JP5681455B2 - 共振器光ファイバジャイロスコープにおけるレーザ位相雑音を低減するシステム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、共振器光ファイバジャイロスコープにおけるレーザ位相雑音を低減するシステム及び方法に関する。
関連出願の相互参照
本出願は、参照により本明細書に組み込まれる次の同時係属の米国特許出願に関連する：
同日付けにて出願され、本明細書において’５３７出願と呼ばれる、「ＬＩＧＨＴ−ＰＨＡＳＥ−ＮＯＩＳＥ ＥＲＲＯＲ ＲＥＤＵＣＥＲ」なるタイトルの米国仮特許出願第６１／２８５，９９０号（代理人整理番号Ｈ００２５５３７−５７０４）。

ジャイロスコープ（本明細書においてはジャイロとも呼ばれる）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、ビーム生成装置、及び、ある領域を取り囲む、当該ビーム生成装置に結合された光ファイバのコイルを含む。ビーム生成装置は、光ファイバのコアに沿って、時計回りの（ＣＷ）方向及び反時計回りの（ＣＣＷ）方向に伝播する光ビームを、コイルの中へ送信する。多くのＦＯＧは、ファイバの固体の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まわりを伝播する間に異なる経路長を経験し、当該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。

共振器光ファイバジャイロ（ＲＦＯＧ）において、反対に伝播する光ビームは、通常、単色（例えば、単一の周波数）であり、コイルを通過した光を再びコイルへ戻すように向け直す（すなわち、光を循環させる）ファイバカプラなどの装置を使用して、光ファイバコイルの複数のターンを通じて、及び、コイルを通じた複数のパスについて、循環する。ビーム生成装置は、共振コイル（resonant coil）の共振周波数が観察されるように、反対に伝播する光ビームの各々の周波数を変調し及び／又はシフトする。コイルを異なる回数横断したすべての光波がコイル中の任意の点において強め合って干渉するよう、コイルを通じたＣＷパス及びＣＣＷパスの各々についての共振周波数は、強め合う干渉条件に基づく。この強め合う干渉の結果、波長λを有する光波は、往復の共振器経路長が波長の整数倍と等しい場合、「共振している」といわれる。コイルの軸の周りの回転は、時計回りの伝播と反時計回りの伝播とについて異なる経路長を生成し、したがって、回転による閉じた光路の共振周波数のシフトと一致するようにＣＷビーム及びＣＣＷビームを調整することによって測定され得るように、共振器のそれぞれの共振周波数間のシフトと周波数差とを生成し、回転速度を示す。

１つの実施例において、共振器ジャイロスコープが提供される。共振器ジャイロスコープは、参照光を生成する参照レーザ発生器と、参照光にロックされた第１のスレーブ光を生成する第１のスレーブ光源と、参照光にロックされた第２のスレーブ光を生成する第２のスレーブ光源と、第１及び第２の光源に結合され、第１と第２の反対の伝播方向を有する共振器と、第１の反対伝播方向についての第１の共振周波数に基づいて第１のビート周波数を生成し、第２の反対伝播方向についての第２の共振周波数に基づいて第２のビート周波数を生成し、及び第２の反対伝播方向についての第３の共振周波数に基づいて第３のビート周波数を生成する、サニャック共振器に結合された共振追跡電子装置（resonance tracking electronics）とを備え、共振器ジャイロスコープの回転速度は、第１、第２及び第３のビート周波数の関数である。

図面が例示的な実施例のみを描き、したがって範囲を限定するものであると考えるべきでないと理解して、例示的な実施例は、添付の図面の使用により、追加の特異性及び詳細をもって記述される。

共振器ジャイロスコープの１つの実施例のブロック図である。 共振器ジャイロスコープの別の実施例のブロック図である。 例示的な時計回りの強度波形及び例示的な反時計回りの強度波形のグラフである。 多重周波数レーザ光源アセンブリの１つの実施例のブロック図である。 参照共振器の例示的な共振曲線のグラフである。 共振追跡電子装置の１つの実施例のブロック図である。 参照レーザ発生器の１つの実施例のブロック図である。 ＭＦＬＳ光学サブアセンブリの別の実施例のブロック図である。 共振器ジャイロスコープの回転速度を決定する方法の１つの実施例を示すフローチャートである。

一般的慣習に従って、様々な記載された特徴は縮尺どおりには描かれず、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。

以下の詳細な説明では、これに関する一部を形成する添付の図面に対して言及がなされ、その中で、特定の実例となる実施例として示される。しかし、他の実施例が利用されてもよく、論理的、機械的及び電気的な変化がなされてもよいことが理解されるべきである。更に、図面及び明細書の中で示された方法は、個々のステップが行われ得る順序を制限するものとして解釈されるべきではない。したがって、以下の詳細な説明は、限定的な意味にとられないようにされるべきである。

本明細書に使用される場合、「光源」及び「レーザ」なる用語は交換可能である。同様に、本明細書に使用される場合、「レーザビーム」及び「光」なる用語は交換可能である。

図１は、共振器ジャイロ１０の１つの実施例のブロック図である。共振器ジャイロ１０は、光ビームをそれぞれ合成する調整可能な（tunable）光源１２、１４（例えば、チューナブルレーザ）、及び反対伝播方向に光ビームを循環させる共振器２５を含む。共振器２５は再循環器（リサーキュレータ、recirculator）４０及び共振器コイル２４を含む。再循環器４０は、調整可能な光源１２、１４からの光ビームの一部を共振器コイル２４へ導入する。例えば、再循環器４０は、いくつかの実施例において、複数のミラー及び複数の偏光子で構成される。

共振器ジャイロ１０はまた、共振器２５中を循環する光をサンプリングする光検出器１６、１８、及び、共振器２５の反対伝播方向の各々について共振ディップ（resonance dips）の中心を検出する、それぞれ光検出器１８、１６に結合された共振検出器３４、３８を含む。共振器ジャイロ１０はまた、それぞれ共振検出器３４、３８に結合された入力を有するサーボ３６、３５、及びそれぞれ調整可能な光源１４、２２に結合された出力を含む。共振器ジャイロ１０のこれらのコンポーネントは、したがって、各々の反対伝播方向（例えば、時計回り（ＣＷ）及び反時計回り（ＣＣＷ））について共振追跡ループ（resonance tracking loops）３０、３２を形成する。

第１のチューナブルレーザ（波長可変レーザ）１２（例えば、ＣＣＷレーザ）によって生成された光ビームは周波数ｆ０に合わせられ、第２のチューナブルレーザ１４（例えば、ＣＷレーザ）によって生成された光ビームは周波数ｆ０＋Δｆに合わせられる。２つのレーザ周波数間の相対的な周波数ドリフト及びジッタは、好ましくは、周波数シフト及びしたがって回転速度、測定の精度及び安定性を最小限にするか又はこれに影響しないレベルへと実質的に最小化される。これは、回転測定周波数帯域内に十分なループ利得を有する共振追跡ループ３０及び３２のサーボ３６、３５によって共振周波数に対してレーザ周波数をロックすることにより達成することができる。十分なループ利得は、共振追跡ループ３０、３２にとって必要とされるユニティ利得（unity gain）周波数より実質的に大きな変調周波数を選択することにより得られる。例えば、変調周波数は、いくつかの実施例において、共振追跡ループ３０、３２についてのユニティ利得周波数の少なくとも約４倍である。さらに、これは、以下に述べられるレーザ周波数安定化技術によって達成することができる。チューナブルレーザ１２、１４の各々が、それぞれの周波数で光ビームを正弦的に変調する。また、共振器ジャイロ１０は、チューナブルレーザ１２、１４から共振器２５へ光ビームの伝播を向け、及び光検出器１６及び１８に共振器２５からの光を向けるための追加のミラー２０、２２及びビームスプリッタ２６、２８を含んでもよい。

共振器２５は、再循環器４０、及び再循環器４０に結合された第１端及び第２端を有する光ファイバコイル２４を含む。いくつかの実施例において、光ファイバコイル２４は中空コア光ファイバコイルである。再循環器４０は、光ファイバコイル２４へ変調された光ビーム（例えば、ＣＷ及びＣＣＷ入力光ビーム）を導入し、光ファイバコイル２４を通じて変調された光ビームの一部を循環させる。再循環器４０は、光ファイバコイル２４の１つの端から現れる光をファイバコイル２４のもう１つの端へと再導入し、それにより、光をファイバコイル２４を通じて何度も伝播させる。

チューナブルレーザ１２、１４から変調された光ビームを受信した後に、再循環器４０は、２つの変調された光ビームの一部を反対の伝播方向（例えば、ＣＷ方向及びＣＣＷ方向）に向ける。サニャック効果の応用によって、光ジャイロ１０は、光ジャイロ１０の軸の周りの回転速度を検知する。光検出器１８、１６は、循環する光ビームを表す光信号を電気信号に変換し、共振検出器３４及び３８は、ＣＷ及びＣＣＷの循環する光ビームについて共振線形（resonance lineshape）の共振中心を検出し、検出された共振中心間の周波数シフトに基づいて、共振器２５の反対伝播方向の各々に関連付けられる共振周波数を決定する。周波数シフトは光ジャイロ１０の回転速度を決定するために使用される。例えば、第１の光ビーム（例えば、ＣＷビーム）はシフトされていないレーザ周波数ｆ０を有し、共振器２５へ導入される。回転検知について、ＣＷビームの周波数ｆ０は、（例えば、レーザ１２の周波数を調整することによって）ＣＷ方向での共振器２５の共振周波数に合わせられる。第２の光ビーム（例えば、ＣＣＷビーム）は、ＣＣＷ方向での共振器２５の共振周波数に対して、ＣＣＷビーム周波数を共振中心に合わせるために、周波数ｆ０＋Δｆに調整される。

ＣＷ方向又はＣＣＷ方向のいずれかにおける共振中心周波数を測定するために、標準的な同期検出技術が使用される。各入力光ビームは正弦的に位相変調され、したがって、それぞれ周波数ｆｍ及びｆｎで周波数変調されて、光検出器１８、１６によって測定されるような共振線形にわたって各入力ビーム周波数をディザリングする。例えば、光検出器１８、１６に結合された付加的な回路は、ＣＷ及びＣＣＷのビームの光出力によって示される共振中心を測定するために、それぞれ周波数ｆｍ及びｆｎで光検出器１８、１６の出力を復調してもよい。共振線形の線の中心（line center）、又は共振中心において、光センサ１６は、それぞれ基本周波数ｆｍ及びｆｎでゼロの（無効の）出力（null output）を検出する。入力ビーム周波数（例えば、ｆ０＋Δｆ又はｆ０）がオフレゾナンス（オフ共振、off-resonance）である場合、それぞれ周波数ｆｍ及びｆｎの誤差信号が光検出器によって検知され、共振器２５のそれぞれの共振周波数にそれぞれのビーム周波数を合わせるために使用される。ＣＷビームの周波数はレーザ１２の周波数、ｆ０を変更することにより調整され、ＣＣＷビームの周波数は、ｆ０＋Δｆが共振器２５のＣＣＷ共振周波数と一致するように、第２のレーザ１４の周波数シフト、Δｆを変更するフィードバック・ループを介して調節される。

回転がない状態で、ＣＷ及びＣＣＷ方向の共振器２５の内部のＣＷ及びＣＣＷビームの往復（round-trip）経路長は、それぞれ、実質的に等しい。したがって、Δｆは第２のレーザ１４によって０に合わせられる。回転がある状態で、往復経路長は、回転速度に比例する２つの方向間の共振周波数差を生成するＣＷ及びＣＣＷ方向の間で異なる。ＣＷ共振を追跡するべく周波数ｆ０を、またＣＣＷ共振中心を追跡するべく周波数Δｆを調整することによって、回転速度が決定される。

この例において、ＣＷ及びＣＣＷのビームは、非常に低い曲げ損失をもつ中空コア、バンドギャップ光ファイバを介して伝播し、コイル２４はコンパクトなジャイロを達成するためにかなり小さな領域の周りでの多数のターン（turn）を有する。例えば、コイル２４は、１センチメートルの直径の周りで約２０−４０のターンの光ファイバを有してもよい。中空コア光ファイバは、通常、プラスチックの外側ジャケット及び中空の内部コアをもつガラスベースのものである。中空コア光ファイバにおいて、再循環器４０から注入された光は、大抵はコアに沿って自由空間（例えば、空気又は真空）を通じて横断し、光の光学エネルギーの約数パーセント以下のみが、中空コアを囲むファイバのガラス壁に含まれる。光エネルギーの大部分が光ファイバの中空コアに沿って自由空間を通じて横断するので、再循環器４０と中空コア光ファイバとの間の遷移はほぼ完全な屈折率整合を有し、低損失で魅力的な偏光特性を備えた高反射率レーザミラーが再循環器４０のために使用されてもよい。中空コアファイバは、従来のファイバのコア中のガラス媒体の特性に一般に関連した回転測定誤差を大きく減ずるのに適している。しかし、他の実施例において他の種類の光ファイバを使用することができることが理解されるべきである。

ＣＷ共振追跡ループ３０は共振器２５のＣＷ共振周波数上にＣＷレーザ１２をロックし、ＣＣＷ共振追跡ループ３２は共振器２５のＣＣＷ共振周波数上にＣＣＷレーザ１４をロックする。共振検出器３４、３８の各々の出力は、共振器２５の共振周波数からかけ離れたレーザ周波数偏移を示す誤差信号である。サーボ３６、３５は、誤差信号及びしたがって周波数偏移を実質的にゼロに維持するためにレーザ１２、１４を調整する。

図２は、共振器ジャイロ５０の別の実施例のブロック図である。共振器ジャイロ５０は、多重周波数レーザ光源（ＭＦＬＳ）アセンブリ５２、ＭＦＬＳアセンブリ５２の出力に結合されたサニャック共振器アセンブリ５４、並びに、サニャック共振器アセンブリ５４の出力に結合された入力、ＭＦＬＳアセンブリ５２の入力に結合された第１の出力、及び共振器ジャイロ５０のジャイロデータを提供するための第２の出力を有する共振追跡電子装置（ＲＴＥ）システム５６を含む。ＲＴＥシステム５６を介したサニャック共振器アセンブリ５４からＭＦＬＳアセンブリ５２までのフィードバック・ループを使用して、ＭＦＬＳアセンブリ５２内の複数のレーザが、共振器中のそれぞれの伝播方向に対応する共振周波数にロックされる変調された光ビームを生成するように調整可能である。

ＭＦＬＳアセンブリ５２は参照レーザ発生器２１０を含む。参照レーザ発生器２１０からの安定した参照レーザにロックされた２つのスレーブレーザを使用する１つの例示的な実施例において、第１のスレーブレーザは共振器のＣＷ方向の共振周波数に合わせられるＣＷビームを生成し、第２のスレーブレーザは共振器のＣＣＷ方向の共振周波数に合わせられるＣＣＷビームを生成する。ＣＣＷ方向の共振周波数は、ＣＷ方向の共振周波数とは異なる縦共振（longitudinal resonance）モード（例えば、ＣＷ方向の共振周波数からかけ離れた少なくとも１つの縦共振モードである共振周波数）にある。隣接モード間の周波数間隔はフリースペクトルレンジ（ＦＳＲ）と名付けられる。ＣＣＷ方向の共振周波数とＣＷ方向の共振周波数との間の差はビート周波数を生成する。光の後方散乱誤差を除去するために、少なくとも１つの縦共振モードの周波数に別々に合わせられる２つのレーザが使用される。大きなバイアス及び関連するバイアス不安定性（例えば、測定の一部であるＦＳＲによる）を除去するために、ＣＣＷビームは、ＣＷ方向の共振周波数より低い少なくとも１つの縦共振モードであるＣＣＷ共振周波数と、ＣＷ方向の共振周波数より高い少なくとも１つの縦共振モードであるＣＣＷ共振周波数との間で切り替えられる。ＣＣＷ方向の共振周波数がＣＷ方向の共振周波数より高い１つの縦共振モードである場合に生じるビート周波数から、ＣＣＷ方向の共振周波数がＣＷ方向の共振周波数より低い１つの縦共振モードである場合に生じるビート周波数を差し引くことによって、より詳細に以下に説明されるように、約２倍の周波数差Δｆである出力値が生成される。

参照レーザ発生器２１０からのマスタ参照レーザにロックされた３つのスレーブレーザを使用する別の例示的な実施例において、第１のスレーブレーザは共振器のＣＷ方向の共振周波数に合わせられるＣＷビームを生成する。第２のスレーブレーザは、ＣＷ方向の共振周波数より低い少なくとも１つの縦共振モードである共振器のＣＣＷ方向の共振周波数に合わせられるＣＣＷビームを生成し、第３のスレーブレーザは、ＣＷ方向の共振周波数より高い少なくとも１つの縦共振モードである共振器のＣＣＷ方向の共振周波数に合わせられる別のＣＣＷビームを生成する。ビート周波数を差し引くことによって、より詳細に以下に記述されるように、約２倍の周波数差Δｆである出力値が生成される。共振器ジャイロ５０の２つのスレーブレーザ及び３つのスレーブレーザ構成が記載されるが、追加のレーザが共振器ジャイロ５０に組み込まれてもよい。

ＭＦＬＳアセンブリ５２は、ＭＦＬＳ５８と、変調された光ビームをサニャック共振器アセンブリ５４へ送る、ＭＦＬＳ５８の出力に結合されたＭＦＬＳ光学サブアセンブリ６０を含み、変調された光ビームのＭＦＬＳへの光フィードバックを提供する。ＭＦＬＳ光学サブアセンブリ６０は、ＲＴＥシステム５６からの制御信号及び参照レーザ発生器２１０からのマスタ参照レーザに応じて変調された光ビームを生成するための２つ以上のスレーブレーザを含むが、必ずしもこれらに限定されない。サニャック共振器アセンブリ５４は、ＭＦＬＳ光学サブアセンブリ６０に結合された入力を有する共振器結合光学系６２（例えば、図１に示される再循環器４０及び光検出器１６、１８）及び共振器結合光学系６２の第１の出力に結合された共振器ファイバコイル６４を含む。共振器ファイバコイル６４は、図１に示されるファイバコイル２４などの中空コアファイバコイルとして実施され、反対伝播方向の変調された光ビームの一部を循環させる。共振器結合光学系６２は、第２の出力を介して、ＲＴＥシステム５６に、共振器光出力の電気信号（例えば、ＣＷ及びＣＣＷ循環ビームの強度測定値）を提供する。

ＲＴＥシステム５６は、共振器結合光学系６２の第２の出力に結合された入力を有する共振追跡回路６６を含み、ＭＦＬＳ５８の入力に結合された出力を有する。ＲＴＥシステム５６は、共振器結合光学系６２から受信されてＭＦＬＳ５８に送信される信号を処理するためのアナログ・デジタル（Ａ／Ｄ）変換器及びデジタル・アナログ変換器（ＤＡＣ）などの追加のコンポーネントを含んでもよい。ＲＴＥシステム５６は、ＭＦＬＳ光学サブアセンブリ６０中のスレーブレーザのためのレーザ周波数制御信号を生成し、スレーブレーザの少なくとも１つによって生成された光ビームに一定のオフセットを適用する。例えば、いくつかの実施例において、対応する光ビームについて共振器結合光学系６２の光検出器によって検出されるように、一定のオフセットは、１つの共振中心と別の共振中心との間の縦共振モードに基づく。

図３は、共振器ジャイロ５０を理解するのに役立つ、例示的な時計回りの強度波形６８及び例示的な反時計回りの強度波形７０のグラフである。図２及び３を参照すると、例示的な実施例において、ＣＷビームが共振器コイル６４のＣＷ方向の共振周波数に合わせられる場合、異なる縦共振モードにおいて生じる共振ディップ７２、７４を有するＣＷ強度波形６８が観察される。同様に、ＣＣＷビームが共振器コイル６４のＣＣＷ方向の共振周波数に合わせられる場合、異なる縦共振モードにおいて生じる共振ディップ７６、７８を有するＣＣＷ強度波形７０が観察される。これらの共振ディップ７２、７４、７６、７８の中心は、異なる縦共振モードにおける共振周波数を示す。

１つが参照レーザ（又はマスタレーザ）であり他の３つが共振追跡レーザ（又はスレーブレーザ）である４つのレーザを備えたＲＦＯＧシステムについて、以下に述べられるように、スレーブレーザは、各スレーブレーザについて独立した制御可能な周波数オフセットで参照レーザに位相ロックされる。スレーブレーザが共振器にロックされる一方、スレーブレーザと参照レーザとの間のビート周波数がジャイロ電子装置の正常な動作限界内にあるように、参照レーザの周波数（ｆｒ）が設定される。特に、第１のスレーブレーザは、ＣＷ共振周波数ｆ_ｃｗ又はｆ_１に合わせられ、第２のスレーブレーザは、共振器ジャイロ５０の０の回転速度におけるＣＷ共振周波数ｆ_ｃｗ未満の１つの縦モードである第１のＣＣＷ共振周波数ｆ_{ｃｃｗ，１}又はｆ_２に合わせられ、第３のスレーブレーザは、共振器ジャイロ５０の０の回転速度におけるＣＷ共振周波数ｆ_ｃｗより高い１つの縦モードである第２のＣＣＷ共振周波数ｆ_{ｃｃｗ，２}又はｆ_３に合わせられる。

１例において、基準周波数ｆ_ｒは、スレーブ周波数より高くなるように設定される。この例において、スレーブ１、２及び３のそれぞれのスレーブビート周波数は、Δｆ_１＝ｆ_ｒ−ｆ_１、Δｆ_２＝ｆ_ｒ−ｆ_２、及びΔｆ_３＝ｆ_ｒ−ｆ_３である。図２のＲＴＥ５６は、ダイレクト・デジタル・シンセサイザ（ＤＤＳ）チップを使用して、３つのビート周波数を生成する。ＲＴＥ５６は、それぞれの共振周波数にスレーブレーザを維持するように３つのビート周波数を制御する。ジャイロデータΔｆ_１、Δｆ_２及びΔｆ_３は、計算（Δｆ_１−Δｆ_３）−（Δｆ_２−Δｆ_１）＝２ΔｆΩを行うプロセッサに出力することができ、ΔｆΩは回転速度に比例し、Δｆ_１−Δｆ_３＝Δｆ_ＦＳＲ＋ΔｆΩ、及びΔｆ_２−Δｆ_１＝Δｆ_ＦＳＲ−ΔｆΩである。したがって、回転測定は、ＦＳＲ及び関連するバイアス及びバイアス不安定性なしに得られる。

２つのレーザの例示的な実施例において、ＣＷビームは共振周波数Δｆ_ｃｗにおいて共振ディップにロックされる。ＣＣＷビームは共振周波数Δｆ_{ｃｃｗ，１}において共振ディップにロックされ、これは共振器ジャイロ５０の０の回転速度におけるＣＷ共振からかけ離れた１つの縦モード（例えば、共振器リング内で適合する１つ少ない波サイクルを有する）である。隣接モード間の周波数間隔Δｆ_ＦＳＲはフリースペクトルレンジと名付けられる。ＦＳＲが光経路長に依存し、それは熱膨張による温度に依存し得るので、生じるバイアスは温度変化のために不安定であるかもしれない。

ＦＳＲの影響は、ＣＷ共振より低い１つの縦モード（例えば、Δｆ_{ｃｃｗ，１}）である共振ディップからのＣＣＷビームの周波数を、ＣＷ共振より高い１つの縦モード（例えば、Δｆ_{ｃｃｗ，２}）である共振ディップへ周期的に切り替えることにより、実質的に除去される。ＣＷビームは共振周波数Δｆ_ｃｗにおける共振ディップに維持される。

図４は、図２に示される多重周波数レーザ光源アセンブリ５２の１つの実施例のブロック図である。ＭＦＬＳ光学サブアセンブリ６０は、第１のスレーブレーザ８２、第２のスレーブレーザ８４、第３のスレーブレーザ８０、光カプラ９０、９２、９４、９５、９６、９７、９８、９９、１００、並びにレーザ８０、８２及び８４の各々の出力に結合された、光カプラ９０、９２、９４、９５、９６、９７、９８、９９、１００の間の光ファイバ８６を含む。光ファイバ８６は、この例において偏波保持単一モードファイバとして実施される。第１のスレーブレーザ８２は、共振器コイル６４のＣＷ入力への導入のためにＣＷビームを生成し、スレーブレーザ８０、８４は、共振器コイル６４のＣＣＷ入力への導入のためにＣＣＷビームを生成する。ＣＣＷビームの各々の一部は、共振器コイル６４のＣＣＷ入力への導入に先立ってカプラ１００によって組み合わせられる。

参照レーザ発生器２１０は、マスタレーザ４０２、周波数弁別器４０４、光検出器４０６、差動増幅器４０８、サーボ電子装置４１２及びレーザ電流ドライブ４１３を含む。マスタレーザ４０２はｆ０＋Δｆ０の周波数を有する参照レーザビームを生成し、ここでｆ０は参照レーザビームの中心周波数であり、Δｆ０はレーザビーム中の周波数雑音又はジッタを表す。参照レーザビームは周波数弁別器４０４を通過させられる。ここに記載された例において、周波数弁別器４０４は光共振器として実施される。したがって、周波数弁別器４０４はまたここでは参照（基準、reference）共振器とも呼ばれる。しかし、他の実施例において、他の種類の周波数弁別器を使用することができることが理解されるべきである。

図５に示されるように、参照共振器４０４は曲線の側面（sides）において高い線形性を備えた広い線幅を持つように構成される。図５に示される例示的な共振曲線は、中心周波数ｆｒ及び曲線の側面における線形の部分５０１を有する。線幅は、参照レーザビームの周波数ｆ０及び雑音Δｆ０の両方が曲線の線形の部分５０１上にフィットするのに十分に広い。特に、参照レーザ発生器２１０は、共振器を介して曲線の線形の部分５０１へ参照レーザビームをロックする。線形の部分への参照レーザビームのロックにより、共振追跡復調周波数上の任意のジッタを共振追跡復調周波数における強度雑音にダウンコンバートする際の高調波（ハーモニクス、harmonics）が低減される。換言すれば、ジッタは線形的に強度雑音に変換される。特に、周波数ジッタとして、参照共振器４０４の出力は、光検出器４０６に入力される。

光検出器４０６は、差動増幅器４０８に出力される電気的な電圧へと線形に変換される強度変動を見る。差動増幅器４０８は、光検出器４０６の出力を安定した電圧基準と比較する。差動増幅器４０８はまた、差動増幅器４０８の出力へ十分な利得を導入し、その結果、レーザが何らかの方法でジッタを生じるとき、雑音は、差動増幅器４０８の出力に基づいて制御信号を生成するサーボ電子装置４１２を使用して取り除かれる。制御信号は、次に周波数を調節する参照レーザビームの電流をマスタレーザ４０２に調節させる電流ドライバ４１３へ入力される。ロックされた後、参照レーザの周波数ジッタは、特に低周波数において、より小さくなる。代替的な参照レーザ発生器は図７に関して以下に示され記述される。

図４を参照すると、光カプラ８８は、マスタレーザ４０２からの光の一部をＭＦＬＳ光学サブアセンブリ６０に結合する。マスタレーザ４０２によってスレーブレーザ８０、８２及び８４を位相ロックするためのフィードバックを提供するために、光カプラ９０、９２、９４、９５、９６、９７、９８及び９９は、マスタレーザ４０２からの光をスレーブレーザ８０、８２及び８４からの光と結合する。例えば、マスタレーザ４０２によって生成された参照レーザビームの一部は、光カプラ９２、９５、９７及び９９を介して第１のスレーブレーザ８０によって生成されたＣＷビームの一部と混合される。第２のスレーブレーザ８４によって生成されたＣＣＷビームの一部は、光カプラ９２、９５、９６及び９８を介して、マスタレーザ４０２によって生成された参照レーザビームの一部と混合される。同様に、第３のスレーブレーザ８０によって生成されたＣＣＷビームの一部は、光カプラ９２、９４及び９０を介して、マスタレーザ４０２によって生成された参照レーザビームの一部と混合される。

この混合された光はＭＦＬＳ５８に提供される。ＭＦＬＳ５８は、レーザ８２、８４及び８０の各々について、位相ロックループ駆動回路１０２、１０４及び１０６をそれぞれ含む。各ＰＬＬは、それぞれのスレーブレーザからの光をマスタレーザ４０２からの光と混合し（ビートさせ、beats）、それぞれのスレーブレーザをマスタレーザ４０２に従わせる。各スレーブレーザからの光はまた、低周波の雑音又はジッタを有する。しかし、参照レーザビームとの混合の後、各スレーブレーザは、低周波のジッタを実質的に除去するマスタレーザ４０２にロックされる。ＰＬＬ１０２、１０４、１０６からの制御信号出力は、ＭＦＬＳ光学サブアセンブリ６０から受信された混合された光及びＲＴＥシステム５６からの対応する信号に基づいて、スレーブレーザの周波数を制御する。

上述のように、各レーザビームはサニャック共振器アセンブリの入力に供給される。例えば、スレーブレーザ８２からのレーザビームはサニャック共振器アセンブリ５４のＣＷ入力に供給される。スレーブレーザ８０及び８４からのレーザビームは、光カプラ１００においてともに結合される。スレーブレーザ８０及び８４からの結合されたレーザビームは、サニャック共振器アセンブリ５４のＣＣＷ入力へと共線的に入っていく。

図６は、図２に示されるＲＴＥシステム５６などの例示的なＲＴＥシステムの概略図である。共振追跡回路６６に加えて、ＲＴＥシステム５６は、オプションとして、いくつかの実施例において、共振追跡ループ６２５の入力に結合された第１のアナログ・デジタル（Ａ／Ｄ）変換器１３４、共振追跡ループ６２７及び６２９の入力に結合された第２のＡ／Ｄ変換器１３６、共振追跡ループ６２５の出力に結合されたデジタル・アナログ変換器（ＤＡＣ）１４６、並びに、共振追跡ループ６２７及び６２９の対応する出力に結合されたＤＡＣ１４７、１４９を含む。Ａ／Ｄ変換器１３６は、共振器結合光学系６２から受信されたＣＣＷ光検出器信号をデジタル化する。同様に、Ａ／Ｄ変換器１３６は、共振器結合光学系６２から受信されたＣＷ光検出器信号をデジタル化する。この実施例において、ＤＡＣ１４６、１４７、１４９は、共振追跡ループ６２５、６２７、６２９の出力をアナログ信号へ変換する。

この例示的な実施例において、共振追跡回路６６はフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）として実施される。しかし、他の実施例において、当業者にとって既知の他のプログラマブル論理デバイスが使用される。共振追跡回路６６は、復調器６３１、６３３、６３５及び共振追跡ループ６２５、６２７、６２９を含む。復調器６３１は、スレーブレーザ８２によって生成されたレーザビームの変調周波数に対応する所定の復調周波数ｆ_ｎでＣＷ方向の信号を復調する。復調器６３３は、スレーブレーザ８４によって生成されたレーザビームの変調周波数に対応する所定の復調周波数ｆ_ｍでＣＣＷ方向の信号を復調する。復調器６３５は、スレーブレーザ８０によって生成されたレーザビームの変調周波数に対応する所定の復調周波数ｆ_ｆでＣＣＷ方向の信号を復調する。

共振追跡ループ６２５はＣＷレーザビームをＣＷ共振周波数ｆ_１にロックし、ビート周波数Δｆ_１を示す信号を提供する。同様に、共振追跡ループ６２７及び６２９は、ＣＣＷレーザビームを対応するＣＣＷ共振周波数ｆ_２又はｆ_３にロックし、ビート周波数Δｆ_２及びΔｆ_３を示す信号を提供する。共振追跡ループ６２５、６２７及び６２９の出力は、それぞれ、スレーブレーザ８２、８４及び８０の周波数を制御するためにＭＦＬＳ５８に提供される。また、ビート周波数Δｆ_１、Δｆ_２、及びΔｆ_３は、上述のようにビート周波数に基づいてジャイロの回転速度を計算するために、インタフェース・ロジック１７０を介してプロセッサに出力することができる。

上述のように、図７は、参照レーザ発生器７００の別の実施例のブロック図である。参照レーザ発生器７００は、参照レーザ発生器２１０中の対応するコンポーネントとして機能する、参照共振器７０４、光検出器７０６、差動増幅器７０８、サーボ電子装置７１２、電流ドライブ７１３及びマスタレーザ７０２を含む。しかし、参照レーザ発生器７００はまた、強度変動を制御する相対強度雑音（ＲＩＮ）サーボ７１６を含む。ＲＩＮは、レーザビームの強度における雑音又は変動である。マスタレーザ７０２によって最初に出力されたレーザビームはＲＩＮを有するかもしれない。周波数変動が参照共振器７０４を介して線形に強度変動に変換されるので、強度変動は周波数変動と間違われることがあり得る。

ＲＩＮサーボ７１６は、光カプラ７１８、光検出器７２０、ＲＩＮサーボ電子装置７２２及び強度変調器７２４を含む。光カプラ７１８は、光信号の強度を電気信号に変換する光検出器７２０にレーザビームの一部を結合する。電気信号は、強度変調器７２４を制御するためのコマンド信号を生成するＲＩＮサーボ電子装置７２２に提供される。この例において、強度変調器７２４は可変光減衰器として実施される。レーザビームに存在する強度変動を相殺するために、強度変調器７２４は等しく且つ反対の強度変動をレーザビームへ導入する。したがって、レーザビームが参照共振器７０４に入る場合、ＲＩＮは、レーザビームから実質的に取り除かれ、参照レーザ発生器７００によって生成された参照レーザの安定性をさらに改善する。

さらに、ＭＦＬＳ光学サブアセンブリ８００の代替的な実施例が図８に示され、述べられている。ＭＦＬＳ光学サブアセンブリ８００において、参照レーザ発生器は含まれていない。参照レーザ発生器の代わりに、各レーザ８０１、８０３及び８０５は、参照レーザを介してではなく参照共振器の共振曲線の線形部分に直接ロックされる。特に、ＲＩＮサーボ８１６、参照共振器８０４、光検出器８０６、差動増幅器８０８及びサーボ電子装置８１２を含む光安定化ループは、各レーザ８０１、８０３及び８０５の出力の光路に含まれる。素子の各々は図４及び７に関して上述されるように機能する。 光カプラ８８はサニャック共振器アセンブリの入力に安定化されフィルタリングされたレーザビームの一部を結合するために使用される。

図９は、共振器ジャイロスコープの回転速度を決定する方法９００の１つの実施例を描くフローチャートである。ブロック９０２において、複数のレーザビームが生成される。例えば、いくつかの実施例において、２つのレーザビームがサニャック共振器への入力のために生成される一方、他の実施例においては、３つのレーザビームが上述されるようなサニャック共振器への入力のために生成される。さらに、いくつかの実施例において、複数のレーザビームの生成は参照レーザ発生器中のマスタレーザからの参照レーザビームを生成することを含む。

ブロック９０４において、複数のレーザビームの各々から低周波の変動を除去するために、複数のレーザビームの各々は、参照共振器の共振曲線の線形部分の周波数にロックされる。例えば、いくつかの実施例において、複数のレーザビームの各々は、図８に関して上述されるような共振曲線の線形部分の周波数に直接ロックされる。他の実施例において、参照レーザは、共振曲線の線形部分の周波数に直接ロックされ、他のレーザビームは、図４に関して上述されるような参照レーザにロックされる。

ブロック９０６において、第１の反対伝播方向の共振周波数に合わせられた複数のレーザビームのうちの１つは、第１の反対伝播方向（例えば、ＣＷ方向）でサニャック共振器に提供される。ブロック９０８において、上述されるように、複数のレーザビームの少なくとも１つは、第２の反対伝播方向（例えば、ＣＣＷ方向）でサニャック共振器に提供される。例えば、いくつかの実施例において、２つのレーザビームが第２の反対伝播方向でサニャック共振器に提供される。上述されるように、２つのレーザビームのうちの１つは、第１の反対伝播方向の共振周波数より低い少なくとも１つの共振モードにある共振周波数に合わせられ、もう一方のレーザビームは、第１の反対伝播方向の共振周波数より高い少なくとも１つの共振モードにある共振周波数に合わせられる。他の実施例において、単一のレーザビームが第２の反対伝播方向でサニャック共振器に提供される。単一のレーザビームは、第１の反対伝播方向の共振周波数より低い少なくとも１つの共振モードである共振周波数と、第１の反対伝播方向の共振周波数より高い少なくとも１つの共振モードである共振周波数との間で切り替えられる。

ブロック９１０において、上述のように共振追跡電子装置を介するなどして、第１の反対伝播方向の第１の共振周波数に基づく第１のビート周波数が決定される。上述のように、ブロック９１２において、第２の反対伝播方向の第２の共振周波数に基づく第２のビート周波数が決定され、ブロック９１４において、第２の反対伝播方向の第３の共振周波数に基づく第３のビート周波数が決定される。共振器ジャイロスコープの回転速度は、上述のように、第１、第２及び第３のビート周波数の関数である。

したがって、上述された実施例は、低い位相雑音の安定化されたレーザビームを提供することにより、共振器ジャイロの改善された性能を可能にする。例えば、共振器光ファイバジャイロ（ＲＦＯＧ）はサニャック検知素子として共振器を使用するので、狭帯域レーザ光源は、通常、低い位相雑音とともに必要とされ、これらの要件は、光後方散乱の影響を低減するために標準的な方法と組み合わされる場合により厳しくなる。通常、非常に精巧で高価なレーザのみがこれらの要件を満たす。しかし、上述された技術を使用することにより、それほど高価でない狭帯域単一モード半導体（ＳＣ）レーザを使用することができる。さらに、高性能なレーザはまた、位相雑音の低減から恩恵を受け、それによって、回転測定での感度及び安定性が増加する。

特定の実施例が本明細書において説明され記載されたが、同じ目的を達成すると意図される任意の構成を、示された特定の実施例の代わりに用いてもよいことが当業者により認識される。例えば、上述の例示的な実施例は３つのスレーブレーザを含むが、他の実施例において他の適切な数のスレーブレーザを使用することができることが理解されるべきである。特に、１つの例示的な実施例において、２つのスレーブレーザが使用される。そのような実施例において、１つのスレーブレーザはＣＷ入力にレーザビームを提供し、もう一方のスレーブレーザはサニャック共振器アセンブリのＣＣＷ入力にレーザビームを提供する。３つのレーザと比べて２つのレーザを提供するために、ＲＴＥ追跡回路及びＭＦＬＳに対しても適切な変更がなされる。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. 参照光を生成するマスタ光源（４０２）、
   前記参照光の周波数変動を強度変動へ線形に変換する周波数弁別器（４０４）、
   前記周波数弁別器の光出力の強度の変動を電気的な電圧へ変換する光検出器（４０６）、
   前記光検出器の出力電圧を安定した基準電圧と比較する差動増幅器（４０８）、及び
   周波数変動が強度変動へと線形に変換されるように、前記マスタ光源を共振曲線の線形部分の周波数にロックするために、前記マスタ光源に制御信号を提供するサーボ電子装置（４１２）であって、前記制御信号はまた、前記参照光における低周波の変動が除去されるように前記マスタ光源を駆動する、サーボ電子装置
   を含む参照レーザ発生器（２１０）と、
   第１の周波数を有する第１のスレーブ光を生成する、第１の変調周波数を有する第１のスレーブ光源（８２）と、
   前記第１のスレーブ光を前記参照光とビートさせ、前記第１のスレーブ光が前記参照光にロックされるように前記第１のスレーブ光源を駆動する、第１の位相ロックループ（ＰＬＬ）（１０２）と、
   第２の周波数を有する第２のスレーブ光を生成する、第２の変調周波数を有する第２のスレーブ光源（８４）と、
   前記第２のスレーブ光を前記参照光とビートさせ、前記第２のスレーブ光が前記参照光にロックされるように前記第２のスレーブ光源を駆動する、第２の位相ロックループ（ＰＬＬ）（１０４）と、
   前記第１及び第２の光源に結合され、第１及び第２の反対伝播方向を有し且つ光ファイバコイル（２４）を含む共振器（５４）であって、前記共振器は、前記第１の反対伝播方向で前記光ファイバコイルを介して前記第１のスレーブ光の一部に基づく第１の循環する光を循環させ、第２の反対伝播方向で前記光ファイバコイルを介して前記第２のスレーブ光の一部に基づく第２の循環する光を循環させる、 共振器と、
   前記第１の反対伝播方向について第１の共振周波数に基づいて第１のビート周波数を生成し、前記第２の反対伝播方向について第２の共振周波数に基づいて第２のビート周波数を生成し、及び前記第２の反対伝播方向について第３の共振周波数に基づいて第３のビート周波数を生成する、前記共振器に結合された共振追跡電子装置（５６）と
   を備え、
   前記第２の共振周波数は前記第１の共振周波数よりも低い少なくとも１つの共振モードにあり、前記第３の共振周波数は前記第１の共振周波数よりも高い少なくとも１つの共振モードにあり、前記共振器ジャイロスコープの回転速度は、前記第１、第２及び第３のビート周波数の関数である
   共振器ジャイロスコープ（５０）。
2. 前記参照レーザ発生器は、
   前記参照光の強度変動をフィルタリングするために前記マスタ光源の出力に結合された相対強度雑音（ＲＩＮ）サーボ
   をさらに備え、前記ＲＩＮサーボは、
   光強度を電気信号に変換する光検出器と、
   前記参照光の強度を調節するために制御信号を生成する、前記光検出器に結合されたＲＩＮサーボ電子装置と、
   前記制御信号に基づいて前記参照光の強度変動を相殺する、前記ＲＩＮサーボ電子装置に結合された強度変調器と
   を含む請求項１に記載の共振器ジャイロスコープ。
3. 前記周波数弁別器は共振曲線において線形部分を有する光共振器を含み、前記サーボ電子装置は、周波数変動が強度変動へ線形に変換されるように、前記共振曲線の前記線形部分の周波数に前記マスタ光源をロックする請求項１に記載の共振器ジャイロスコープ。

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