JP7145535B2 - スパイク抑制のための光学ゲート制御を有する光ファイバジャイロスコープ - Google Patents

Description

優先権の主張
本出願は、２０２０年１月９日に出願された米国仮出願番号第６２／９５９，０９０号に対する優先権の利益を主張し、その全文は、本明細書において参照により援用される。

背景
分野
本出願は一般に、光ファイバジャイロスコープに関する。

関連技術の説明
光ファイバジャイロスコープ（ＦＯＧ: fiber optic gyroscope）は、回転速度感知においてしばしば使用される。それらの応答を線形化し、それらの感度を増加し、それらのノイズを低減するために、当該技術では、Ｙジャンクションの近傍においてサニャック干渉計の感知コイルのアームの一方または両方に位相変調器を実装して、当該干渉計に光学的にバイアスをかけることが一般的である。

概要
ある実現例では、光ファイバジャイロスコープが提供され、当該光ファイバジャイロスコープは、光ファイバコイルと、少なくとも１つの光学回路と、少なくとも１つの光学ゲートとを含む。少なくとも１つの光学回路は、光ファイバコイルと光通信するとともに、少なくとも１つの光源と光通信するように構成される。少なくとも１つの光学回路はさらに、少なくとも１つの光源によって生成された入力光学信号を受信することと、各入力光学信号を第１の光学信号と第２の光学信号とに分割することと、第１の光学信号および第２の光学信号の一方または両方を位相変調することと、第１の光学信号と第２の光学信号とが光ファイバコイルを通って逆向伝播するように第１の光学信号および第２の光学信号を光ファイバコイルに伝送することと、光ファイバコイルを通って逆向伝播した後の第１および第２の光学信号を受信することと、光ファイバコイルを通って逆向伝播した後の第１および第２の光学信号を合成することと、合成された第１および第２の光学信号を少なくとも１つの光検出器に伝送することとを行うように構成される。少なくとも１つの光学ゲートは、入力光学信号ならびに／または合成される前の第１および第２の光学信号を制御可能に時間変調するように構成され、時間変調は、位相変調と同期される。

ある実現例では、光ファイバジャイロスコープが提供され、光ファイバジャイロスコープは、光ファイバコイルと、少なくとも１つの光学回路と、少なくとも１つの光学スイッチとを含む。少なくとも１つの光学回路は、光ファイバコイルと光通信するとともに、少なくとも１つの光源と光通信するように構成される。少なくとも１つの光学回路はさらに、少なくとも１つの光源によって生成された入力光学信号を受信することと、各入力光学信号を第１の部分と第２の部分とに分割することと、各第２の部分を第１の光学信号と第２の光学信号とに分割することと、第１の光学信号および第２の光学信号の一方または両方を位相変調することと、第１の光学信号と第２の光学信号とが光ファイバコイルを通って逆向伝播するように第１の光学信号および第２の光学信号を光ファイバコイルに伝送することと、光ファイバコイルを通って逆向伝播した後の第１および第２の光学信号を受信することと、光ファイバコイルを通って逆向伝播した後の第１および第２の光学信号を合成することとを行うように構成される。少なくとも１つの光学スイッチは、入力光学信号の第１の部分を受信することと、合成された第１および第２の光学信号を少なくとも１つの光学回路から受信することと、少なくとも１つの波形生成器からの制御信号に応答して、第１の状態と第２の状態との間で制御可能に切り替わることとを行うように構成される。第１の状態における少なくとも１つの光学スイッチは、入力光学信号の第１の部分のみを少なくとも１つの光検出器に伝送するように構成され、第２の状態における少なくとも１つの光学スイッチは、合成された第１および第２の光学信号のみを少なくとも１つの光検出器に伝送するように構成される。

ある実現例では、方法が提供され、当該方法は、複数の入力光学信号の各入力光学信号を第１の光学信号と第２の光学信号とに分割することを含む。当該方法は、第１の光学信号および第２の光学信号の一方または両方を位相変調することをさらに含む。当該方法は、第１の光学信号が光ファイバコイルを通って第１の方向に沿って伝播し、かつ、第２の光学信号が光ファイバコイルを通って第２の方向に沿って伝播するように、第１の光学信号および第２の光学信号を光ファイバコイルを通して伝播することをさらに含み、第２の方向は、第１の方向とは逆方向である。当該方法はさらに、光ファイバコイルを通って伝播した後の第１および第２の光学信号を合成することと、合成された第１および第２の光学信号を検出することとを含む。当該方法はさらに、位相変調と同期して、第１および第２の光学信号を合成する前の第１および第２の光学信号ならびに／または入力光学信号を時間変調することを含む。

多目的集積光学チップ（ＭＩＯＣ: multi-purpose integrated optic chip）上のプッシュ・プル変調器を駆動するファンクションジェネレータによって動的にバイアスがかけられる例示的な光ファイバジャイロスコープ（ＦＯＧ）を概略的に示す図である。 図１のＦＯＧの干渉出力を概略的に示す図である。 スパイクが復調電子機器へ通過するのを防止するために開き得る電子ゲートを有するトランスインピーダンス増幅器を概略的に示す図である。 本明細書において記載されるある実現例に従った、光学ゲート制御を利用する例示的なＦＯＧを概略的に示す図である。 本明細書において記載されるある実現例に従った、レーザ相対強度ノイズ（ＲＩＮ: relative intensity noise）を補正するために構成される例示的なＦＯＧを概略的に示す図である。 本明細書において記載されるある実現例に従った例示的なタイミング図である。 本明細書において記載されるある実現例に従った、２つの例示的な条件について、時間の関数としての、光学スイッチに提供される例示的な制御信号と、時間の関数としての光検出器信号の例とを示す図である。 本明細書において記載されるある実現例に従った別の例示的なＦＯＧを概略的に示す図である。 本明細書において記載されるある実現例に従った、光ファイバコイルの適切な周波数において方形波変調により動的にバイアスがかけられる、図４の例示的なＦＯＧの干渉出力を概略的に示す図である。 本明細書において記載されるある実現例に従った、光学ゲート制御を利用する別の例示的なＦＯＧを概略的に示す図である。 本明細書において記載されるある実現例に従った、図８の例示的なＦＯＧを使用する適用されたバイアス変調の関数としてプロットされた測定されたＡＲＷを示す図である。 本明細書において記載されるある実現例に従った例示的な方法のフロー図である。

詳細な説明
図１は、サニャック干渉計としても既知である例示的な光ファイバジャイロスコープ（ＦＯＧ）を概略的に示す。当該光ファイバジャイロスコープは、多目的集積光学チップ（ＭＩＯＣ）上のプッシュ・プル変調器を駆動するファンクションジェネレータによって動的にバイアスがかけられる。光源からの光学信号は、サーキュレータによって感知コイルに向かうようルーティングされる。感知コイルに入る前に、光学信号は、光学信号を偏光し、光学信号を公称上等しいパワーの２つの光学信号へと分割（split）し、当該２つの光学信号を変調するように構成されるＭＩＯＣの第１のポート（たとえば、入力ポート）によって受信される。次いで、２つの光学信号は、ＭＩＯＣの２つの第２のポート（たとえば、出力ポート）によって伝送され、一方が時計回り（ＣＷ）方向において、他方が反時計回り（ＣＣＷ）方向において、感知コイルに結合される。感知コイルを通過した後、当該２つの光学信号は、ＭＩＯＣの２つの第２のポートによって受信され、再びＭＩＯＣを通過し、Ｙジャンクションにおいて互いに合成され、そこで互いに干渉する。次いで、干渉信号は、（たとえば、ＭＩＯＣの第１のポートによって、サーキュレータを通って光検出器へ伝送された後）光検出器によって検出される。

両方の光学信号は、同じ光学路を反対方向に進む。感知コイルにおいて回転および任意の他の非相反性効果が存在しない場合、両方の光学信号は、互いに対して時間遅延（または位相シフト）なしで、同じ瞬間に再びＹジャンクションに到達し、当該光学信号は、ＭＩＯＣの第１のポート（たとえば、入力ポートであり、当該ポートは、サーキュレータと光通信する）において完全に強め合うよう重なり（constructively）干渉する。感知コイルが回転されると、サニャック効果によって、２つの光学信号は、互いに対する位相シフト（サニャック位相シフト）を蓄積し、これらの２つの光学信号の干渉はもはや完全には強め合うよう重ならなくなり、ＭＩＯＣの第１のポートにおける出力パワーが低減する。回転量は、この出力パワーの変化を測定することによって推測され得る。

図２は、図１のＦＯＧの干渉出力を概略的に示す。（図１に示されるのとは異なり）ＦＯＧに動的にバイアスがかけられない場合、小さな回転速度に対して、サニャック位相シフトが小さく、これにより、干渉出力は、図２に示されるように、その上昇されたコサイン応答の頂部の周りの狭い領域に留まる。したがって、その位置での応答の傾きが０（ゼロ）であるので、回転の変化は、（回転速度に対して２次のオーダでの）非常に小さな光学パワーにおける変化を誘発し、感度不良につながる。

ＦＯＧの感度を改善するために、バイアス変調は、図１に概略的に示されるように、Ｙジャンクションの分岐部の一方または両方において１つ以上の位相変調器によって供給され得る。２つの位相変調器が使用される場合、当該２つの位相変調器は、「プッシュ・プル」構成で動作され得、これにより、２つの位相変調器に適用される動的な変調は互いに反対の位相である。すなわち、ある任意の時間（可能には有限遷移時間中を除く）において、大きさは等しいが符号は反対である。この位相変調は、ＦＯＧのループの適切な周波数で行われる。ループの適切な周波数は、１／（２τ_ｇ）として定義され、ここで、τ_ｇ＝ｎＬ／ｃは感知コイルを通るフライト時間（time of flight）であり、Ｌは感知コイルの長さであり、ｎは感知コイルのファイバの屈折率であり、ｃは真空における光の速度（たとえば、位相変調器の各々からＭＩＯＣの第２のポートの各々へのフライト時間を無視する）である。

位相変調器は、図１に概略的に示されるように、ファンクションジェネレータによって印加される電圧Ｖ（ｔ）によって駆動され得る。ロックイン増幅器は、電圧Ｖ（ｔ）および光検出器信号を受信し得、電圧Ｖ（ｔ）と同じ周波数を有する光検出器信号の部分を示す出力信号を生成するように構成され得る。デジタル取得回路（「ＤＡＱ」: Digital acquisition circuitry）は、ロックイン増幅器から出力信号を受信するように構成され得る。

互いに合成されるとともに互いに干渉する光学信号に各位相変調器によって印加される位相変調量φ（ｔ）は、ファンクションジェネレータによって印加される電圧Ｖ（ｔ）に比例する。ＣＣＷ光学信号は、感知コイルを通過するフライト前の時刻ｔにおいて図１のＹジャンクションの上部分岐部において位相変調され得、感知コイルを通過するフライト後の時刻ｔ－τ_ｇにおいて図１のＹジャンクションの下部分岐部において再び位相変調される。ＣＷ光学信号は、感知コイルを通過するフライト前の時刻ｔにおいて図１のＹジャンクションの下部分岐部において位相変調され、感知コイルを通過するフライト後の時刻ｔ－τ_ｇ＝ｔ－ｎＬ／ｃにおいて図１のＹジャンクションの上部分岐部において再び位相変調される。上部分岐部および下部分岐部の変調信号がそれぞれφ（ｔ）および－φ（ｔ）である場合、ＣＷ信号およびＣＣＷ信号は、互いに干渉し、任意の所与の時刻ｔにおいて以下の式に等しい位相変調Δφの差を経験する。

この位相変調スキームの効率を最大にするために、バイアス変調波形の周波数はループの適切な周波数に等しくなり得、この場合、φ（ｔ）＝－φ（ｔ－τ_ｇ）である。たとえば、バイアス変調波形は、感知コイルを通るフライト時間τ_ｇに等しい半周期を有し、誘導されたΔφがπ／２とπとの間であるような振幅（たとえば、変調深さ）（たとえば、ＦＯＧ出力信号の信号対雑音比を最適化するように構成される変調深さ）を有する方形波を含み得る。

方形波変調は多数の利点を提供するが、このバイアス変調波形は、図２の右側に示されるように、方形波変調が正の値から負の値へ、またはその逆へ、遷移するたびに、干渉出力信号において周期的なスパイクを引き起こす（たとえば、H.C. Lefevre, “The Fiber-Optic Gyroscope,” Boston: Artech House. 2^ndEd. pp. 44-45 (2014)参照）。これらのスパイクの形成についての理由は、２つの側面を備える。第１に、変調周波数の半周期が正確に、感知コイルを通るフライト時間ではない場合、Δφが０（ゼロ）である短い瞬間が存在する。これらの短い期間（たとえば、半周期のわずかな部分、すなわち、数百ナノ秒以下）の間、干渉計は最大伝送点においてバイアスがかけられ、これにより、大量の光学パワーが光検出器に伝送されることが可能になる。第２に、位相変調器および駆動電子機器の両方が有限の帯域幅を有する。その結果、バイアス電圧、したがって、光学信号に適用される位相が、負の値から正の値に、またはその逆に、変化するのに有限の量の時間を要する。この短い期間では、位相（たとえば、図１の上部分岐部における位相変調器に適用される）は、０（ゼロ）を通過する。この短い時間の間、干渉計は、ファイバ干渉計の伝送が１単位（unity）であるその応答の頂部において瞬間的にバイアスがかけられる（たとえば、図２参照）。結果として、方形波電圧が最大値から最小値に、またはその逆に、切り替わるたびに、光学エネルギーのバーストが干渉計によって放出され、光検出器に送られ、光検出器が光学パワーのスパイクを受ける。これらのスパイクは周期的であり、適切な周波数の２倍の周波数を有する。これらのスパイクの大きさ、タイミング、および、形状は、たとえば、クロックジッタ、電子クロストーク、および電子機器における熱効果といった、ＦＯＧシステムにおけるさまざまな望ましくない欠陥により、時間に亘って変動し得るので、それらが担持するエネルギーも変動し得る。スパイクはさらに、非方形波バイアス波形においても生じ得る。非方形波バイアス波形の例としては、バイアス信号も急速に変化するデジタルおよびアナログセロダインの多くの変形例における非方形波バイアス波形が挙げられる。さらに、変調電圧が±２ｎＶ_πを通過する際にも、スパイクが作り出され得、ここで式中、ｎは整数である。

これらのスパイクは、補正されないままである場合、さまざまな態様でＦＯＧの性能に負の影響を与え得る。スパイクは、光検出器を飽和させ得、それによって、光検出器の応答が瞬間的に低減され、光検出器が回復する間、ＦＯＧは回転を正確に測定できなくなる。フォトダイオードからの電流スパイクがトランスインピーダンス増幅器に入射すると、トランスインピーダンス増幅器は、その線形の領域から外れるように駆動され得、これにより、電子ノイズが増加され得、かつ、光検出および復調回路のＤＣ特性が変化され得る。さらに、スパイクの結果、トランスインピーダンス増幅器は、その電源から大量の電流を引き込み、これらのスパイクは、良好な電気的絶縁がなければ、他の復調電子機器に容量性結合または電源を介して結合し得る。スパイクは復調電子機器の周波数の２倍の周波数で発生するので、偶数のスパイクと奇数のスパイクとの間の如何なる非対称性（たとえば、バイアス周波数と、感知コイルを通るフライト時間との間のミスマッチから生じ得る）も、回転として擬似的に復調され得、これは、増加したアングルランダムウォーク（ＡＲＷ: angular random walk）およびドリフトにつながり得る。

従来、これらのスパイクは、光検出器と復調回路との間に配置される電子ゲートによって除去され得る。図３は、スパイクが復調電子機器へと通過するのを防止するために開かれ得る電子ゲートを有するトランスインピーダンス増幅器を概略的に示す。ＦＯＧの光学出力（たとえば、図２の右上図を参照）は、図３に示されるように、フォトダイオードおよびトランスインピーダンス増幅器によって電圧に変換され得る。トランスインピーダンス増幅器と復調電子機器との間の電子ゲートは、適切な周波数の２倍の周波数でオンおよびオフにされ得、電子ゲートが有用なＦＯＧ出力信号を復調電子機器に選択的に伝送し、かつ、スパイクをブロックするように時間決めされ得る。

しかしながら、図３に模式的に示される電子的なソリューションは、スパイクの問題を完全には解決しない。トランスインピーダンス増幅器は、フォトダイオードが光学パワーにおけるスパイクを観察するたびに、その出力において電圧スパイクを作り出し得る。光学パワーおよびトランスインピーダンスゲインが両方とも大きい場合、トランスインピーダンス増幅器は、その線形の領域から外れるように駆動され得るか、または、飽和し得る。さらに、トランスインピーダンス増幅器の出力信号は、依然として、復調電子機器に容量性結合または電力線を介して結合し得る。前述したように、スパイクは、復調周波数の２倍の周波数で発生し、ショット・ツー・ショット変動を引き起こしてノイズを作り出し、奇数のスパイクと偶数のスパイクとの間の任意の非対称性を引き起こして疑似ドリフト項を作り出す。

本明細書において記載されるある実現例では、スパイクは、光学ゲート制御を使用してＦＯＧの動作から除去される。本明細書で使用されるように、「光学ゲート制御」という用語は、妥当に最も広義な意味を有し、サニャック干渉計の感知コイルに供給される光学信号のうちの１つ以上および／または感知コイルから受信される光学信号のうちの１つ以上を制御可能に時間変調すること（たとえば、時間の関数としてオンおよびオフにすること）を含むが、これに限定されない。光学ゲート制御は、フォトダイオードの飽和を解消し得、トランスインピーダンス増幅器が高強度の高帯域幅スパイクに応答する必要がないという、電気ゲート制御に対する利点を有する。したがって、光学ゲート制御は、電子機器の安定性を向上し得、トランスインピーダンス増幅器と復調電子機器との間のクロストークを低減し得る。本明細書において記載されるある実現例では、電子ゲート制御の代わりに、または、電子ゲート制御に加えて、光学ゲート制御が使用される。

図４は、本明細書において記載されるある実現例に従った、光学ゲート制御を利用する例示的なＦＯＧ１０を概略的に示す。ＦＯＧ１０は、光ファイバコイル２０と、光ファイバコイル２０と光通信するとともに少なくとも１つの光源４０と光通信するように構成される少なくとも１つの光学回路３０とを含む。少なくとも１つの光学回路３０は、少なくとも１つの光源４０によって生成される入力光学信号４２を受信することと、各入力光学信号４２を第１の光学信号４４ａと第２の光学信号４４ｂとに分割することと、第１の光学信号４４ａおよび第２の光学信号４４ｂの一方または両方を位相変調することと、第１の光学信号と第２の光学信号４４ａ，４４ｂとが光ファイバコイル２０を通って逆向伝播するように第１の光学信号４４ａおよび第２の光学信号４４ｂを光ファイバコイル２０に伝送することと、光ファイバコイル２０を通って逆向伝播した後の第１および第２の光学信号４４ａ，４４ｂを受信することと、光ファイバコイル２０を通って逆向伝播した後の第１および第２の光学信号４４ａ，４４ｂを合成することと、合成された第１および第２の光学信号４４ａ，４４ｂを少なくとも１つの光検出器５０に伝送することとを行うように構成される。ＦＯＧ１０はさらに、入力光学信号４２ならびに／または合成される前の第１および第２の光学信号４４ａ，４４ｂを制御可能に時間変調するように構成される少なくとも１つの光学ゲート６０を含み、上記時間変調は上記位相変調と同期される。たとえば、第１および第２の光学信号４４ａ，４４ｂは、光ファイバコイル２０を通って逆向伝播する前、および／または、光ファイバコイル２０の少なくとも部分を通って逆向伝播している間、および／または、光ファイバコイル２０を通って逆向伝播した後に、制御可能に時間変調され得る。別の例の場合、入力光学信号４２は、少なくとも１つの光学回路３０によって受信される前に、制御可能に時間変調され得る。

ある実現例の光ファイバコイル２０（たとえば、感知コイル）は、コイル（たとえば、５ｃｍから２５ｃｍの範囲の直径と、５００ｍから５０００ｍの範囲のコイル長とを有する実質的に円形形状を有する）に巻回される４極巻回偏光保持（ＰＭ: polarization-maintaining）光ファイバを含む。光源４０の例は、線幅拡大レーザ、非拡大レーザ、広帯域光源（たとえば、Ｅｒドープ超蛍光ファイバ源）、および、発光ダイオードを含むが、これらに限定されない。

ある実現例（たとえば、図４の例示的なＦＯＧ１０を参照）では、少なくとも１つの光学回路３０は、入力光学信号４２を受信するように構成されるサーキュレータ７０と、多目的集積光学チップ（ＭＩＯＣ: multi-purpose integrated optic chip）８０（たとえば、ＬｉＮｂＯ_３で作製される）とを含む。ある実現例では、サーキュレータ７０は、ＭＩＯＣ８０とは別個であるが、少なくとも１つの光学回路３０の少なくとも１つの光ファイバを介してＭＩＯＣ８０と光通信する。一方、ある他の実現例では、サーキュレータ７０は、ＭＩＯＣ８０の構成要素として統合される。サーキュレータ７０は、入力光学信号４２の少なくとも部分を受信し、ＭＩＯＣ８０に伝送するように構成される。ＭＩＯＣ８０は、入力光学信号４２を第１の光学信号４４ａと第２の光学信号４４ｂとに（たとえば、第１および第２の光学信号４４ａ，４４ｂが実質的に等しいパワーを有するように）分割することと、第１および第２の光学信号４４ａ，４４ｂを変調することと、一方が時計回り（ＣＷ）方向で、他方が反時計回り（ＣＣＷ）方向で光ファイバコイル２０に入るよう、変調された第１および第２の光学信号４４ａ，４４ｂを伝送することとを行うように構成される。

ある実現例では、ＭＩＯＣ８０はさらに、光ファイバコイル２０を通って伝わった後の第１および第２の光学信号４４ａ，４４ｂを受信することと、互いに干渉する第１および第２の光学信号４４ａ，４４ｂを、互いに合成することとを行うように構成される。サーキュレータ７０は、合成された第１および第２の光学信号４４ａ，４４ｂ（たとえば、干渉信号）をＭＩＯＣ８０から受信することと、第１および第２の光学信号４４ａ，４４ｂを少なくとも１つの光検出器５０に伝送することとを行うように構成される。

たとえば、ＭＩＯＣ８０は、サーキュレータ７０と光通信するとともに、入力光学信号４２を第１の光学信号と第２の光学信号４４ａ，４４ｂとに分割するように構成される光ファイバＹジャンクション８２を含み得る。ＭＩＯＣ８０はさらに、Ｙジャンクション８２と光通信するとともに、（たとえば、ＦＯＧ１０の動的なバイアス付与のために、ループの適切な周波数で方形波変調を第１および第２の光学信号４４ａ，４４ｂに印加するよう）第１および第２の光学信号４４ａ，４４ｂを変調するように構成される１つ以上の位相変調器８４を含み得る。ある実現例では、ＭＩＯＣ８０はさらに、入力光学信号４２を偏光するように構成される少なくとも１つの統合されたポラライザ（図示せず）を含み、少なくとも１つの光学回路３０の光ファイバは、ＰＭ光ファイバである。

ある実現例では、図４に概略的に示されるように、ＦＯＧ１０はさらに、少なくとも１つの光検出器５０と、ロックイン増幅器９０と、デジタル取得（ＤＡＱ）回路９２と、波形（たとえば、方形波）生成器９４とを含む。ロックイン増幅器９０は、少なくとも１つの光検出器５０から光検出器信号を受信することと、波形生成器９４から波形（たとえば、方形波）電気信号（１つ以上の位相変調器８４に供給される同じ信号）を受信することと、光検出器信号を復調することとを行うように構成され得る。ＤＡＱ回路９２は、ロックイン増幅器９０からの出力信号を受信し、かつ、測定するように構成され得る。

ある実現例では、少なくとも１つの光学ゲート６０（たとえば、光学強度変調器、光学振幅変調器）は、入力ポート６２および出力ポート６４を含み、光源４０とサーキュレータ７０との間の光学路内（たとえば、図４において「Ａ」とラベル付けされた位置）に存在する。ある他の実現例では、少なくとも１つの光学ゲート６０は、ＭＩＯＣ８０と光ファイバコイル２０との間（たとえば、図４において「Ｂ」とラベル付けされた位置）に位置するか、または、光ファイバコイル２０に沿った位置に位置する。本明細書において記載されるある実現例に従った少なくとも１つの光学ゲート６０の例は、いくつかの異なる種類の光学強度変調器（たとえば、ニオブ酸リチウムまたは他の非線形結晶を使用する電気光学効果に基づくもの、さまざまな材料を用いる音響光学変調器、液晶変調器など）と、光学スイッチとを含むが、これらに限定されない。

本明細書において記載されるある実現例に従った他の例示的なＦＯＧ１０は、他の構成要素をさらに含む。たとえば、ＦＯＧ１０は、光ファイバコイル１０の温度を測定することと、時間に亘る温度勾配の変動によるドリフトに対して保護することとを行うように構成される１つ以上のセンサおよび回路（たとえば、マイクロコントローラ）と、地磁気の変動によるドリフトに対して保護することを行うように構成される１つ以上のミューメタル構造（たとえば、筐体、缶）とを含み得る。

ある実現例の少なくとも１つの光学ゲート６０（たとえば、光学強度変調器）は、制御可能にかつ選択的に（たとえば、光学強度変調器に供給される制御電圧に依存して）、（ｉ）一方のポート（たとえば、入力ポート６２、出力ポート６４）において受信される光学信号の実質的な部分（たとえば、少なくとも２５％、少なくとも３０％、少なくとも４０％、少なくとも５０％、実質的にすべて）を他方のポートに伝送すること、または、（ｉｉ）一方のポート（たとえば、入力ポート６２、出力ポート６４）において受信される光学信号の実質的な部分（たとえば、少なくとも２５％、少なくとも３０％、少なくとも４０％、少なくとも５０％、実質的にすべて）が他方のポートに伝送されるのを防止する（たとえばブロックする）ことを行うように構成される。少なくとも１つの光学ゲート６０は、（ｉ）方形波バイアス信号が変化している期間中に入力ポート６２から出力ポート６４（および／またはその逆）への光学信号の実質的な部分の伝送をブロックするように、ならびに、（ｉｉ）すべての他の時間において入力ポート６２から出力ポート６４（および／またはその逆）に光学信号の実質的な部分を伝送するように、（たとえば制御電圧によって）駆動され得る。方形波バイアス信号が変化している期間中に伝送される光学信号部分の光学パワーは、他のすべての時間中において伝送される光学信号部分の光学パワー未満である。たとえば、少なくとも１つの波形生成器９４（たとえば、単一出力波形生成器、複数出力波形生成器）は、バイアス変調９６（たとえば、方形波電気信号）を１つ以上の位相変調器８４に供給し、（たとえば、パルス生成器９９からの）電気パルス列９８を少なくとも１つの光学ゲート６０に供給するように使用され得る。バイアス変調９６および電気パルス列９８は、１つ以上の位相変調器８４および少なくとも１つの光学ゲート６０が互いに同期するように、互いに同期される。

ある実現例では、少なくとも１つの光学ゲート６０は、光学回路３０内の位置から、その位置でのパワーを監視するように構成される少なくとも１つの他の光検出器（図示せず）に向かって、光学パワーの少なくとも部分を再ルーティング（たとえば、多重化、タップアウト）するように構成される。たとえば、少なくとも１つの光学ゲート６０は、スパイク光の光子のうちの少なくともいくつかを、少なくとも１つの他の光検出器に向かって再ルーティングするように構成される光学スイッチを含み得る。別の例の場合、少なくとも１つの光学ゲート６０は、そうでなければスパイクになるであろう光子を、ＦＯＧ１０および／または全く異なる光ファイバ感知装置の、平均波長安定性および／または何らかの他の意味のある量を監視するように構成されるサブシステム（図示せず）に送るように構成される光学スイッチを含み得る。たとえば、（たとえば、５０／５０、６０／４０または７０／３０のデューティサイクルでの）ＦＯＧ１０と別の光ファイバセンサ（たとえば、位相面変調音響センサ（phase-front modulation acoustic sensor））との間の共通の光源の時分割多重化が行われ得る。

図５Ａは、本明細書において記載されるある実現例に従ったレーザ相対強度ノイズ（ＲＩＮ: relative intensity noise）を補正するために構成される例示的なＦＯＧ１００を概略的に示す。あるそのような実現例では、図５Ａの例示的なＦＯＧ１００は、レーザスパイクを抑制し、かつ、電子ゲートまたは第２の光検出器を使用せずにＲＩＮを低減するように構成され、これにより、他のシステム（たとえば、米国特許番号第５，３３１，４０４号および第５，４６９，２５７号ならびに米国特許出願公報第２００３／０１９８４２４号を参照）対する利点を提供する。ある実現例では、少なくとも１つの光学回路３０は、光学カプラ１１０（たとえば、Ｙジャンクション）を含む。光学カプラ１１０は、少なくとも１つの光源４０から入力光学信号４２を受信することと、入力光学信号４２の第１の部分１１２を分割（たとえば、タップアウト）することと、第２の部分１１４（たとえば、５０％超、９０％超）をサーキュレータ７０に伝送することとを行うように構成される。光学カプラ１１０は、第１の部分１１２のパワーと第２の部分１１４のパワーとの所定の比を提供するように構成される結合比を有する。図５Ａに示されるように、第１の部分１１２は、光ファイバコイル２０のコイル長Ｌの１／２に実質的に等しい長さを有する光ファイバ遅延線１３０を介して、少なくとも１つの光学ゲート６０の光学スイッチ１２０の第１の入力ポート１２２に伝送される。ある実現例では、合成された第１および第２の光学信号４４ａ，４４ｂは、サーキュレータ７０によって光ファイバジャイロ線１４０を介して光学スイッチ１２０の第２の入力ポート１２４に伝送される。

ある実現例では、光学スイッチ１２０の出力ポート１２６は、光検出器５０と光通信する。光学スイッチ１２０は、少なくとも１つの波形生成器１５０からの制御信号１５２に応答して、第１の状態と第２の状態との間で切り替わるように構成される。ある実現例では、図５Ａに概略的に示されるように、少なくとも１つの波形生成器１５０は、光学スイッチ１２０に制御信号１５２を出力するように構成される第１の波形生成器１５０ａと、ＭＩＯＣ８０に制御信号を出力するように構成される第２の波形生成器１５０ｂとを含み得、第１および第２の波形生成器１５０ａ，１５０ｂは、互いに同期される。

第１の状態では、光学スイッチ１２０は、入力光学信号４２（たとえば遅延線信号）の第１の部分１１２のみを光検出器５０に伝送するように構成される。第２の状態では、光学スイッチ１２０は、合成された第１および第２の光学信号４４ａ，４４ｂ（たとえば、ジャイロ信号）のみを光検出器５０に伝送するように構成される。これにより、光検出器５０は、遅延線信号およびジャイロ信号の両方を検出するように構成される。

光学スイッチ１２０の第１の入力ポート１２２に伝送される遅延線１３０の出力Ｐ_ｄは、以下のように、光学カプラ１１０によって受信され、遅延線伝播時間だけ遅延されるレーザパワーＰ_ｌに比例しており、

ここで式中、α_ｄは（たとえば、光学カプラ１１０の結合比および遅延線１３０における過剰損失による）遅延線１３０のパワー減衰であり、ｎは遅延線１３０の屈折率であり、Ｌ／２は遅延線１３０の長さであり、ｃは真空を通る光の速度である。

光学スイッチ１２０の第２の入力ポート１２４に伝送されるジャイロ線１４０の出力Ｐ_ｇは、以下のように、光学カプラ１１０によって受信され、光ファイバコイル２０およびジャイロ線１４０を通る伝播時間だけ遅延され、かつ、ジャイロスコープ（たとえば、少なくとも１つの光学回路３０および光ファイバコイル２０）の応答によって減衰されるレーザパワーＰ_ｌに比例しており、

ここで式中、α_ｇは（たとえば、光学カプラ１１０の結合比、ジャイロスコープの光学路の結合比およびジャイロスコープの光学構成要素における過剰損失による）ジャイロスコープのパワー減衰であり、ｎはジャイロスコープの光ファイバの屈折率であり、Ｌは光ファイバコイル２０の長さであり、φ（ｔ）は時間ｔにおいて１つ以上の位相変調器８４によって適用される位相である。

図５Ｂは、本明細書において記載されるある実現例に従った例示的なタイミング図である。図５Ｂに示されるように、バイアス変調が変化していない間、光学スイッチ１２０は、ジャイロ信号を光検出器５０に渡すように構成される。バイアス変調が変化している時に、ジャイロ出力にスパイクが生成される。これらの時間中、光学スイッチ１２０は、遅延線信号を光検出器５０に伝送するように構成される。光検出器５０によって受信される信号は、遅延線信号とジャイロ信号との連続（concatenation）である。ある実現例では、光学スイッチ１２０は、光学スイッチ１２０が他の入力ポートに切り替わる前に、遅延線信号およびジャイロ信号の各々が、ｎＬ／（２ｃ）の積分時間Δｔの間、伝送されるように、２つの入力ポート１２２，１２４の間で切り替わる。ある実現例では、アナログデジタル変換器が、積分時間［ｔ，ｔ＋Δｔ］に亘って光検出器５０によって生成される信号を積分し、積分された信号は、離散測定ｐ［ｉ］として格納され、ｉ＝ｆｌｏｏｒ（ｔ／Δｔ）である。

図５Ｂは、同時に、ＲＩＮを低減（たとえば、除去）し、スパイクを抑制するために、本明細書において記載されるある実現例がどのように使用され得るかを示す。図５Ｂの上部枠は、ＲＩＮを有するレーザの出力を示す。図５Ｂの第２の枠は、Δｔだけ遅延され、α_ｄだけ減衰されたレーザ信号の複製である遅延線信号を黒い実線で示す。図５Ｂの第３の枠は、２Δｔだけ遅延され、α_ｇだけ減衰され、スパイクによって破損したレーザ信号の複製であるジャイロ信号を灰色で示す。図５Ｂの第４の枠は、（たとえば、ＦＯＧ１００にバイアスをかけるように）少なくとも１つの波形生成器１５０によってＭＩＯＣ８０に伝送される制御信号を示す。この制御信号の有限の立ち上がり時間および立ち下がり時間は、第３の枠に示されるジャイロ信号におけるスパイクを引き起こす。図５Ｂの第５の枠は、少なくとも１つの波形生成器１５０によって光学スイッチ１２０に伝送される制御信号１５２を示す。これらの制御信号１５２に応答して、光学スイッチ１２０は、ジャイロ信号がジャイロ信号におけるスパイクを有する場合に遅延線信号（黒）を伝送し、ジャイロ信号におけるスパイクが存在しない場合にジャイロ信号（グレー）を伝送するように選択的に構成される。図５Ｂの第６の枠は、光検出器５０からの信号を示す。遅延線信号測定ｐ［２ｎ］（ｎは整数）における光子は、ジャイロ信号測定ｐ［２ｎ＋１］における光子と同時にレーザにおいて作り出されたので、これらは同じＲＩＮを有する。

光ファイバコイル２０において如何なる非相反性位相シフト（たとえば、サニャック位相シフト、後方散乱ノイズ、偏光結合）も存在しない場合、振幅φ_ｂ（たとえば、２φ（ｔ）－２φ（ｔ－τ）＝４φ_ｂ）を有する方形波変調を想定すると、２つの隣接する測定の間の比は、以下のように表され、

当該式は、レーザパワーＰ_ｌから独立しており、したがってＲＩＮから独立している。次いで、ｐ［２ｎ］の測定を使用して、ＲＩＮが大きく減じられるように、（たとえば、マイクロプロセッサ、フィールドプログラマブルゲートアレイ、ミキサ、および／またはロックイン増幅器の使用により）ｐ［２ｎ＋１］が補正され得、非ＲＩＮ効果（たとえば、サニャック位相シフト、後方散乱ノイズ、ショットノイズ）によって引き起こされる信号のみを残す。ある実現例では、この技術を使用して、有害なスパイクが光検出器５０に到達することを同期的に一切抑制することができ、かつ、単一の光検出器５０を使用しながら、少なくとも１つの光源４０のＲＩＮを低減（たとえば、除去、相殺）することを可能とし得る。

ある実現例では、φ（ｔ）、α_ｇおよびα_ｄは、ジャイロ信号および遅延線信号の平均パワーが互いにほぼ等しくなる（たとえば、α_ｇ（１＋ｃｏｓ（４φ_ｂ））／２＝α_ｄ）ように、（たとえば、φ（ｔ）の振幅を変動させることによって、または、可変減衰器によりα_ｇもしくはα_ｄを変化させることによって）選択または制御され得る。図５Ｃは、本明細書において記載されるある実現例に従った、２つの例示的な条件について、時間の関数としての、光学スイッチ１２０に提供される例示的な制御信号１５２と、時間の関数としての光検出器信号の例とを示す。図５Ｃの第１の枠に示されるように、光学スイッチ１２０に供給される制御信号１５２（たとえば、電圧）は、適切な周波数の２倍の周波数で、２つの入力同士の間で切り替わる。２つの入力信号の平均パワーが異なる場合、光検出器信号は、図５Ｃの第２の枠によって示されるように、適切な周波数の２倍の周波数の方形波信号であり、ハイレベルの値およびローレベルの値は、それぞれ遅延線信号およびジャイロ信号における光学パワーに対応する。しかしながら、これらのパワーに２つの異なる値を使用することは、復調電子機器に対して望ましくない影響（たとえば、逆バイアスがかけられたフォトダイオードの両端の電流における突然の周期的な変化）を有し得る。この方形波の振幅は、図５Ｃの第３の枠に示されるように、α_ｇ（１＋ｃｏｓ（４φ_ｂ））／２＝α_ｄを設定することによって（たとえば、バイアス変調深さφ_ｂを変動することによって、α_ｇまたはα_ｄを可変減衰器により変化することによって）、効果的に０（ゼロ）に低減され得る。そのような構成を有するある実現例は、光検出または復調回路における安定性の向上を提供し得る。

図５Ａ～図５Ｃにおける遅延線の長さは、光ファイバコイル２０の長さの１／２に実質的に等しいが、ある他の実現例では、この技術は、遅延線の長さが、光ファイバコイル２０の長さの奇数の整数倍の１／２（たとえば、３Ｌ／２、５Ｌ／２、．．．）に実質的に等しい場合に採用され得る。長さｍＬ／２の遅延線の場合（ｍは奇数）、ＲＩＮは、測定ｐ［２ｎ＋ｍ－１］およびｐ［２ｎ＋１］を比較することによって、減じられ得る。

図６は、本明細書において記載されるある実現例に従った別の例示的なＦＯＧ２００を概略的に示す。ＦＯＧ２００は、サーキュレータ７０の代わりに２×２方向性カプラ２１０を含む。例示的なＦＯＧ２００の動作は、ジャイロ信号がサーキュレータ７０の代わりに２×２方向性カプラ２１０を介して光学スイッチにルーティングされることを除き、図５Ａの例示的なＦＯＧ１００の動作と同様である。

図７は、本明細書において記載されるある実現例に従った、光ファイバコイル２０の適切な周波数における方形波変調により動的にバイアスがかけられる、図４の例示的なＦＯＧ１０の干渉出力を概略的に示す。（たとえば、図１に示されるような）光学強度変調器を有さないＦＯＧの場合、光検出器は、図７の右上のグラフ（たとえば、図２の右上グラフと同じ）において示される、ＦＯＧによって伝送されるゲート制御されていない光学信号を受信する。ゲート制御されていない光学信号は、ＭＩＯＣの位相変調器に印加されるバイアス電圧における急激な変化において大きなスパイクを有する方形波である。ある実現例では、これらのスパイクは、光学強度変調器６０の入力ポート６２から出力ポート６４に伝送される光学信号が、図７の右中央のグラフに示されるものに類似するように、光学強度変調器６０に制御電圧（たとえば、バイアス電圧の急激な変化に同期されるパルスを有するパルス列）を印加することによって、光学的に除去またはゲート制御される。ある実現例では、ほとんどの時間、光学強度変調器６０が実質的にすべての光学信号を入力ポート６２から出力ポート６４に（逆もまた同様に、すなわち、出力ポート６４から入力ポート６２に）伝送するように光学強度変調器６０にはバイアスがかけられ得るが、τ_ｇごとに、光学強度変調器６０が入力ポート６２から出力ポート６４に（逆もまた同様に、すなわち、出力ポート６４から入力ポート６２に）光学信号を実質的に伝送しないように光学強度変調器６０にはバイアスがかけられる。スパイクが短いので、光学強度変調器６０が実質的にすべての光学信号が入力ポート６２から出力ポート６４（および逆もまた同様）に伝送されるのをブロックする期間は、半周期のうちのごく一部であり得、すなわち数百ナノ秒以下であり得る。たとえば、ｒがゲート制御波形のデューティサイクルを表すとすれば、ｒ＝０は変調器６０が時間の１００％において伝送する限界を表し、ｒ＝１は変調器６０がすべての時間において信号の１００％をブロックする限界を表し、ｒの範囲は非常に広くあり得る。当該デューティサイクルについてのｒの下限は、スパイクの実質的にすべて（たとえば、非常に高帯域幅の電子機器についてｒ＝１％）をブロックするための最小量の時間に対応し得る。ｒがその下限から増加されるほど、より多くの信号が変調器６０によってブロックされ、ＦＯＧ１０の信号対雑音比が低下し、アングルランダムウォーク（ＡＲＷ）の増加を引き起こす。ＦＯＧ１０の復調スキームに依存して、ｒの値は５０％ほどに大きくあり得、依然として性能のわずかな劣化を引き起こし得るのみである（米国特許第４，７２８，１９２号参照）。光検出器５０によって検出される光学信号は、図７の右上のグラフと右中央のグラフとの積であり、図７の右下のグラフに示されるように、光検出器５０によって検出される光学信号からスパイクが光学的にゲート制御（たとえば減衰、ブロック、除去）される。

ある実現例では、光学強度変調器６０は、光源４０（たとえば、レーザ）の直後（たとえば、図４における例示的なＦＯＧ１０の「Ａ」とラベル付けされた位置）に位置決めされる。たとえば、ある実現例では、光源４０（たとえば、レーザ）は、ＦＯＧ１０の出力信号対雑音比を最大にするために、相対的に高いパワー（たとえば、数ｍＷ以上）で動作される。ＦＯＧ内に投入され得る最大パワーは、サーキュレータ７０、ファイバ・ツー・バルク光学接続（fiber-to-bulk-optics connections）、および／または、ニオブ酸リチウムのＭＩＯＣ８０における光学ダメージのリスク（たとえば、フォトダークニングによって制限されるときもある。光学強度変調器６０が、光源４０の直後に位置決めされるとともに、光学パワーの幾分かを周期的にブロックするように構成されるある実現例は、これらの構成要素内を伝わる平均パワーを低減する利点を有し、これにより、光学ダメージのリスクが低減される。

ある他の実現例では、光学強度変調器は、ＦＯＧ１０の他の位置に位置決めされる。たとえば、光学強度変調器６０は、ＭＩＯＣ８０と光ファイバコイル２０との間の光学路（たとえば、図４において「Ｂ」とラベル付けされた位置）に位置決めされ得、または、光ファイバコイル２０に沿った位置に位置決めされる。実用的な事項として、光学強度変調器６０は、ＭＩＯＣ８０上（たとえば、ＭＩＯＣ８０のＹジャンクション８２と光ファイバコイル２０との間）に直接的に作製され得る。

図８は、本明細書において記載されるある実現例に従った、光学ゲート制御を利用する別の例示的なＦＯＧ３００を概略的に示す。図８の例示的なＦＯＧ３００は、駆動電流生成器３１０から変調された駆動電流３１２を受信する光源４０を含み、駆動電流変調は、バイアス変調９６（たとえば、電圧）が負から正またはその逆に変化している間に、駆動電流が光源４０に供給されないように、ＭＩＯＣ８０に適用されるバイアス変調９６に同期される。図８の例示的なＦＯＧ３００では、光源４０と駆動電流生成器３１０との組み合わせは、入力光学信号４２を時間変調するように構成される光学ゲートと考えられ得る。駆動電流が０（ゼロ）であるか、または、レーザしきい値電流を著しく下回る期間中は、光源４０は入力光学信号４２を生成しないので、入力光学信号４２はＦＯＧ３００に送られず、したがってスパイクは作り出されない。さらに、光源４０に供給される駆動電流３１２は、感知光ファイバコイル２０を通る光学信号４４ａ，４４ｂの単一のフライト時間内で複数回オンおよびオフに切り替えられ得る。たとえば、光源４０は、スパイクを防止するよう瞬間的にオフに閉じられ、その後、τ_ｇ／２の持続時間後に再びオフに閉じられ得る。バイアス変調９６が変化している間、光源４０がオフである限り、スパイクは作り出されない。

図９は、本明細書において記載されるある実現例に従った、図８の例示的なＦＯＧ３００を使用して、スパイクによって引き起こされるノイズ（たとえば、ＡＲＷ）を低減するために光学ゲート制御が使用される測定を概略的に示す。図９の測定は、図８の例示的なＦＯＧ３００を使用して得られたが、図４の例示的なＦＯＧ１０を使用する他の測定も、ＡＲＷの低減を示した。

図９の測定について、光ファイバコイル２０は、約３２４０メートルの長さを有する光ファイバを含み、光ファイバコイル２０は、１２ｃｍの直径を有する円形形状を有し、光源４０は、J.N. Chamoun and M.J.F. Digonnet. “Aircraft-navigation-grade laser-driven FOG with Gaussian-noise phase modulation.” Opt. Lett., vol. 42, no. 8. pp. 1600-1603 (2017)に記載される方法を用いて約２０ＧＨｚに広げられた１０ＭＨｚレーザを含んだ。

従来のＥｒドープ超蛍光ファイバ源（ＳＦＳ: superfluorescent fiber source）により照射されるＦＯＧとは対照的に、図８の例示的なＦＯＧ３００は、ＳＦＳの過剰なノイズ（または相対強度ノイズ）によって制限されなかった。主なＣＷおよびＣＣＷ光学信号と光ファイバコイル２０内で後方散乱された光との間のコヒーレントな相互作用による後方散乱ノイズは、数十μｄｅｇ／√Ｈｚのオーダーになるように計算された（S.W. Lloyd, M.J.F. Digonnet, “Modeling coherent backscattering errors in fiber optic gyroscopes for sources of arbitrary line width,” J. Lightwave Technol., vol. 31, no. 13, pp. 2070-2078 (2013)参照)。したがって、図８の例示的なＦＯＧ３００は、主として光検出器ノイズ、スパイクノイズ、およびショットノイズによって制限された。図９の測定では、バイアス変調９６の振幅が０．７５πと１．２５πとの間で変動された。各バイアス変調設定において、１分間のデータが収集され、これらのデータの計算されたアラン偏差（Allan deviation）からＡＲＷが推定された。比較のために、光学ゲート制御をオフにした状態で測定が繰り返された。

図９は、適用されたバイアス変調９６の関数としてプロットされた測定されたＡＲＷを示す。丸印は、光学ゲート制御有りで測定されたＡＲＷデータを表し、十字印は、光学ゲート制御なしで測定されたＡＲＷデータ（たとえば、ベースラインデータ）を表す。破線の曲線は、全体のＡＲＷに対する光検出器ノイズの寄与を表す。全体のＡＲＷに対する検出器ノイズの形状を理解するために、方形波バイアス変調９６の振幅がπまたはπの奇数倍である場合を考える。次いで、サニャック干渉計は、ダークフリンジ上においてバイアスがかけられ、回転に対する光検出器５０の感度（ｄＰ／ｄΩ）は０（ゼロ）である。ＦＯＧ３００は、小さな回転速度に対してその速度の１次のオーダまで応答しないが、光検出器５０（たとえば、フォトダイオード）において、フォトダイオード暗電流と、トランスインピーダンス増幅器抵抗器における熱ノイズとから生じるノイズが存在する。したがって、この設定では、（信号対雑音比の逆数である）ＡＲＷは、図９の破線曲線において見られるように、無限である。方形波バイアス変調９６の振幅が、πの奇数倍からいずれかの方向に変動されると、サニャック干渉計はもはやダークフリンジ上においてバイアスがかけられず、光検出器５０（たとえば、フォトダイオード）は、光電流を受信し、これにより、信号対雑音比が増加され、したがってＡＲＷが低減される（たとえば、改善される）。光検出器５０における電子ノイズ（たとえば、トランスインピーダンス増幅器におけるジョンソン－ナイキストノイズ（Johnson-Nyquist noise））は、光学信号における如何なる変化からも独立している。しかしながら、方形波バイアス変調９６の振幅がπの奇数倍の半分である場合（図９参照）、干渉感度が最大化され、これにより、光検出器５０におけるコンスタントな電子ノイズの影響が最小化され得る。光検出器ノイズは、バイアス変調９６がπの倍数である場合、すなわち干渉感度が最小化される場合、最も害が少ない。３００μｄｅｇ／√ｈのＡＲＷでの水平方向の点線は、H.C. Lefevre, “The Fiber-Optic Gyroscope,” Boston: Artech House. 2^ndEd. pp. 26 (2014)において特定されるように、ストラテジック・グレード（戦略グレード）のＡＲＷについての性能ベンチマークを示す。

上述したように、Δφがπに近い場合、サニャック干渉計は、ダークフリンジの近傍においてバイアスがかけられ、光ファイバコイル２０を通って伝播した後にＭＩＯＣ８０の第１のポートに戻る合成された光学信号４４ａ，４４ｂの干渉和は、局所的最小値近傍であり、感度ｄＰ／ｄΩはほぼ０（ゼロ）である（サニャック干渉計が局所的最大値で動作される場合、低感度という同じ問題が発生し、ここで、合成された光学信号４４ａ，４４ｂの干渉和は局所的最大値近傍である）。結果的に、合計のＡＲＷに対するスパイクノイズの寄与は、合計のＡＲＷに対する光検出器ノイズの寄与と比較して小さく、光検出器ノイズは支配的である。図９に示されるように、Δφがπに近い場合、光学ゲート制御有りで測定されたＡＲＷおよび光学ゲート制御なしで測定されたＡＲＷは、本質的に互いの上に重なり、破線曲線によって示される理論的な光検出器ノイズ限界に非常に近い。

Δφがこのダークフリンジから離れるように増加または減少すると、光ファイバコイル２０から戻る平均信号が増加し、感度が改善されるので、光検出器ノイズ（ＡＲＷの単位で表される）が減少し、スパイクからのＡＲＷが支配的になる。図９において見られるように、バイアス変調９６のある範囲（たとえば、約０．８７πを下回り約１．１３πを上回る）において、本明細書に記載されるある実現例に従って光学ゲート制御有りで測定されたＡＲＷ（丸印）は、光学ゲート制御なしで測定されたＡＲＷ（十字印）より低い。バイアス変調９６のこれらの２つの例示的な範囲において光学ゲート制御が有効にされると、スパイクからのＡＲＷは、実質的に減衰（たとえば、低減、解消）され、図８の例示的なＦＯＧ３００は再び、光検出器ノイズが制限され、１００μｄｅｇ／√ｈ未満のＡＲＷの値に達する。図９に示されるように、この例示的なＦＯＧ３００により測定された最も低いＡＲＷは、６２μｒａｄ／√ｈであり、これは戦略グレードのＦＯＧについての要件よりも約５倍低い。本明細書において記載されるある実現例に従った例示的なＦＯＧ３００は、戦略グレードのＦＯＧについてのこのＡＲＷ要件を満たす初のレーザ駆動ＦＯＧである。

Δφがダークフリンジからさらに遠くに移動し続けるにつれて、光検出器によって検出されるＤＣ光学パワーは増加する。大量のＤＣパワーの場合、光検出器は飽和し、光検出器応答はもはや線形ではない。光検出器が飽和すると、入射光学パワーにおける小さな変動に対して感度が低くなり（おそらく感度が非常に低くなり）、出力におけるノイズが減少する（たとえば、全体のＡＲＷに対する光検出器ノイズの理論的な寄与を示す破線曲線の下方に存在する、図７の最も左側および右側のデータポイントを参照）。

本明細書において記載されるある実現例では、光学的にゲート制御される拡大されたレーザ駆動ＦＯＧのＡＲＷに対する制限は主に、光検出器ノイズおよびショットノイズである。光検出器ノイズは、トランスインピーダンス増幅器においてより大きな抵抗器（たとえば、大きなゲイン）を使用することによって低減され得、ＡＲＷに対するショットノイズの寄与は、レーザ駆動電流、したがって受信されるパワーを増加することによって低減され得る。光検出器ノイズとショットノイズとの合成が低減されると、後方散乱ノイズが支配的なノイズ源となる。次いで、より長い光ファイバを有する光ファイバコイル２０（たとえばJ. of Lightwave Technol. (2019)において掲載がアクセプトされたT.A. Morris, M.J.F. Digonnet. “Broadened-laser-driven polarization-maintaining hollow-core fiber optic gyroscope.”参照）、より低い後方散乱係数を有する光ファイバを有する光ファイバコイル２０、および／または、より広い線幅（であるが、過剰ノイズが支配的になるほど広くない線幅）を有する光源４０を使用することによって、後方散乱ノイズが低減され得る。

図１０は、本明細書において記載されるある実現例に従った例示的な方法４００のフロー図である。動作ブロック４１０において、方法４００は、複数の入力光学信号４２の各入力光学信号４２を第１の光学信号４４ａと第２の光学信号４４ｂとに分割することを含む。動作ブロック４２０において、方法４００は、第１の光学信号４４ａおよび第２の光学信号４４ｂの一方または両方を位相変調することをさらに含む。動作ブロック４３０において、方法４００は、第１の光学信号４４ａが光ファイバコイル２０を通って第１の方向に沿って伝播し、第２の光学信号４４ｂが光ファイバコイル２０を通って第２の方向に沿って伝播するように、第１の光学信号４４ａおよび第２の光学信号４４ｂを光ファイバコイル２０を通して伝播することをさらに含み、第２の方向は第１の方向とは反対である。動作ブロック４４０において、方法４００は、光ファイバコイル２０を通って伝播した後の第１および第２の光学信号４４ａ，４４ｂを合成することをさらに含む。動作ブロック４５０において、方法４００は、合成された第１および第２の光学信号４４ａ，４４ｂを検出することをさらに含む。動作ブロック４６０において、方法４００は、第１および第２の光学信号４４ａ，４４ｂを合成する前の第１および第２の光学信号４４ａ，４４ｂならびに／または入力光学信号４２を、上記位相変調と同期して、時間変調することをさらに含む。

たとえば、第１および第２の光学信号４４ａ，４４ｂが光ファイバコイル２０を通って伝播する前に、第１および第２の光学信号４４ａ，４４ｂが光ファイバコイル２０の少なくとも部分を通って伝播している間に、および／または、第１および第２の光学信号４４ａ，４４ｂが光ファイバコイル２０を通って伝播した後に、第１および第２の光学信号４４ａ，４４ｂを時間変調することが行われ得る。別の例の場合、入力光学信号を時間変調することは、入力光学信号４２を生成するように構成される少なくとも１つの光源４０に供給される駆動電流３１２を時間変調することによって行われ得る。ある実現例では、方法４００は、光ファイバコイル２０を通って第１および第２の光学信号４４ａ，４４ｂを伝播する前に、入力光学信号４２を偏光することをさらに含む。

一般に使用される用語は、理解の容易さのために、ある実現例のシステムおよび方法を説明するために使用されるが、これらの用語は、本明細書において、それらの最も広い妥当な解釈を有するように使用される。本開示のさまざまな局面が、例示的な例および実現例に関して記載されるが、開示される例および実現例は、限定的であると解釈されるべきではない。たとえば「し得る」、「可能である」、「可能性がある」、または「であってもよい」などの条件の言葉は、特に別の態様を示していなければ、または、使用される文脈内で別の態様で理解されなければ、一般に、ある実現例が、ある特徴、要素、および／またはステップを含むが、他の実現例は、当該特徴、要素、および／またはステップを含まないことを伝えることが意図される。したがって、そのような条件の言葉は、一般に、特徴、要素および／またはステップが、１つ以上の実現例について必要とされる任意の態様にあること、または、１つ以上の実現例が必ず、ユーザ入力またはプロンプトを伴ってまたは伴わずに、これらの特徴、要素および／またはステップが、任意の特定の実現例において含まれるか、または、実行されるか否かを決定するためのロジックを含むことを暗示することを意図されない。特に、「含む（comprisesおよびcomprising）」という用語は、非排他的な態様で要素、構成要素、またはステップを指すものとして解釈されるべきであり、参照される要素、構成要素、またはステップは、存在してもよく、利用されてもよく、または、明示的に参照されない他の要素、構成要素、もしくはステップと組み合わされてもよいことを示す。

本明細書において開示される実現例は、相互に排他的ではなく、さまざまな構成において互いに組み合わされてもよいことが理解されるべきである。さらに、開示される方法および装置は、光ファイバジャイロスコープの文脈において大きく説明されているが、本明細書において記載されるさまざまな実現例は、さまざまな他の好適なデバイス、方法および文脈に組み込まれ得る。より一般的には、理解され得るように、本明細書において記載されるある実現例は、さまざまな他の光学デバイスの文脈において使用され得る。

本明細書において使用されるように、「およそ（approximately）」、「約（about）」、「ほぼ（generally）」、および「実質的に（substantially）」という用語のような程度についての言葉は、所望の機能を実行するかまたは所望の結果を達成する、言及された値、量または特性に近い値、量または特性を表す。たとえば、「およそ」、「約」、「ほぼ」および「実質的に」という用語は、言及された量の±１０％内、±５％内、±２％内、±１％内または±０．１％内の量を指し得る。別の例として、「ほぼ平行」および「実質的に平行」という用語は、±１０°、±５°、±２°、±１°、または±０．１°だけちょうど平行から逸脱する値、量、または特性を指し、「ほぼ垂直」および「実質的に垂直」という用語は、±１０°、±５°、±２°、±１°、または±０．１°だけわずかに垂直から逸脱する値、量または特性を指す。本明細書において開示される範囲はさらに、任意およびすべてのオーバーラップ、サブレンジ、および、それらの組み合わせを包含する。「まで（up to）」、「少なくとも（at least）」、「より大きい（greater than）」、「より少ない（less than）」および「間（between）」などの言葉は、記載される数を含む。本明細書で使用されるように、「ある（a、an）」および「前記（said）」の意味は、文脈が別の態様を明確に示さなければ、複数の参照を含む。さらに、本明細書の記載において使用されるように、「において（in）」の意味は、文脈が明確に別の態様を示さなければ、「内（into）」および「上（on）」を含む。

本明細書では、方法およびシステムは、順序の形容詞（たとえば、第１、第２など）によってラベル付けされる要素に関して論じられるが、順序の形容詞は単に、１つの要素を別の要素と区別（たとえば、１つの信号を別の信号と区別または１つの回路を別の回路と区別）するためのラベルとして使用され、順序の形容詞は、これらの要素の順序またはそれらの使用の順序を示すために使用されない。

さまざまな実現例が上で記載されている。本発明は、これらの具体的な実現例を参照して記載されているが、当該記載は、例示的であることを意図しており、限定的であることを意図されない。当業者であれば、特許請求の範囲において規定される本発明の真の精神および範囲から逸脱することがなく、さまざまな修正例および適用例を想起し得る。したがって、たとえば、本明細書に開示される任意の方法またはプロセスにおいて、方法／プロセスを構成する行為または動作は、任意の好適なシーケンスで実行され得、如何なる特定の開示されるシーケンスにも必ずしも限定されない。上で論じたさまざまな実現例および例からの特徴または要素は、本明細書において開示される実現例と互換性のある代替的な構成を作り出すように互いに組み合わされてもよい。実現例のさまざまな局面および利点が、適切な場合、記載されている。必ずしもすべてのそのような局面または利点が、任意の特定の実現例に従って達成され得るわけではないことが理解されるべきである。したがって、たとえば、さまざまな実現例は、本明細書において教示または示唆され得る他の局面または利点を必ずしも達成することなく、本明細書において教示される１つの利点または利点の群を達成または最適化する態様で実行され得ることが認識されるべきである。

Claims (27)

1. 光ファイバジャイロスコープであって、
   光ファイバコイルと、
   前記光ファイバコイルと光通信するとともに、少なくとも１つの光源と光通信するように構成される少なくとも１つの光学回路とを含み、前記少なくとも１つの光学回路は、前記少なくとも１つの光源によって生成される入力光学信号を受信することと、各入力光学信号を第１の光学信号と第２の光学信号とに分割することと、前記第１の光学信号および前記第２の光学信号の一方または両方を位相変調することと、前記第１の光学信号と前記第２の光学信号とが前記光ファイバコイルを通って逆向伝播するように前記第１の光学信号および前記第２の光学信号を前記光ファイバコイルに伝送することと、前記光ファイバコイルを通って逆向伝播した後の前記第１および第２の光学信号を受信することと、前記光ファイバコイルを通って逆向伝播した後の前記第１および第２の光学信号を合成することと、合成された前記第１および第２の光学信号を少なくとも１つの光検出器に伝送することとを行うように構成され、
   前記光ファイバジャイロスコープはさらに、
   前記入力光学信号ならびに／または合成される前の前記第１および第２の光学信号を制御可能に時間変調するように構成される少なくとも１つの光学ゲートを含み、前記時間変調は、合成された前記第１および第２の光学信号において周期的な光学出力スパイクが作り出されないように前記位相変調と同期される、光ファイバジャイロスコープ。
2. 前記少なくとも１つの光学ゲートは、入力ポートおよび出力ポートを含む光学強度変調器を含む、請求項１に記載の光ファイバジャイロスコープ。
3. 前記光学強度変調器は、前記少なくとも１つの光源と前記光学回路との間の光学路内に存在する、請求項２に記載の光ファイバジャイロスコープ。
4. 前記少なくとも１つの光学回路は、光学カプラをさらに含み、前記光学カプラは、前記少なくとも１つの光源から前記入力光学信号を受信することと、前記入力光学信号の少なくとも部分を前記少なくとも１つの光学回路の他の構成要素に伝送することと、前記少なくとも１つの光学回路の前記他の構成要素から、合成された前記第１および第２の光学信号を受信することと、合成された前記第１および第２の光学信号を前記少なくとも１つの光検出器に伝送することとを行うように構成される、請求項３に記載の光ファイバジャイロスコープ。
5. 前記光学強度変調器は、前記少なくとも１つの光源と前記少なくとも１つの光学カプラとの間の光学路内に存在する、請求項４に記載の光ファイバジャイロスコープ。
6. 前記少なくとも１つの光学カプラは、サーキュレータを含む、請求項４に記載の光ファイバジャイロスコープ。
7. 前記少なくとも１つの光学カプラは、２×２方向性カプラを含む、請求項４に記載の光ファイバジャイロスコープ。
8. 前記光学強度変調器は、前記少なくとも１つの光学回路と前記光ファイバコイルとの間の光学路内に存在する、請求項２に記載の光ファイバジャイロスコープ。
9. 前記光学強度変調器は、前記入力ポートにおいて受信される光学信号を前記出力ポートに伝送すること、または、前記入力ポートにおいて受信される光学信号が前記出力ポートに伝送されることを防止することのいずれかを制御可能にかつ選択的に行うように構成される、請求項２に記載の光ファイバジャイロスコープ。
10. 前記少なくとも１つの位相変調器は、方形波バイアス変調電圧によって駆動され、前記光学強度変調器は、前記方形波バイアス変調電圧が変化している間に前記入力ポートから前記出力ポートへの光学信号の伝送をブロックし、かつ、他の時間に前記入力ポートから前記出力ポートへ光学信号を伝送するように、前記方形波バイアス変調電圧に同期される制御電圧によって駆動される、請求項９に記載の光ファイバジャイロスコープ。
11. 前記少なくとも１つの位相変調器は、セロダイン変調電圧によって駆動される、請求項１０に記載の光ファイバジャイロスコープ。
12. 前記少なくとも１つの位相変調器は、セロダイン変調電圧によって駆動される、請求項９に記載の光ファイバジャイロスコープ。
13. 前記少なくとも１つの光学ゲートは、前記少なくとも１つの光源と、変調された駆動電流を前記少なくとも１つの光源に供給するように構成される駆動電流生成器とを含む、請求項１に記載の光ファイバジャイロスコープ。
14. 前記少なくとも１つの位相変調器は、方形波バイアス変調電圧によって駆動され、変調された前記駆動電流は、前記方形波バイアス変調電圧が変化している間、前記少なくとも１つの光源に供給される駆動電流が所定のレベルを下回るように、前記方形波バイアス変調電圧と同期され、前記少なくとも１つの光源に供給される前記駆動電流は、他の時間において、前記所定のレベルであるか、または、前記所定のレベルを上回る、請求項１３に記載の光ファイバジャイロスコープ。
15. 前記少なくとも１つの光学ゲートは、光学スイッチを含む、請求項１に記載の光ファイバジャイロスコープ。
16. 光ファイバジャイロスコープであって、
    光ファイバコイルと、
    前記光ファイバコイルと光通信するとともに、少なくとも１つの光源と光通信するように構成される少なくとも１つの光学回路とを含み、前記少なくとも１つの光学回路は、前記少なくとも１つの光源によって生成される入力光学信号を受信することと、各入力光学信号を第１の部分と第２の部分とに分割することと、各第２の部分を第１の光学信号と第２の光学信号とに分割することと、前記第１の光学信号および前記第２の光学信号の一方または両方を位相変調することと、前記第１の光学信号と第２の光学信号とが前記光ファイバコイルを通って逆向伝播するように前記第１の光学信号および前記第２の光学信号を前記光ファイバコイルに伝送することと、前記光ファイバコイルを通って逆向伝播した後の前記第１および第２の光学信号を受信することと、前記光ファイバコイルを通って逆向伝播した後の前記第１および第２の光学信号を合成することとを行うように構成され、
    前記光ファイバジャイロスコープはさらに、
    少なくとも１つの光学スイッチを含み、前記少なくとも１つの光学スイッチは、前記入力光学信号の前記第１の部分を受信することと、合成された前記第１および第２の光学信号を前記少なくとも１つの光学回路から受信することと、少なくとも１つの波形生成器からの制御信号に応答して、第１の状態と第２の状態との間で制御可能に切り替わることとを行うように構成され、前記第１の状態における前記少なくとも１つの光学スイッチは、前記入力光学信号の前記第１の部分のみを少なくとも１つの光検出器に伝送するように構成され、前記第２の状態における前記少なくとも１つの光学スイッチは、合成された前記第１および第２の光学信号のみを前記少なくとも１つの光検出器に伝送するように構成される、光ファイバジャイロスコープ。
17. 前記少なくとも１つの光学スイッチは、前記入力光学信号の前記第１の部分を受信するように構成される第１の入力ポートと、合成された前記第１および第２の光学信号を受信するように構成される第２の入力ポートと、前記少なくとも１つの光検出器に光学信号を伝送するように構成される出力ポートとを含む、請求項１６に記載の光ファイバジャイロスコープ。
18. 前記少なくとも１つの光学回路は、前記入力光学信号の前記第１の部分を前記少なくとも１つの光学スイッチに伝送するように構成される光ファイバ遅延線を含む、請求項１６に記載の光ファイバジャイロスコープ。
19. 前記光ファイバコイルは、コイル長を有し、前記光ファイバ遅延線は、前記光ファイバコイルの前記コイル長の奇数倍の１／２に実質的に等しい長さを有する、請求項１８に記載の光ファイバジャイロスコープ。
20. 前記少なくとも１つの光学回路は、
    各入力光学信号を前記第１の部分と前記第２の部分とに分割することと、前記第１の部分を前記光ファイバ遅延線に伝送することとを行うように構成される第１の光学カプラと、
    前記光ファイバコイルと光通信する多目的集積光学チップ（ＭＩＯＣ）と、
    前記第１の光学カプラおよび前記ＭＩＯＣと光通信する第２の光学カプラとを含み、前記第２の光学カプラは、前記第１の光学カプラから前記第２の部分を受信することと、前記第２の部分を前記ＭＩＯＣに伝送することと、合成された前記第１および第２の光学信号を前記ＭＩＯＣから受信することと、合成された前記第１および第２の光学信号を前記少なくとも１つの光学スイッチに伝送するように構成される、請求項１８に記載の光ファイバジャイロスコープ。
21. 前記ＭＩＯＣは、Ｙジャンクションと、前記Ｙジャンクションと光通信する１つ以上の位相変調器とを含む、請求項２０に記載の光ファイバジャイロスコープ。
22. 前記ＭＩＯＣは、前記入力光学信号を偏光するように構成される少なくとも１つの統合されたポラライザをさらに含み、前記少なくとも１つの光学回路は、偏光保持光ファイバをさらに含む、請求項２１に記載の光ファイバジャイロスコープ。
23. 方法であって、
    複数の入力光学信号の各入力光学信号を第１の光学信号と第２の光学信号とに分割することと、
    前記第１の光学信号および前記第２の光学信号の一方または両方を位相変調することと、
    前記第１の光学信号が光ファイバコイルを通って第１の方向に沿って伝播し、かつ、前記第２の光学信号が前記光ファイバコイルを通って第２の方向に沿って伝播するように、前記光ファイバコイルを通して前記第１の光学信号および前記第２の光学信号を伝播することとを含み、前記第２の方向は、前記第１の方向と反対の方向であり、
    前記方法はさらに、
    前記光ファイバコイルを通って伝播した後の前記第１および第２の光学信号を合成することと、
    合成された前記第１および第２の光学信号を検出することと、
    前記位相変調と同期して、前記第１および第２の光学信号を合成する前の前記第１および第２の光学信号ならびに／または前記入力光学信号を、合成された前記第１および第２の光学信号において周期的な光学出力スパイクが作り出されないように時間変調することとを含む、方法。
24. 前記第１および第２の光学信号を時間変調することは、前記第１および第２の光学信号が前記光ファイバコイルを通って伝播する前に行われる、請求項２３に記載の方法。
25. 前記第１および第２の光学信号を時間変調することは、前記第１および第２の光学信号が前記光ファイバコイルの少なくとも部分を通って伝播している間に行われる、請求項２３に記載の方法。
26. 前記第１および第２の光学信号を時間変調することは、前記第１および第２の光学信号が前記光ファイバコイルを通って伝播した後に行われる、請求項２３に記載の方法。
27. 前記入力光学信号を時間変調することは、前記入力光学信号を生成するように構成される少なくとも１つの光源に供給される駆動電流を時間変調することによって行われる、請求項２３に記載の方法。

Images