光ファイバ・リング共振器が、ハブ材料を含む第１ハブの回りに巻回された第１長の光ファイバ材料を含み、第２光ファイバ・リング共振器が、前記ハブ材料を含む第２ハブの回りに巻回された第２長の光ファイバ材料を含む。
[0064] 例１６は、例１５の方法を含み、第１長の光ファイバ材料が、第２長の光ファイバ材料の整数分の１である。
[0065] 例１７は、例１５〜１６のいずれかの方法を含み、第１光ビームおよび第２光ビームが、各々、側波帯ヘテロダイン（ＳＨＤ）変調を含み、第１長の光ファイバ材料が、第１光ビームおよび第２光ビームのＳＨＤ変調側波帯を第２光ファイバ・リング共振器に通過させる第１光ファイバ・リング共振器において、共振周波数を生成する長さに作られる。
[0066] 例１８は、例１７の方法を含み、第１長の光ファイバ材料が、更に、第１光ビームのレーザ搬送波周波数成分および第２光ビームを第２光ファイバ・リング共振器に通過させない長さに作られる。
[0067] 例１９は、例１５〜１８のいずれかの方法を含み、第１光ファイバ・リング共振器および第２光ファイバ・リング共振器双方のハブ材料が、圧電セラミック材料を含む。
[0068] 例２０は、例１４〜１９のいずれかの方法を含み、この方法が、更に、光ファイバ・リング共振器を周回した第１光ビームの第２部分の測定値から導き出された誤差信号に基づいて、第１光ファイバ・リング共振器の共振周波数を調節するステップを含む。
[0069] 以上、本明細書では具体的な実施形態について例示し説明したが、同じ目的を達成すると考えられる構成であればいずれでも、以上で示した具体的な実施形態と置き換えてもよいことは、当業者には認められよう。本願は、本発明のあらゆる改造や変形も包含することを意図している。したがって、本発明は特許請求の範囲およびその均等物によってのみ限定されることを意図しているのは明らかである。

Claims (3)

  1. 共振型光ファイバ・ジャイロスコープ（１００）であって、
    第１光ビームを生成する第１レーザ光源（１１０）と、
    第２光ビームを生成する第２レーザ光源（１１２）と、
    ハブ材料を含む第１ハブの回りに巻回された第１長の光ファイバ材料を含む第１光ファイバ・リング共振器（１２０）であって、前記第１光ビームおよび前記第２光ビームが当該第１光ファイバ・リング共振器（１２０）内部を逆方向に周回する、第１光ファイバ・リング共振器（１２０）と、
    前記ハブ材料を含む第２ハブの回りに巻回された第２長の光ファイバ材料を含む第２光ファイバ・リング共振器（１４８）であって、前記第１光ビームおよび前記第２光ビームが当該第２光ファイバ・リング共振器（１４８）内部を逆方向に周回する、第２光ファイバ・リング共振器（１４８）と、
    前記第１光ファイバ・リング共振器（１２０）および前記第２光ファイバ・リング共振器（１４８）に結合された第１サーボ・ループ（１３０）であって、前記第１光ファイバ・リング共振器（１２０）を周回した前記第１光ビームの第１部分、および前記第２光ファイバ・リング共振器（１４８）を周回した前記第１光ビームの第２部分の関数として、前記第１レーザ光源（１１０）を制御する、第１サーボ・ループ（１３０）と、
    前記第１光ファイバ・リング共振器（１２０）および前記第２光ファイバ・リング共振器（１４８）に結合された第２サーボ・ループ（１５０）であって、前記第１光ファイバ・リング共振器（１２０）を周回した前記第２光ビームの第１部分、および前記第２光ファイバ・リング共振器（１４８）を周回した第２光ビームの第２部分の関数として、前記第２レーザ光源（１１２）を制御する、第２サーボ・ループ（１５０）と、
    前記第１光ビームによってロックオンされた前記第２光ファイバ・リング共振器（１４８）の第１共振周波数と、前記第２光ビームによってロックオンされた前記第２光ファイバ・リング共振器（１４８）の第２共振周波数との間の差の関数として、回転数測定値を出力する回転数検出回路（１６５）と、
    を含む、共振型光ファイバ・ジャイロスコープ（１００）。
  2. 請求項１記載のジャイロスコープにおいて、前記第１サーボ・ループ（１３０）が、
    前記第１光ファイバ・リング共振器（１２０）を周回した前記第１光ビームの一部を含む光ビームを受光する第１光検出器（１３１）と、
    前記第２光ファイバ・リング共振器（１４８）を周回した前記第１光ビームの一部を含む光ビームを受光する第２光検出器（１３３）と、
    を含み、
    前記第１サーボ・ループ（１３０）が、前記第１光検出器（１３１）の出力から導き出された第１誤差信号、および前記第２光検出器（１３３）の出力から導き出された第２誤差信号の関数として制御信号（１８０）を前記第１レーザ光源（１１０）に生成し、前記第１サーボ・ループ（１３０）が、前記第１光ビームを前記第１光ファイバ・リング共振器（１２０）の共振周波数、および前記第２光ファイバ・リング共振器（１４８）の共振周波数上にロックするように、前記制御信号（１８０）を調節し、
    前記第２サーボ・ループ（１５０）が、
    前記第２光ファイバ・リング共振器（１４８）を周回した前記第２光ビームの一部を含む光ビームを受光する第３光検出器（１５１）と、
    前記第２光ファイバ・リング共振器（１４８）を周回した前記第２光ビームの一部を含む光ビームを受光する第４光検出器（１５３）と、
    を含み、
    前記第２サーボ・ループ（１５０）が、前記第２レーザ光源（１１２）に、前記第３光検出器（１５１）の出力から導き出された第３誤差信号、および前記第４光検出器（１５３）の出力から導き出された第４誤差信号の関数として制御信号（１８２）を生成し、前記第２サーボ・ループ（１５０）が、前記第１光ファイバ・リング共振器（１２０）の共振周波数、および前記第２光ファイバ・リング共振器（１４８）の共振周波数に前記第２光ビームをロックするように、前記制御信号（１８２）を調節する、ジャイロスコープ。
  3. 光ファイバ・ジャイロスコープ（１００）を共振させる方法（６００）であって、
    第１レーザ源（１１０）を使用して第１光ビームを生成し、第２レーザ源（１１２）を使用して第２光ビームを生成するステップ（６１０）と、
    前記第１光ビームの第１部分が第１光ファイバ・リング共振器（１２０）に沿って第１方向に進行するように、前記第１光ビームの少なくとも第１部分を第１光ファイバ・リング共振器（１２０）に入射させるステップ（６１５）と、
    前記第２光ビームの第１部分が、前記第１光ファイバ・リング共振器（１２０）に沿った前記第１方向とは逆の第２方向に、前記第１光ファイバ・リング共振器（１２０）に沿って進行するように、前記第２光ビームの少なくとも第１部分を前記第１光ファイバ・リング共振器（１２０）に入射させるステップ（６２０）と、
    前記第１光ビームの第２部分が前記第２光ファイバ・リング共振器（１４８）に沿って第１方向に進行するように、前記第１光ビームの少なくとも第２部分を前記第２光ファイバ・リング共振器（１４８）に入射させるステップ（６２５）と、
    前記第２光ビームの第２部分が、前記第２光ファイバ・リング共振器（１４８）に沿った前記第１方向とは逆の第２方向に、前記第２光ファイバ・リング共振器（１４８）に沿って進行するように、前記第２光ビームの少なくとも第２部分を前記第２光ファイバ・リング共振器（１４８）に入射させるステップ（６３０）と、
    第１サーボ（１３２）によって生成された第１フィードバック信号（１８０）を使用して前記第１レーザ源（１１０）の周波数を制御するステップ（６３５）であって、前記第１サーボ（１３２）が、前記第１フィードバック信号（１８０）を、前記第１光ビームの第１部分の第１測定値から導き出された第１誤差信号の関数として生成し、前記第１光ビームの第１部分が、少なくとも部分的に、前記第１光ファイバ・リング共振器（１２０）に沿って周回しており、更に前記第１光ビームの第２部分の第２測定値から導き出された第２誤差信号の関数として生成し、前記第１光ビームの第２部分が、前記第２光ファイバ・リング共振器（１４８）に沿って周回している、ステップと、
    前記第２サーボ（１５２）によって生成された第２フィードバック信号（１８２）を使用して、前記第２レーザ源（１１２）の周波数を制御するステップ（６４０）であって、前記第２サーボ（１５２）が、前記第２光ビームの第１部分の第１測定値から導き出された第３誤差信号の関数として、前記第２フィードバック信号（１８２）を生成し、前記第２光ビームの第１部分が少なくとも部分的に前記第１光ファイバ・リング共振器（１２０）に沿って周回しており、更に前記第２光ビームの第２部分の第２測定値から導き出された第４誤差信号の関数として生成し、前記第２光ビームの第２部分が、前記第２光ファイバ・リング共振器（１４８）に沿って周回している、ステップと、
    回転数測定信号を生成するステップ（６４５）であって、前記回転数測定信号が、前記第１光ビームによってロックオンされた前記第２光ファイバ・リング共振器（１４８）の第１共振周波数と、前記第２光ビームによってロックオンされた前記第２光ファイバ・リング共振器（１４８）の第２共振周波数との間の差の関数である、ステップと、
    を含む、方法。
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