JP2020522677A

JP2020522677A - 雑音除去を用いる集積型光ジャイロスコープ

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Publication number: JP2020522677A
Application number: JP2019545935A
Authority: JP
Inventors: アリハジミリセイエド; ポルサンデヒヤールパーラム
Original assignee: California Institute of Technology CalTech
Current assignee: California Institute of Technology CalTech
Priority date: 2017-05-30
Filing date: 2018-05-30
Publication date: 2020-07-30
Anticipated expiration: 2038-05-30
Also published as: US20180356229A1; US10495462B2; EP3631361A4; CN110651167B; CN110651167A; US11131546B2; US20200278207A1; EP3631361A1; JP7253493B2; WO2018222768A1

Abstract

光ジャイロスコープは、光スイッチと、一対の光リングと、一対の光検出器とを一部に含む。光スイッチはレーザビームを供給する。第１光リングは、周期の前半にビームの第１部分を時計方向に送り、周期の後半にビームの第１部分を反時計方向に送る。第２光リングは、周期の前半にビームの第２部分を反時計方向に送り、周期の後半にビームの第２部分を時計方向に送る。第１光検出器は、周期の前半に第１及び第２光リングにより送られたビームを受光する。第２光検出器は、周期の後半に第１及び第２光リングにより送られたビームを受光する。

Description

［関連出願の相互参照］
本願は、米国特許法第１１９条（ｅ）項の下で、２０１７年５月３０日に出願された出願番号第６２／５１２，６１９号の優先権を主張し、その内容の全体を参照により本明細書に援用する。

本発明は、ジャイロスコープに関し、より詳細には光ジャイロスコープに関する。

ジャイロスコープは、スマートフォン、自動車、航空機等の各種デバイスでナビゲーションに用いられる。既知のように、ジャイロスコープの精度とそのサイズとの間にはトレードオフがある。例えば、比較的高精度のリングレーザジャイロスコープ又は光フィアバジャイロスコープは、高価で大型である。微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ベースのジャイロスコープは、比較的小型だが精度に欠ける。

従来のベンチトップ型のレーザベースジャイロスコープは、（サニャック効果による）小さな位相シフトを検出するため及び雑音を最小化するために高精度アライメント、清浄媒体、及び高品質レーザ源を必要とする。

本発明の一実施形態による光ジャイロスコープは、レーザビームを周期の前半に第１経路へ送り周期の後半に第２経路へ送るよう適合された光スイッチと、周期の前半に第１経路から受け取ったビームの第１部分を時計方向に送るよう構成され、さらに周期の後半に第２経路から受け取ったビームの第１部分を反時計方向に送るよう構成された第１光リングと、周期の前半に第１経路から受け取ったビームの第２部分を反時計方向に送るよう構成され、さらに周期の後半に第２経路から受け取ったビームの第２部分を時計方向に送るよう構成された第２光リングと、周期の前半に第１及び第２光リングにより送られたビームを受光するよう適合された第１光検出器と、周期の後半に第１及び第２光リングにより送られたビームを受光するよう適合された第２光検出器とを一部に含む。

本発明の一実施形態による光ジャイロスコープはさらに、第１光検出器の出力信号を第１増幅値だけ増幅するよう適合された第１トランスインピーダンス増幅器（trans-impedance amplifier：トランスインピーダンスアンプ）と、第２光検出器の出力信号を第２増幅値だけ増幅するよう適合された第２トランスインピーダンス増幅器とを一部に含む。本発明の一実施形態による光ジャイロスコープはさらに、第１光リングにより受け取られる又は送られたビームを第１所定位相値だけ遅らせるよう適合された第１位相変調器を一部に含む。一実施形態では、第１所定位相値は９０°位相値である。

いくつかの実施形態では、光ジャイロスコープはさらに、第１及び第２トランスインピーダンス増幅器の合成出力を表す第１信号を生成するよう適合された信号合成器を一部に含む。いくつかの実施形態では、光ジャイロスコープはさらに、第１信号をフィルタリングするバンドパスフィルタアダプタを一部に含む。いくつかの実施形態では、光ジャイロスコープはさらに、フィルタリングされた第１信号の周波数をダウンコンバートしてベースバンド信号を生成するよう適合されたミキサを一部に含む。いくつかの実施形態では、光ジャイロスコープはさらに、ベースバンド信号をデジタル信号に変換し且つデジタル信号に応じて軸周りの光ジャイロスコープの回転度を表す信号を生成するよう適合されたコントローラを一部に含む。

一実施形態では、第１及び第２光リングはリング共振器である。一実施形態では、第１及び第２リング共振器のそれぞれはさらに、共振器を同調させるよう適合された１つ又は複数の発熱体を一部に含む。一実施形態では、発熱体は、第１及び第２リング共振器と一体化した抵抗発熱体である。一実施形態では、信号合成器は、第１及び第２トランスインピーダンス増幅器の出力信号を加算するよう適合される。一実施形態では、光スイッチはマッハツェンダー干渉計を含む。

一実施形態では、光ジャイロスコープはさらに、第２光リングにより受け取られる又は送られた信号を第２所定位相値だけ遅らせるよう適合された第２位相変調器を一部に含む。一実施形態では、第２所定位相値は９０°位相値である。

本発明の一実施形態による軸周りの方位角を求める方法は、レーザビームを周期の前半に第１経路へ送り周期の後半に第２経路へ送るステップと、周期の前半に第１経路から受け取ったビームの第１部分を第１光リングへ時計方向に送るステップと、周期の後半に第２経路から受け取ったビームの第１部分を第１光リングへ反時計方向に送るステップと、周期の前半に第１経路から受け取ったビームの第２部分を第２光リングへ反時計方向に送るステップと、周期の後半に第２経路から受け取ったビームの第２部分を第２光リングへ時計方向に送るステップと、周期の前半に第１及び第２光リングにより送られたビームを検出して第１信号を生成するステップと、周期の後半に第１及び第２光リングにより送られたビームを検出して第２信号を生成するステップとを一部に含む。

本発明の一形態による方法はさらに、第１信号を第１増幅値だけ増幅して第１増幅信号を生成するステップと、第２信号を第２増幅値だけ増幅して第２増幅信号を生成するステップとを一部に含む。本発明の一実施形態による方法はさらに、第１光リングにより受け取られる又は送られたビームを第１所定位相値だけ遅らせるステップを一部に含む。一実施形態では、第１所定位相値は９０°位相値である。

一実施形態では、本方法はさらに、第１及び第２増幅信号を合成して合成信号を生成するステップを一部に含む。一実施形態では、本方法はさらに、合成信号をフィルタリングしてフィルタ処理信号を生成するステップを一部に含む。一実施形態では、本方法はさらに、フィルタ処理信号の周波数をダウンコンバートしてベースバンド信号を生成するステップを一部に含む。一実施形態では、本方法はさらに、ベースバンド信号をデジタル信号に変換するステップと、デジタル信号に応じて軸周りの光ジャイロスコープの回転度を表す値を生成するステップとを一部に含む。

一実施形態では、第１及び第２光リングはリング共振器である。一実施形態では、本方法はさらに、加熱により第１及び第２リング共振器を同調させるステップを一部に含む。一実施形態では、第１及び第２増幅信号を合成するステップは、第１及び第２増幅信号を別の信号に加算するステップを含む。一実施形態では、本方法はさらに、第２光リングにより受け取られる又は送られたビームを第２所定位相値だけ遅らせるステップを一部に含む。一実施形態では、第２所定位値は９０°位相値である。

本発明の一実施形態による光ジャイロスコープは、半導体基板に光導波路を用いて形成された第１及び第２光路と、第１光路を一方向に進み第２光路を第１方向とは逆の第２方向に進む２つの光信号を生成するコヒーレントレーザ源と、第１及び第２光路で送られたビームを受光するよう適合された光検出器とを一部に含む。

一実施形態では、光導波路の少なくとも一方は光リングである。一実施形態では、光リングはリング共振器である。一実施形態では、光ジャイロスコープはさらに、光検出器の出力を増幅するよう適合された増幅器を一部に含む。一実施形態では、光検出器は、各周期の前半に第１及び第２光路で送られたビームを受光するよう適合される。一実施形態では、光ジャイロスコープはさらに、各周期の後半に第１及び第２光路で送られたビームを受光するよう適合された第２光検出器を一部に含む。

一実施形態では、光ジャイロスコープはさらに、各周期の各前半に第１光検出器の出力を第１信号と合成し且つ各周期の各後半に第２光検出器の出力を第１信号と合成するよう適合された合成器を一部に含む。

一実施形態では、光ジャイロスコープはさらに、第１及び第２光検出器の出力間を切り換えるよう構成されたスイッチを一部に含む。一実施形態では、光ジャイロスコープはさらに、リング共振器を加熱するよう適合された加熱器を一部に含む。一実施形態では、光ジャイロスコープはさらに、リング共振器へ送られた又はリング共振器から受け取ったビームの位相を変調するよう適合された位相変調器を一部に含む。

従来技術において既知の、静止状態でジャイロスコープに配置された光リングを示す。従来技術において示すような、ｚ軸に沿った反時計方向の回転後の図１の光リングを示す。本発明の一実施形態による、軸に沿ったスピン又は回転量を検出するよう適合された光ジャイロスコープのコンポーネントの簡略ハイレベルブロック図である。本発明の一実施形態による、軸に沿ったスピン量を検出するよう適合された光ジャイロスコープのコンポーネントの簡略ハイレベルブロック図である。本発明の一実施形態による、図２又は図３に示す光ジャイロスコープの光検出器の出力を合成するよう適合された回路の簡略概略ブロック図である。ｄＢ単位の利得比を毎分回転数の関数として示すコンピュータシミュレーションである。本発明の一実施形態による、集積型光ジャイロスコープのハイレベルブロック図である。相互に近接して作製された２つの異なる光リングのレーザビームの波長の関数としてのｄＢ単位の測定出力電力のプロットを示す。同じ光リングの波長の関数としてのｄＢ単位の測定出力電力のプロットを示す。本発明の一実施形態による、軸に沿ったスピン又は回転量を検出するよう適合された光ジャイロスコープのコンポーネントの簡略ハイレベルブロック図である。本発明の一実施形態による、軸に沿ったスピン又は回転量を検出するよう適合された光ジャイロスコープのコンポーネントの簡略ハイレベルブロック図である。本発明の一実施形態による、軸に沿ったスピン又は回転量を検出するよう適合された光ジャイロスコープのコンポーネントの簡略ハイレベルブロック図である。本発明の一実施形態による、軸に沿ったスピン又は回転量を検出するよう適合された光ジャイロスコープのコンポーネントの簡略ハイレベルブロック図である。本発明の一実施形態による、軸に沿ったスピン又は回転量を検出するよう適合された光ジャイロスコープのコンポーネントの簡略ハイレベルブロック図である。本発明の一実施形態による、図２及び図３の光ジャイロスコープで用いられる光スイッチの簡略ハイレベルブロック図である。本発明の一実施形態による、軸に沿ったスピン又は回転量を検出するよう適合された光ジャイロスコープのコンポーネントの簡略ハイレベルブロック図である。本発明の一実施形態による、軸に沿ったスピン又は回転量を検出するよう適合された光ジャイロスコープのコンポーネントの簡略ハイレベルブロック図である。

本発明の実施形態によれば、集積型光ジャイロスコープは、高精度で向上した耐雑音性を有し、比較的廉価に製造できる。

図１Ａは、ジャイロスコープの一部であるものとする、ｚ軸（ページ平面に対して垂直）周りでスピン可能であるよう適合された光リング１０を示す。２つのレーザビーム１５及び２０が入口点１２から同時にリングに入るとする。さらに、ビーム１５を時計方向（ＣＷ）に進ませ、ビーム２０を反時計方向（ＣＣＷ）に進ませるとする。ジャイロスコープに加わった力がリング１０をｚ軸周りに回転させない（これによりリング１０を静止状態に維持する）場合、図１Ａに示すように、入口点１２の位置Ｐ_１は変わらず、したがってビーム１５及び２０の両方が入口点１２に同時に到達する。

図１Ｂに示すように、力が加わることで光リング１０がｚ軸周りでＣＷ方向に回転し、これにより入口点１２の位置がＰ_１からＰ_２に変わるとする。このとき、位置Ｐ_２に到達するまでに進む距離はビーム２０よりもビーム１５の方が長い。ビーム２０に対してビーム１５が進む余分な距離は、次式で定められる時間差Δｔをもたらす。

式（１）において、Ｒ、ω、及びＡはそれぞれ、光リング１０の半径、角速度、及び面積を表し、ｃは光速を表す。時間差Δｔの測定により、角速度ω、したがってｚ軸周りの方位角が求められる。図示されていないが、ジャイロスコープが、ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸のうち１つの周りを回転するようそれぞれ適合された３つのこのようなリングを有すると理解されたい。

従来の光ジャイロスコープには、いくつかの雑音源、例えば（ｉ）導波管又はファイバ内にあり位相シフトを誘起する熱雑音（熱変動）、（ｉｉ）製造不整合、（ｉｉｉ）レーザ位相雑音、及び（ｉｖ）導波管又はファイバ内のモード変換等がある。本発明の実施形態による光ジャイロスコープは、上記雑音源を最小化する。

図２は、本発明の一実施形態による、例えばｚ軸（ページ平面に対して垂直）周りのスピン又は回転量を検出するよう適合された光ジャイロスコープ１００のコンポーネントの簡略ハイレベルブロック図である。図示されていないが、光ジャイロスコープ１００が、ｘ軸及びｙ軸両方の周りの回転量を検出するよう適合された同様のコンポーネントも含むと理解されたい。

光リング１００の例えばｚ軸コンポーネントは、光スイッチ１２５と、第１及び第２光路１０２、１１２と、第１及び第２光リング１１０、１２０と、第１、第２、第３、第４、第５、及び第６方向性結合器１０４、１０６、１０８、１１４、１１６、１１８と、第１及び第２光検出器１３０、１４０とを含むものとして図示されている。

レーザ源１０５により供給されたレーザビームは、周期１／Ｔで規定されたスイッチング周波数ｆ_０を有する光スイッチ１２５へ送られる。各上記周期Ｔの前半に、光スイッチ１２５のスイッチ１９５はレーザビームを第１光路１０２へ送るような位置１９０にされレーザビームは続いて光検出器１４０により検出される。各上記周期の後半に、光スイッチ１２５はレーザビームを第２光路１１２へ送るような位置１９２にされ、レーザビームは続いて光検出器１３０により検出される。

（各周期Ｔの前半に受け取られた）経路１０２におけるレーザビームは、方向性結合器１０６、１０８により光リング１１０へ送られ、方向性結合器１０６、１０４により光リング１２０へ送られる。こうして光リング１１０へ送られたビームは、反時計方向に進み、方向性結合器１１８及び１１６を介して光検出器１４０で受光される。同様に、光リング１２０におけるビームは、時計方向に進み、方向性結合器１１４及び１１６を介して光検出器１４０で受光される。

（各周期Ｔの後半に受け取られた）経路１１２におけるレーザビームは、方向性結合器１１６、１１８により光リング１１０へ送られ、方向性結合器１１６、１１４により光リング１２０へ送られる。こうして光リング１１０へ送られたビームは、反時計方向に進み、方向性結合器１０８及び１０６を介して光検出器１３０で受光される。同様に、光リング１２０におけるビームは、反時計方向に進み、方向性結合器１０４及び１０６を介して光検出器１３０で受光される。

本発明の一態様によれば、コヒーレントレーザビームの方向が経路１０２及び１１２間で切り換わると、光検出器１３０及び１４０により生成された２つの出力信号のコモンモードは、製造不整合、熱雑音、及び他の不整合源の効果を取り込む。その一方で、光検出器１３０及び１４０により生成された２つの出力信号のディファレンシャルモードは、ジャイロスコープのスピンに起因した位相シフトである所望の信号に関する情報を含む。換言すれば、光スイッチ１２５のスイッチング周波数が比較的高く選択される場合、例えば（ｋＨｚ範囲の）熱変動及び他の非理想性により誘起された位相シフトがもたらす雑音寄与が相殺される。さらに、本発明の一態様による光ジャイロスコープの各スピン軸は、それぞれがビームを一方向にのみ進ませることができる一対のリングを含むので、本発明の実施形態は、従来のジャイロスコープに共通する導波管（又はファイバ）の非理想的特性に起因したビームの後方反射を抑制する。

図３は、本発明の一実施形態による、例えばｚ軸（ページ平面に対して垂直）周りのスピン又は回転量を検出するよう適合された光ジャイロスコープ２００のコンポーネントの簡略ハイレベルブロック図である。図示されていないが、光ジャイロスコープ２００が、ｘ軸及びｙ軸両方の周りの回転量を検出するよう適合された同様のコンポーネントも含むと理解されたい。

光ジャイロスコープ２００は、光ジャイロスコープ２００が位相変調器１７と第１及び第２ビームスプリッタ／合成器（Ｙ分岐）１６０、１７０とを含むことを除いて、光ジャイロスコープ１００と同様である。位相変調器１７０は、光リング１１０へ送られる又は光リング１１０から受け取った光信号に例えば９０°の位相シフトを導入するよう適合される。

レーザ源１０５により供給されたレーザビームは、周期１／Ｔで規定されたスイッチング周波数ｆ_０を有する光スイッチ１２５へ送られる。各上記周期Ｔの前半に、光スイッチ１２５のスイッチ１９５はレーザビームを第１光路１０２へ送るような位置１９０にされ、レーザビームは続いて光検出器１４０により受光され検出される。各上記周期の後半に、光スイッチ１２５はレーザビームを第２光路１１２へ送るような位置１９２にされ、レーザビームは続いて光検出器１３０により受光され検出される。

光結合器１１６を通して経路１１２から経路１４２へ供給された光ビームは、Ｙ分岐１６０で２つの成分に分割される。こうして分割されたビームの第１成分は、位相変調器１７０を通過した後に光結合器１１８を介して光リング１１０に入る。経路１４２を進むビームの第２成分は、光結合器１１４を介して光リング１２０へ送られる。リング１１０を進むビームは、光結合器１０８を介して経路１５６へ送られる。同様に、リング１２０を進むビームは、光結合器１０４を介して経路１５８へ送られる。経路１５６及び１５８におけるビームは、Ｙ分岐１７０により合成され、経路１５２から結合器１０６を介してフォトダイオード１３０により受光される。

同様に、光結合器１０６を通して経路１０２から経路１５２へ供給された光ビームは、Ｙ分岐１７０で２つの成分に分割される。こうして分割されたビームの第１成分は、光結合器１０８を介して光リング１１０に入る。経路１５２を進むビームの第２成分は、光結合器１０４を介して光リング１２０へ送られる。リング１１０を進むビームは、結合器１１８を介して経路１８０へ送られ、位相変調器１７０を通過した後にＹ分岐１６０に到達する。リング１２０を進むビームは、結合器１１４を介して経路１４８へ送られた後にＹ分岐１６０に到達する。経路１４６及び１４８におけるビームは、Ｙ分岐１６０により合成され、経路１４２から結合器１１６を介してフォトダイオード１４０により受光される。

図３を参照して、光リング１１０及び１２０が同調リング共振器であるとする。光スイッチ１２５のスイッチ１９５がビームを光路１０２へ送る位置１９０にされる各周期の前半０＜ｔ＜Ｔ／２に、光検出器１４０により検出された電力Ｐ_ｏｕｔ２は次のように定義され得る。

式（２）において、Ｐ_ｏｕｔ２は光検出器１４０により検出された光パワーの量を表し、Ｐ_ｉｎはレーザ源１０５により供給された電力であり、Ｋ_１はスイッチ１２５により経路１０２へ送られたレーザパワーの割合（理想的には１に等しい）であり、α_１は光結合器１０６の結合係数（理想的には０．５に等しい）を表し、α_２は光結合器１１６の結合係数を表し、Ｘ_１及びＸ_１１はリング共振器１１０及び１２０それぞれの減衰係数を表し、Ｅ’１はこの半周期にビームがリング１１０を時計方向に進む際のリング１１０における電場を表し、Ｅ_ｉは非理想的特性に起因したリング１１０で反時計方向に進むビームの部分に関連するリング１１０における電場を表し、Ｅ’ ｉｉはこの半周期にビームがリング１２０を時計方向に進む際のリング１２０における電場を表し、Ｅ_ｉｉは非理想的特性に起因したリング１２０で時計方向に進むビームの部分に関連するリング１２０における電場を表し、φ_１はこの半周期にリング１１０から出るビームの位相を表し、φ_２はこの半周期にリング１２０から出るビームの位相を表し、Δφ_ｔｈｅｒはリングにおける熱変動により起こる位相シフトを表し、Ｓ_１及びＳ_２は共振に起因したリング１１０及び１２０それぞれの増幅率を表し、δｆはレーザビームの位相雑音を表し、Ｑはリング１１０、１２０の合成振幅率を表し、Δφ_ｓａｇはジャイロスコープ２００が検出するよう適合されたサニャック効果に起因した位相シフトを表す。

上記定義を前提とすると、以下であることが分かる。

Ｅ２ｉ＋Ｅ’ ｉｉ＝１
Ｅ’２ｉ＋Ｅ’２ｉｉ＝１

各周期の前半０＜ｔ＜Ｔ／２に、光検出器１３０により検出された電力Ｐ_ｏｕｔ１（非理想的特性に起因する）は次のように定義され得る。

光スイッチ１２５のスイッチ１９５がビームを光路１１２へ送る位置１９２にされる各周期の後半Ｔ／２＜ｔ＜Ｔに、光検出器１４０により検出された電力Ｐ_ｏｕｔ２は次のように定義され得る。

式（４）において、Ｋ_２はスイッチ１２５により経路１０２へ送られたレーザパワーの割合（理想的には１に等しい）を表す。各周期の後半に、光検出器１３０により検出された電力Ｐ_ｏｕｔ１は次のように定義され得る。

Ｋ_１及びＫ_２の両方が１に等しくなる理想的な条件だとすると、前半周期にＰ_ｏｕｔ１が０となり、後半周期にＰ_ｏｕｔ２が０となる。したがって、こうした条件下では、前半周期の信号Ｐ_ｏｕｔ１及び後半周期の信号Ｐ_ｏｕｔ２は、前半周期及び後半周期の全体で光検出器１３０及び１４０が受け取る合成信号に寄与しない。α_１＝α_２、Ｋ_１＝Ｋ_２、Ｘ_１＝Ｘ_２等の場合のような理想的な条件だとすると、前半周期の信号Ｐ_ｏｕｔ２と後半周期の信号Ｐ_ｏｕｔ２との唯一の相違は、項Δφ_ｓａｇの符号である。したがって、こうした理想的な条件下では、前半周期の信号Ｐ_ｏｕｔ２と後半周期の信号Ｐ_ｏｕｔ１との和は、検出対象信号である項Δφ_ｓａｇに比例する。

信号Δφ_ｓａｇの検出時の非理想的特性を解決するために、本発明の一態様によれば、光検出器１３０及び１４０のそれぞれの出力信号がトランスインピーダンス増幅器の利得により増幅された後に、２つの出力信号が合成される。図４は、利得Ａ_Ｖ１及びＡ_Ｖ２をそれぞれ有すると見なされるトランスインピーダンス増幅器１３５及び１４５によりそれぞれ出力が増幅されるフォトダイオード１３０及び１４０（図３参照）の簡略概略ブロック図を示す。上述のように、トランスインピーダンス増幅器１３５及び１４５の出力を合成器１５５が受け取り合成して、例えばｚ軸に沿った回転度を表す信号Ｏｕｔを生成する。一実施形態では、合成器１５５は、各サイクルの前半周期に回転度を表す信号Δφ_ｓａｇをベース信号に加算し、各サイクルの後半周期に信号Δφ_ｓａｇをベース信号から減算する。

したがって、各周期の前半０＜ｔ＜Ｔ／２では信号Ｏｕｔは次のように定義され得る。

同様に、各周期の後半Ｔ／２＜ｔ＜Ｔでは信号Ｏｕｔは次のように定義され得る。

簡略式（６）及び（７）において、パラメータγ_１、ｋ_１、γ_２、ｋ_２、γ’１、ｋ’１、γ’２、ｋ’２は、式（２）、（３）、（４）、及び（５）に示される対応のパラメータの複合効果を表すと理解されたい。次式が当てはまる場合、半周期毎に信号Ｏｕｔはパラメータδφ_ｓａｇに直接依存し得る。

導出式（８）において、γ’２＞γ_２及びγ_１＞γ’１、つまりスイッチ１９５を位置１９０にするとレーザビームパワーの５０％よりも多くが経路１０２へ送られ、スイッチ１９５を位置１９２にするとレーザビームパワーの５０％よりも多くが経路１１２へ送られると考えられる。

図５は、Ｙ軸に沿ったＡＶ_１／ＡＶ_２のｄＢ単位の利得をＸ軸に沿った毎分回転数（ＲＰＭ）の関数として示すコンピュータシミュレーションである。図６から分かるように、ジャイロスコープのＲＰＭの低下に伴いΔφ_ｓａｇをより正確に求めるためには、ＡＶ_１／ＡＶ_２の選択精度を高くすべきである。

図６は、本発明の別の実施形態による集積型光ジャイロスコープシステム４００のハイレベルブロック図である。ジャイロスコープシステム４００は、ｘ、ｙ、及びｚ方向に沿った回転度を検出するよう適合され、集積フォトニクスチップ３００を一部に含むものとして図示されている。集積フォトニクスチップ３００は、図２及び図３それぞれに示すジャイロスコープ２００又は３００を含み得る。例えば図２及び図３に示す光検出器１３０及び１４０により生成された出力電流信号Ｐ_１及びＰ_２は、トランスインピーダンス増幅器１３５及び１４５によりそれぞれ増幅される。トランスインピーダンス増幅器１３５の出力電圧は、信号のＤＣ成分を遮断するよう適合されたバイパスコンデンサ３０２の通過後に電圧増幅器３０４によりさらに増幅される。同様に、トランスインピーダンス増幅器１４５の出力電圧は、バイパスコンデンサ３１２の通過後に電圧増幅器３１４によりさらに増幅される。

可変抵抗３０８、３１８は、増幅器３２４及び帰還抵抗３２２と共に、（抵抗３０８から受けた）電圧Ｖ_１及び（抵抗３１８から受けた）電圧Ｖ_２の相対利得を設定して電圧を合計するよう適合される。例えば、帰還抵抗３２２が２０ＫΩの抵抗を有するよう選択され、抵抗３０８及び３１８がそれぞれ１ＫΩ及び２ＫΩの抵抗を有するよう選択される場合、増幅器３２４は２０Ｖ_１＋１０Ｖ_２で定義される出力電圧を生成する。抵抗３０８、３１８、バイパスコンデンサ３２０、増幅器３２４、及び抵抗３２２は、まとめて図４に示す合成器１５５の例示的な一実施形態を示す。バンドパスフィルタ３２８は、周波数が選択範囲内にある信号成分をフィルタリングするよう適合される。抵抗３２６は、増幅器３２４の出力インピーダンスをバンドパスフィルタ３２８の入力インピーダンスに整合させるよう適合される。

バンドパスフィルタ３２８の出力信号は、増幅器３３０によりさらに増幅され、その周波数は、局部発振器（ＬＯ）信号３２９に応じてミキサ３３２によりベースバンド信号にダウンコンバートされる。ミキサ３２２の出力は、ローパスフィルタ３３４によりフィルタリングされる。ＡＤ変換器３３６及びデジタル信号プロセッサ３４０を含むものとして図示されているマイクロコントローラ３５０が、ローパスフィルタ３３４の出力を３軸のいずれかの周りのジャイロスコープの回転度を表す読み出し値Ｓ_ｏｕｔに変換する。

図７は、相互に近接して作製された２つの異なる光リングのレーザビームの波長の関数としてのｄＢ単位の測定出力電力のプロット７１０及び７２０を示す。図７から分かるように、出力電力のピークは、２つの光リングにおいて異なる波長又は周波数で生じ、これは２つの光リングが相互の近くに形成されている場合でもこれらの特性間の不整合があることを示す。

図８は、同一の光リングの波長の関数としてのｄＢ単位の測定出力電力のプロット８１０及び８２０を示す。プロット８１０は、ビームをリングの第２ポート（例えば、入力ポート）からリングに入れた場合のリングの第１ポート（例えば、出力ポート）での測定値を示す。プロット８２０は、ビームをリングの第１ポート（例えば、出力ポート）からリングに入れた場合のリングの第２第１ポート（例えば、入力ポート）での測定値を示す。図８から分かるように、プロット８１０及び８２０のピークは、実質的に同じ周波数で生じ、したがって同一のリングでは散乱パラメータＳ_１２及びＳ_２１が実質的に等しいことを示し、したがって上記仮定の多くを実証する。換言すれば、本発明の実施形態による集積型光ジャイロスコープは、上記に示した構造の相反性という利点からモード変換を克服する。本発明の実施形態による集積型光ジャイロスコープは、熱位相雑音（位相シフト）、リング不整合、及びレーザ位相雑音が方向とは無関係であるという利点がさらにあり、このような効果を相殺する。

いくつかの実施形態では、上述のように光リング１１０及び１２０は同調されるリング共振器であり得る。リング共振器の同調のために、本発明のいくつかの実施形態は、リングを加熱するよう適合された加熱器を含む。いくつかの実施形態では、加熱器は、リングの内側領域及び／又は外側領域の一部に沿って配置され得る抵抗加熱器を含む。

図９Ａは、本発明の一実施形態による、例えばｚ軸に沿ったスピン度を検出するよう適合された光ジャイロスコープ５００のコンポーネントの簡略ハイレベルブロック図である。光ジャイロスコープ５００は、光ジャイロスコープ５００がリング１１０及び１２０の周囲且つ内側領域内の複数部分に隣接して位置決めされた抵抗発熱体５１０を含むことを除いて、図２の光ジャイロスコープ１００と同様である。

図９Ｂは、本発明の一実施形態による、例えばｚ軸に沿ったスピン度を検出するよう適合された光ジャイロスコープ５２５のコンポーネントの簡略ハイレベルブロック図である。光ジャイロスコープ５００は、光ジャイロスコープ５００がリング１１０及び１２０の周囲且つ外側領域内の複数部分に隣接して位置決めされた抵抗発熱体５１０を含むことを除いて、図２の光ジャイロスコープ１００と同様である。

図９Ｃは、本発明の一実施形態による、例えばｚ軸に沿ったスピン度を検出するよう適合された光ジャイロスコープ５５０のコンポーネントの簡略ハイレベルブロック図である。光ジャイロスコープ５５０は、光ジャイロスコープ５５０がリング１１０及び１２０の上又は下でリングの複数部分に部分的に重なる抵抗加熱器５１０を含むことを除いて、図２の光ジャイロスコープ１００と同様である。図示されていないさらに他の実施形態では、抵抗体は、リングの内側領域及び外側領域内に位置決めすることができ、さらにリングに重なることができる。

図１０は、本発明の一実施形態による、例えばｚ軸に沿ったスピン度を検出するよう適合された光ジャイロスコープ６００のコンポーネントの簡略ハイレベルブロック図である。光ジャイロスコープ６００は、光ジャイロスコープ６００がリング１２０へ送られる又はリング１２０から受け取った光信号に例えば９０°位相シフトを導入するよう適合された第２位相変調器１７２を含むことを除いて、図３の光ジャイロスコープ３００と同様である。

図１１は、本発明の別の実施形態による光ジャイロスコープ６２５を示す。光ジャイロスコープ６２５は、光ジャイロスコープ６００が光リング１２０の代わりに１つの光リング及び導波管１２７を含むことを除いて、光ジャイロスコープ２００と同様である。

図１２は、例えば図２及び図３に示す光スイッチ１２５に対応する光スイッチ６５０の簡略ハイレベルブロック図である。光スイッチ６００は、第１及び第２移相器６０２、６０４と５０／５０方向性結合器６０８とを一部に含むものとして示されているマッハツェンダー干渉計である。

図１３は、本発明の一実施形態による、（図３及び図６と同様の方法で）例えばｚ軸に沿ったスピン度を検出するよう適合された制御回路７５０を伴う光ジャイロスコープ７００のコンポーネントの簡略ハイレベルブロック図である。図１３に示す実施形態では、光検出器１３０により生成された信号Ｐ_ｏｕｔ１が、各周期の前半０＜ｔ＜Ｔ／２にトランスインピーダンス増幅器１３５へ送られ、光検出器１４０により生成された信号Ｐ_ｏｕｔ２が、各周期の後半Ｔ／２＜ｔ＜Ｔにトランスインピーダンス増幅器１４５へ送られる。バイパスコンデンサ３０２が、トランスインピーダンス増幅器１３５の出力を可変利得増幅器３０４へ送り、バイパスコンデンサ３１２が、トランスインピーダンス増幅器１４５の出力を可変利得増幅器３１４へ送る。電子スイッチ７５２が動作して、各周期の前半０＜ｔ＜Ｔ／２に可変利得増幅器３０４の出力を抵抗３２６へ送り、各周期の後半Ｔ／２＜ｔ＜Ｔに可変利得増幅器３１４の出力を抵抗３２６へ送る。

バンドパスフィルタ３２８、増幅器３３０、ミキサ３２２、ローパスフィルタ３３、及びコントローラ３５０は、図６に関して上述したのと同様に動作する。信号Ｓ_ｏｕｔは、軸のいずれかの周りの回転度を示すコントローラ３５０の読み出し値である。電子スイッチ７５２が動作して、各周期の前半０＜ｔ＜Ｔ／２に光検出器１３０により生成された信号Ｐ_ｏｕｔ１をトランスインピーダンス増幅器１３５へ送り、各周期の後半Ｔ／２＜ｔ＜Ｔに光検出器１４０により生成された信号Ｐ_ｏｕｔ２をトランスインピーダンス増幅器１４５へ送る。

図１４は、本発明の一実施形態による、例えばｚ軸に沿ったスピン度を検出するよう適合された制御回路８５０を伴う光ジャイロスコープ８００のコンポーネントの簡略ハイレベルブロック図である。図１４に示す実施形態では、位相変調器１７０が、光リング１１０が受け取った又は送った信号の位相を変調周波数ｆ_１でさらに変調するよう適合される。例えば、例えば９０°の位相シフトに加えて、位相変調器１７０は、変調周波数ｆ_１でこの例えば９０°の位相シフトを所定量だけ変調する。光検出器１３０により生成された信号Ｐ_ｏｕｔ１は、各周期の前半０＜ｔ＜Ｔ／２にトランスインピーダンス増幅器１３５へ送られ、光検出器１４０により生成された信号Ｐ_ｏｕｔ２は、各周期の後半Ｔ／２＜ｔ＜Ｔにトランスインピーダンス増幅器１４５へ送られる。制御回路８５０の残りの素子は、制御回路８５０が周波数（ｆ_０＋２ｆ_１）で動作する局部発振器（ＬＯ）信号３２９を用いて同相信号Ｉ及び直交位相信号Ｑを生成することを除いて、図６に関して上述したように動作する。ローパスフィルタ３３４及び３３８の出力信号は、コントローラ３５０へ送られ、これが軸のいずれかの周りの回転度を示す読み出し信号Ｓ_ｏｕｔを生成する。

本発明の上記実施形態は例示的なものであり、限定的なものではない。他の変更及び変形が当業者には明らかであり、添付の特許請求の範囲内にあることが意図される。

Claims

光ジャイロスコープであって、
レーザビームを周期の前半に第１経路へ送り前記周期の後半に第２経路へ送るよう適合された光スイッチと、
前記周期の前記前半に前記第１経路から受け取った前記ビームの第１部分を時計方向に送るよう構成され、さらに前記周期の前記後半に前記第２経路から受け取った前記ビームの第１部分を反時計方向に送るよう構成された第１光リングと、
前記周期の前記前半に前記第１経路から受け取った前記ビームの第２部分を反時計方向に送るよう構成され、さらに前記周期の前記後半に前記第２経路から受け取ったビームの第２部分を時計方向に送るよう構成された第２光リングと、
前記周期の前記前半に前記第１及び第２光リングにより送られた前記ビームを受光するよう適合された第１光検出器と、
前記周期の前記後半に前記第１及び第２光リングにより送られた前記ビームを受光するよう適合された第２光検出器と
を備えた光ジャイロスコープ。
請求項１に記載の光ジャイロスコープにおいて、
前記第１光検出器の出力信号を第１増幅値だけ増幅するよう適合された第１トランスインピーダンス増幅器と、
前記第２光検出器の出力信号を第２増幅値だけ増幅するよう適合された第２トランスインピーダンス増幅器と
をさらに備えた光ジャイロスコープ。
請求項２に記載の光ジャイロスコープにおいて、
前記第１光リングにより受け取られる又は送られた前記ビームを第１所定位相値だけ遅らせるよう適合された第１位相変調器
をさらに備えた光ジャイロスコープ。
請求項３に記載の光ジャイロスコープにおいて、前記第１所定位相値は９０°位相値である光ジャイロスコープ。
請求項３に記載の光ジャイロスコープにおいて、
前記第１及び第２トランスインピーダンス増幅器の合成出力を表す第１信号を生成するよう適合された信号合成器
をさらに備えた光ジャイロスコープ。
請求項５に記載の光ジャイロスコープにおいて、
前記第１信号をフィルタリングするバンドパスフィルタアダプタ
をさらに備えた光ジャイロスコープ。
請求項６に記載の光ジャイロスコープにおいて、
フィルタリングされた前記第１信号の周波数をダウンコンバートしてベースバンド信号を生成するよう適合されたミキサ
をさらに備えた光ジャイロスコープ。
請求項７に記載の光ジャイロスコープにおいて、
前記ベースバンド信号をデジタル信号に変換し且つ
該デジタル信号に応じて軸周りの該光ジャイロスコープの回転度を表す信号を生成する
よう適合されたコントローラ
をさらに備えた光ジャイロスコープ。
請求項１に記載の光ジャイロスコープにおいて、前記第１及び第２光リングはリング共振器である光ジャイロスコープ。
請求項９に記載の光ジャイロスコープにおいて、前記第１及び第２リング共振器のそれぞれは、前記共振器を同調させるよう適合された１つ又は複数の発熱体を含む光ジャイロスコープ。
請求項９に記載の光ジャイロスコープにおいて、前記１つ又は複数の発熱体は、前記第１及び第２リング共振器と一体化した抵抗発熱体である光ジャイロスコープ。
請求項５に記載の光ジャイロスコープにおいて、前記信号合成器は、前記第１及び第２トランスインピーダンス増幅器の出力信号を加算するよう適合される光ジャイロスコープ。
請求項１に記載の光ジャイロスコープにおいて、前記光スイッチはマッハツェンダー干渉計を含む光ジャイロスコープ。
請求項３に記載の光ジャイロスコープにおいて、
前記第２光リングにより受け取られる又は送られた信号を第２所定位相値だけ遅らせるよう適合された第２位相変調器
をさらに備えた光ジャイロスコープ。
請求項１２に記載の光ジャイロスコープにおいて、前記第２所定位相値は９０°位相値である光ジャイロスコープ。
軸周りの方位角を求める方法であって、
レーザビームを周期の前半に第１経路へ送り周期の後半に第２経路へ送るステップと、
前記周期の前記前半に前記第１経路から受け取った前記ビームの第１部分を第１光リングへ時計方向に送るステップと、
前記周期の前記後半に前記第２経路から受け取った前記ビームの第１部分を前記第１光リングへ反時計方向に送るステップと、
前記周期の前記前半に前記第１経路から受け取った前記ビームの第２部分を第２光リングへ反時計方向に送るステップと、
前記周期の前記後半に前記第２経路から受け取った前記ビームの第２部分を前記第２光リングへ時計方向に送るステップと、
前記周期の前記前半に前記第１及び第２光リングにより送られた前記ビームを検出して第１信号を生成するステップと、
前記周期の前記後半に前記第１及び第２光リングにより送られた前記ビームを検出して第２信号を生成するステップと
を含む方法。
請求項１６に記載の方法において、
前記第１信号を第１増幅値だけ増幅して第１増幅信号を生成するステップと、
前記第２信号を第２増幅値だけ増幅して第２増幅信号を生成するステップと
をさらに含む方法。
請求項１７に記載の方法において、
前記第１光リングにより受け取られる又は送られたビームを第１所定位相値だけ遅らせるステップ
をさらに含む方法。
請求項１８に記載の方法において、前記第１所定位相値は９０°位相値である方法。
請求項１８に記載の方法において、
前記第１及び第２増幅信号を合成して合成信号を生成するステップ
をさらに含む方法。
請求項２０に記載の方法において、
前記合成信号をフィルタリングしてフィルタ処理信号を生成するステップ
をさらに含む方法。
請求項２１に記載の方法において、
前記フィルタ処理信号の周波数をダウンコンバートしてベースバンド信号を生成するステップ
をさらに含む方法。
請求項２２に記載の方法において、
前記ベースバンド信号をデジタル信号に変換するステップと、
前記デジタル信号に応じて軸周りの光ジャイロスコープの回転度を表す値を生成するステップと
をさらに含む方法。
請求項１６に記載の方法において、前記第１及び第２光リングはリング共振器である方法。
請求項２４に記載の方法において、
加熱により前記第１及び第２リング共振器を同調させるステップ
をさらに含む方法。
請求項２０に記載の方法において、前記第１及び第２増幅信号を合成するステップは、前記第１及び第２増幅信号を加算するステップを含む方法。
請求項１８に記載の方法において、
前記第２光リングにより受け取られる又は送られたビームを第２所定位相値だけ遅らせるステップ
をさらに含む方法。
請求項２７に記載の方法において、前記第２所定位値は９０°位相値である方法。
光ジャイロスコープであって、
半導体基板に光導波路を用いて形成された第１及び第２光路と、
前記第１光路を１方向に進み前記第２光路を第２方向に進む２つの光信号を生成するコヒーレントレーザ源と、
前記第１及び第２光路で送られた前記ビームを受光するよう適合された光検出器と
を備えた光ジャイロスコープ。
請求項２９に記載の光ジャイロスコープにおいて、前記光導波路の少なくとも一方は光リングである光ジャイロスコープ。
請求項３０に記載の光ジャイロスコープにおいて、前記光リングはリング共振器である光ジャイロスコープ。
請求項３１に記載の光ジャイロスコープにおいて、
前記光検出器の出力を増幅するよう適合された増幅器
をさらに備えた光ジャイロスコープ。
請求項３１に記載の光ジャイロスコープにおいて、前記光検出器は、各周期の前半に前記第１及び第２光路で送られた前記ビームを受光するよう適合され、該光ジャイロスコープは、各周期の後半に前記第１及び第２光路で送られた前記ビームを受光するよう適合された第２光検出器をさらに備える光ジャイロスコープ。
請求項３３に記載の光ジャイロスコープにおいて、各周期の各前半に前記第１光検出器の出力を第１信号と合成し且つ各周期の各後半に前記第２光検出器の出力を前記第１信号と合成するよう適合された合成器をさらに備えた光ジャイロスコープ。
請求項３３に記載の光ジャイロスコープにおいて、前記第１及び第２光検出器の出力間を切り換えるよう構成されたスイッチをさらに備えた光ジャイロスコープ。
請求項３４に記載の光ジャイロスコープにおいて、前記リング共振器を加熱するよう適合された加熱器をさらに備えた光ジャイロスコープ。
請求項３４に記載の光ジャイロスコープにおいて、前記リング共振器へ送られた又は該リング共振器から受け取った前記ビームの位相を変調するよう適合された位相変調器をさらに備えた光ジャイロスコープ。