小型共振器光ファイバージャイロスコープ
【課題】２つの入力／出力結合素子を用いる、回転速度を検出するための、実質的に対称のＲＦＯＧ構成を提供する。
【解決手段】光学結合素子４０、５０は、入力光波および出力光波の両方を制御する。入力／出力結合素子の数を減らし、一方で、ＣＷおよびＣＣＷビームに関して実質的に対称性を備える構成を維持することで、損失を低減し、共振器１０内の光通路の非対称性によるバイアス誤差の発生を防止し、信号対ノイズの性能を増強する。さらに、複数の機能が小型のマイクロ光学装置に統合されたシステムを開示し、これは、組み立ておよびパッケージをより容易にし、コストが低く製造性が改善された小型のＲＦＯＧに寄与する。
【解決手段】光学結合素子４０、５０は、入力光波および出力光波の両方を制御する。入力／出力結合素子の数を減らし、一方で、ＣＷおよびＣＣＷビームに関して実質的に対称性を備える構成を維持することで、損失を低減し、共振器１０内の光通路の非対称性によるバイアス誤差の発生を防止し、信号対ノイズの性能を増強する。さらに、複数の機能が小型のマイクロ光学装置に統合されたシステムを開示し、これは、組み立ておよびパッケージをより容易にし、コストが低く製造性が改善された小型のＲＦＯＧに寄与する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、小型共振器光ファイバージャイロスコープに関する。
【背景技術】
【０００２】
共振器光ファイバージャイロスコープ（ＲＦＯＧ）は、回転速度測定装置であり、回転誘導サニャック効果を増強するためにファイバーリング共振器を用いる。ＲＦＯＧ動作の基本原理は、回転が共振器の軸に対して非ゼロの成分を持つときに、共振器の時計回り（ＣＷ）および反時計回り（ＣＣＷ）の一周の経路長が異なるということである。ＣＷおよびＣＣＷの共振周波数差を測定することにより、ＲＦＯＧは回転速度を正確に測定することができる。この共振周波数の差は回転によるサニャック位相シフトに比例する。いくつかのＲＦＯＧ構成が従来技術において提案されている。３つの具体的な従来技術の共振器の構成が図１−３に示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
図１は反射モード構成の共振器を示しており、ここで、光は、共振器入力ミラーおよび光ファイバー共振器コイルにより形成された共振器に導入される。ミラーは、いくらかの反射率を備え、且つ、低い、しかし非ゼロの透過率を備える。従って、ミラーへの入射光の多くは反射されるが、光の一部は透過する。動作において、レーザーからの光は、共振器入力ミラーを通って透過した後に共振器に導入される。光は、共振器入力ミラーにより共振器内を複数回循環する。すなわち、ファイバーの一方の端部から出た光は、繰り返し反射されて他の端部に戻される。循環した光のいくぶんかは、共振器の外に伝達されて（破線）検出器にいたる。ここで、循環した光は、光源から最初に反射された光と干渉する（検出器に向かう実線）。これらの共振器入力ミラーからの干渉する光波は、共振信号を測定するのに用いられる。具体的には、図１のコイルのＣＷ方向に伝播する光を参照すると、ＣＷレーザーからの光の小部分は、共振器入力ミラーのところで共振器に入る。ＣＷレーザーからの光の多くは、共振器入力ミラーにより反射され、ＣＣＷレーザーに向かって続く。共振器コイル内を循環する光の一部は、反射光と同一の経路に沿って、共振器の外に出て結合される。反射光の一部および共振器から出てきた光は、ＣＷタップミラーによりＣＷ検出器に向けられる。この反射光および共振器から出た光は、ＣＷ検出器上で干渉する。この干渉は、光にゼロ光に対応する共振ディップを生じさせる。ディップの底は、光の周波数がコイルの共振周波数にあるときに生じる。同様に、ＣＣＷレーザーからの光は、反対方向に共振器に入り、共振がＣＣＷ検出器により検出される。
【０００４】
図１に示される構成に関連する問題は、大きな回転検出誤差であり、これは、反射光の望ましくない部分と共振器出力光との間の干渉により生じる。反射波の望ましくない部分は、空間モード特性または偏光モード特性が、共振器出力波のそれとは僅かに異なる。注意深くアライメントしても、共振器入力ミラーと検出器との間の偏光依存損失（polarization dependent losses）または空間開口効果（spatial aperturing effects）は、回転測定の誤差を生じさせうる。たとえば、入力偏光状態の不完全性は、線形状の非対称性を生じさせ、これは、ジャイロ速度バイアス誤差になりうる。従って、反射光と共振器出力光とを干渉させずに、共振器の共振周波数を検出する必要がある。
【０００５】
図２は、伝達モードにおける共振器の従来技術を示している。この共振器構造は、前述の反射モード共振器の問題を、コイル内の循環光の一部をタップオフするためにキャビティ内に他のミラーを配置することにより克服している。具体的には、共振器により反射された光は、反対側のレーザーの前に配置された光学分離器により除去される。こうして、共振器内でＣＷ方向に循環した光だけがＣＷ検出器に到達し、すなわち、循環光と反射光との間の干渉が生じない。しかし、この構成は、ＣＷ方向のいくらかの光だけが、ＣＷ検出器に到達する前にファイバーコイルを通って伝播し、一方で、ＣＣＷ方向の全ての光がＣＷ検出器に到達する前にファイバーコイルを通って伝播するので、ＣＷ方向およびＣＣＷ方向で非対称である。この非対称性は問題を生じさせる。もしＣＷ方向に伝播するいくらかの光が、正しい空間モードまたは偏光モードでないならば、これらの光は、ＣＷ検出器を通って漏れ、そして、共振器内を循環した光と異なることになるであろう。従って、検出される光は、共振器出力光とミスマッチすることになり、共振器コイルを一度も通過をすることなく検出器に到達することになる。偏光モードおよび空間モードの不完全性と組み合わされる非対称性は、有意な回転検出誤差を導くことが知られている。従って、対称性のある、伝達モード共振器への需要がある。
【０００６】
図３は対称性のある伝達モード共振器の従来技術を示している。この共振器は、共振器キャビティに第３のミラーを追加することにより形成されている。この共振器は、伝達モード構成と、ＣＷ光伝播およびＣＣＷ光伝播の対称性の両者を備える。この構成において、検出器に到達する光は常に、少なくとも１回は共振器コイルファイバーを通り、図１および図２に示される構成で議論した問題を取り除く。しかし、第３のミラーを追加することは、共振器キャビティ内の光学系を有意に複雑にする。高性能を実現するために、キャビティ内の周回する光学損失は、とても小さくなければならない。キャビティ内での低い光学損失を実現することは、キャビティ外での低い光学損失を実現するよりもはるかに重要である。具体的には、１ｄＢでの周回損失は、通常キャビティ内で許容され、３ｄＢの損失までがキャビティ外で許容される。各キャビティミラーの角度アライメントは、キャビティ内での低損失を実現するのに重要である。キャビティ内に第３ミラーを含むことは、高度に自動化された装置で製造することができる低コストの装置における低いキャビティ損失を得るための困難性を増加させる。さらに、温度変化はキャビティミラーのアライメントを悪くするので、環境の変動はキャビティ損失を悪化させ得る。従って、２つのミラーによる、簡略化された、対称性のある、伝達モード共振器への需要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、改良された小型の共振器光ファイバージャイロスコープシステムを提供し、これは、対称性があり、伝達モードであり、および／または共振器キャビティ内の２つだけの結合装置（たとえばミラー、部分反射器、または部分的に透過させ部分的に反射させる装置）を使用する。
【０００８】
光ファイバージャイロシステムは、第１端部および第２端部を備えるコイルと、コイルと光学的に相互作用する装置とを含む。この装置は、源からの光を受け取り、また、コイルの各端部からの光を受け取るように構成される。この装置の第１要素は、源からの少なくとも一部の光をコイルの第１端部に導くように構成され、光がコイル内を第１方向に伝播するようにする。この装置の第２要素は、源からの少なくとも一部の光をコイルの第２端部に導くように構成され、光がコイル内を第２方向に伝播するようにする。また、第１要素は、コイルの第１端部からの少なくとも一部の光を第２要素に導くように構成され、また、第２要素からの少なくとも一部の光をコイルの第１端部へ導くように構成され、また、第２方向に伝播する少なくとも一部の光を第１検出器に導くように構成される。第２要素は、コイルの第２端部からの少なくとも一部の光を第１要素に導くように構成され、第１要素からの少なくとも一部の光をコイルの第２端部に導くように構成され、また、第１方向に伝播する少なくとも一部の光を第２検出器に導くように構成される。
【０００９】
本発明のさらなる側面によれば、この装置は、第３要素および第４要素を備えることができる。第３要素は、第１要素から受け取った光を第１検出器に導くように構成され、源からの光を第１要素に導くように構成され、源から受け取った光が、コイル内を循環せずに第１検出器に入ることを防止するように構成される。第４要素は、第２要素から受け取った光を第２検出器に導くように構成され、また、源からの光を第２要素へ導くように構成され、また、源から受け取った光がコイル内を循環することなく第２検出器に入ることを防止するように構成される。
【００１０】
本発明の他の側面によれば、第３要素は、源からの少なくとも一部の光を第１ＲＩＮ監視要素に導くように構成され、第４要素はさらに、源からの少なくとも一部の光を第２ＲＩＮ監視要素に導くように構成される。
【００１１】
本発明のさらなる側面によれば、第３要素および第４要素は、それぞれ案内結合装置を有する。
本発明のさらなる側面によれば、本装置は、少なくとも１つの偏光素子を含む。
【００１２】
本発明のさらなる側面によれば、単一の偏光素子は、第３要素、第４要素、コイルの第１端部、およびコイルの第２端部から受け光を偏光させるように構成される。
本発明のさらなる側面によれば、本装置およびコイルは、検出器に導かれる全ての光が少なくとも１つの偏光子およびコイルを通過したものとなるように構成される。
【００１３】
本発明のさらなる側面によれば、本装置は、第１要素と第３要素との間の両方向の光学相互作用を促進するように構成される第１経路を含み、本装置はさらに、第２要素と第４要素との間の両方向の光学相互作用を促進するように構成される第２経路を含む。
【００１４】
本発明のさらなる側面によれば、本装置は、第１要素と第２要素との間の両方向の光学相互作用を促進するように構成される第３経路を含む。
本発明のさらなる側面によれば、本装置およびコイルは、第１方向に伝播する光および第２方向に伝播する光が実質的に対称な経路を進むように構成される。
【００１５】
本発明のさらなる側面によれば、第１要素および第２要素は、光を透過し且つ反射するように構成される結合装置を含む。
本発明のさらなる側面によれば、各結合装置はミラーを含む。
【００１６】
本発明のさらなる側面によれば、第１要素および第２要素は、全部で２つより多くのミラーを含まない。
本発明のさらなる側面によれば、第１要素、第２要素、第３要素、および第４要素は、単一の微小光学装置に統合される。
【００１７】
本発明のさらなる側面によれば、第１要素および第２要素は、単一の微小光学装置に統合される。
本発明の好ましい実施形態および代替実施形態が以下に添付図面とともに説明される。添付図面は以下のとおりである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】従来技術の反射モードのＲＦＯＧ共振器の概略図である。
【図２】従来技術の非対称の透過モードの２ミラーＲＦＯＧの概略図である。
【図３】従来技術の対称の３ミラーＲＦＯＧの概略図である。
【図４】本発明の一実施形態により形成される、２つの案内素子および２つの結合光学素子を備える対称性ＲＦＯＧ共振器の概略図である。
【図５】図４に示される共振器で用いられるＲＦＯＧ結合光学素子の概略図である。
【図６】本発明の一実施形態により形成される、２つの案内素子および２つの結合光学素子を備える対称性ＲＦＯＧ共振器の概略図である。
【図７】本発明の一実施形態により形成される、４つのポートを含むＲＦＯＧ案内光学素子の一実施形態の概略図である。
【図８】本発明の一実施形態による、４つのポートを含むＲＦＯＧ結合光学素子の一実施形態の概略図である。
【図９】４つのポートを含むＲＦＯＧ結合光学素子の代替実施形態の概略図である。
【図１０】本発明の一実施形態による、１つの案内素子および結合光学素子を含む対称型ＲＦＯＧ共振器の概略図である。
【図１１】８つのポートを含むＲＦＯＧ案内光学素子の一実施形態の概略図である。
【図１２】本発明の一実施形態による、１つの８ポート光学素子を含む対称型ＲＦＯＧ共振器の実施形態の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図４は、本発明の例示的な一実施形態により形成される共振器光ファーバージャイロスコープ（ＲＦＯＧ）１００を示している。ＲＦＯＧ１００は、光源８、案内光学素子２０および３０、共振器入出力結合光学素子４０および５０、検出器１１および１３、およびファイバーループ８０を含む共振器１０、を含む。光源８は、少なくとも２つの光ビーム、つまりＣＣＷ方向の光ビームおよびＣＷ方向の光ビームを発する。代替的に、光源８は、２つの独立した光源を含むことができ、１つはＣＣＷ方向の光を提供し、もう一つはＣＷ方向の光を提供してもよい。各案内光学素子２０および３０は、入力ポート２１および３１、出力ポート２２および３２、および検出器ポート２３および３３を含む。入力ポート２１および３１により受け取られる光の実質的な部分は、出力ポート２２および３２に導かれ、検出器ポート２３および３３へ入ることは防止される。反対方向において（出力ポート２２および３２の下の矢印で示される）、出力ポート２２および３２における案内光学素子２０および３０へ入力される光の実質的な部分は、検出器ポート２３および３３へ導かれ、これは光を検出器１１および１３に導く。
【００２０】
案内光学素子２０および３０は、限定するわけではないが、光ファイバー循環器、ファイバーカプラー、ビームスプリッタ、または、上述の所望の機能を提供する任意の光学素子を含むことができる。案内光学素子２０および３０のポート２１、２２、２３、３１、３２、３３は、光ファイバーまたは自由空間光学ビームに接続される。全てではないが上述の案内素子の多くは商業的に入手可能である。
【００２１】
結合光学素子４０および５０は、入出力ポート４１および５１、ループポート４２および５２、およびリレーポート４３および５３を含む。入出力ポート４３および５３内に導かれる光の一部を、ループポート４２および５２が受け取り、リレーポート４３および５３に入らない。リレーポート４３および５３における結合光学素子４０および５０内に導かれる光の実質的な部分（典型的には８０〜９９％）は、ループポート４２および５２に導かれ入出力ポート４１および５１に入らない。反対方向において、ループポート４２および５２における結合光学素子４０および５０内に導かれる光の実質的な部分（典型的には８０〜９９％）を、リレーポート４３および５３が受け取り、一部（典型的には１〜２０％）は入出力ポート４１および５１に導かれる。
【００２２】
結合光学素子４０および／または５０は、限定するわけではないが、ファイバーカプラー、ファイバースプリッタ、ビームスプリッタ、導波装置、および／またはこれらの組み合わせを含むことができる。結合光学素子４０および／または５０は、偏光子のような光学素子を含むことができる。全てではないが、上述の結合光学素子の多くは商業的に入手可能である。
【００２３】
ファイバーループ８０は端部８１および８２を含む。第１端部８１は、結合光学素子４０のループポート４２に接続され、第２端部８２は、結合光学素子５０のループポート５２に接続される。ポート４３および５３は、限定するわけではないが、ファイバーの一部、導波路、または単に光ビーム伝播の自由空間の光通路のようなコネクタ４５により接続される。
【００２４】
光を共振器１０にＣＷ方向に導くために、光は、光源８から案内光学素子２０の入力ポート２１に導かれる。光の少なくとも一部は、案内光学素子２０および出力ポート２２を通って、結合光学素子４０の入出力ポート４１に到る。案内光学素子４０は、光の少なくとも一部をループポート４２を通ってファイバーループ８０に導く。光は、ループポート５２、リレーポート５３、コネクタ４５、リレーポート４３およびループポート４２を通ってＣＷ方向に伝播することで循環する。
【００２５】
ループポート５２に入るＣＷ循環光の一部（典型的には１〜２０％）は、結合光学素子５０により入出力ポート５１において共振器１０外に導かれる。この光は、案内光学素子３０の出力ポート３２に伝播する。案内光学素子３０は、光を検出器ポート３３に導く。ＣＷ検出器１３は、ＣＷ共振検出のためのポート３３からの光を受け取る。
【００２６】
光を共振器内でＣＣＷ方向へ導くために、光は、光源８から案内光学素子３０の入力ポート３１に導かれる。ポート３２にから出てくる光は、結合光学素子５０の入出力ポート５１内に導かれる。結合光学素子５０は、結合光学素子５０の入出力ポート５１からの光をファイバーループ８０に連結されるループポート５２に導く。光りは、ループポート４２、リレーポート４３、コネクタ４５、リレーポート５３、およびループポート５２を通って伝播することにより共振器内をＣＣＷ方向に循環する。このＣＣＷ循環光の一部（典型的には１〜２０％）は、結合光学素子４０における共振器１０外へ導かれる。具体的には、ループポート４２からの光の一部は、結合光学素子４０により入出力ポート４１に導かれる。この光は、案内光学素子２０の出力ポート２２へ伝播し、検出器ポート２３へ導かれる。ＣＣＷ検出器１１は、ＣＣＷ共振検出のために、ポート２３からの光を受け取る。
【００２７】
案内光学素子２０、３０および結合光学素子４０、５０は実質的に類似している（すなわち、互いに鏡像関係にある）。従って、共振器１０の構成は、実質的にＣＷ方向およびＣＣＷ方向に対称である。ＣＷおよびＣＣＷの光は、共振器１０内で正確に同一の光学路（ただし逆方向）に沿って進む。ＣＷ光学路およびＣＣＷ光学路のこの高レベルの対称性および互換性は、ＣＷおよびＣＣＷの両方における光伝播を共通にすることにより、位相遅れおよびバイアス誤差を生じさせるビーム経路の非対称性を相殺し、それによりジャイロのバイアス安定性を改良する。
【００２８】
図５は、結合光学素子４０の例示的な実施形態を示している。結合光学素子４０は、ビーム分割ミラー１０４を含み、これはポート１０１からの入力光の一部（典型的には１〜２０％）をポート１０２へ反射し、ポート１０２からの光の一部をポート１０１へ反射する。ミラー１０４は、ポート１０３から伝播する光の一部（典型的には８０〜９９％）をポート１０２へ透過させ、ポート１０２からの光の一部をポート１０３へ透過させる。偏光子１０５をミラー１０４とポート１０２との間に配置することができ、望まない偏光モードを低減／除去することができる。この装置において、ポート１０１およびポート１０２は、ファイバーアダプタを含むことができる。ポート１０３は、光ビームを自由空間を通過させるための光学開口を含むことができる。
【００２９】
図６は代替実施形態のＲＦＯＧ３００を示している。ＲＦＯＧ３００は、相対強度ノイズ（ＲＩＮ）検出器１２および１４を含み、案内光学素子１２０および１３０は実質的に案内光学素子２０および３０に実質的に類似しているが、追加のＲＩＮ監視ポート１２４および１３４を備える。ポート１２１、１３１、１２２、１３２、１２３、１３３は、入力ポート２１および３１、出力ポート２２および３２、および検出器ポート２３および３３と実質的に同一の導光機能を備える。これらの上述の機能に加え、ポート１２１および１３１に入る入力光の一部は、ＲＩＮ監視ポート１２４および１３４に導かれる。ＲＩＮ検出器１２および１４は、入力ビームの強度ノイズの測定のために、ＲＩＮ監視ポート１２４および１３４からの光を受け取る。これらのＲＩＮ信号は、入力光の強度ノイズ、望まない強度または振幅変調を低減するために、典型的なＲＩＮサーボ電子機器システムに信号フィードバックを提供する。ＲＩＮ監視ポート１２４を案内光学素子１２０および１３０に統合することは、ジャイロの光学素子の総数を減少させる。より少ない光学素子を用いることは、パッケージの負担を減らす。さらに、ＲＩＮ監視点が共振器１０に近接して配置されるので、少ない強度ノイズのよりクリーンな入力光ビームが期待される。
【００３０】
図６に示される結合装置６０は、結合光学素子４０および５０の変形例である。結合装置６０は、結合光学素子４０および５０の機能を１つの装置に組み合わせており、そのため、ジャイロをより小型にし、パッケージしやすくする。一般的に、結合装置６０は４つのポートを含み、具体的には、ＣＷ入力ポート６１、ＣＣＷ入力ポート６４、ループポート６２、およびもう一つのループポート６４を含む。ＣＷ入力ポート６１に導かれる光の一部（典型的には１〜２０％）は、ループポート６２へ導かれ（ただしループポート６４への直接的な進入は防止される）、ファイバーループ８０内をＣＷ方向に伝播する。ファイバーループ８０を端部８２のところで出るＣＷ光は、ループポート６４へ導かれる。ＣＷ光の実質的な部分（典型的には８０〜９９％）は、ループポート６２に導かれて、共振器１０内をＣＷ方向に循環する。共振器１０の内部を循環するＣＷ光の一部（典型的には１〜２０％）は、ループポート６４からＣＣＷ入力ポート５３へ伝播することで共振器１０の外へ導かれる。この光はその後、案内光学素子１３０の検出器ポート１３３を通って、ＣＷ共振信号検出のためにＣＷ検出器１３に導かれる。
【００３１】
ＣＣＷ入力ポート６３に導かれる光の一部（典型的には１〜２０％）は、ループポート６４に導かれ、ファイバーループ８０内でＣＣＷ方向に伝播する。ファイバーループを端部８１のところで出るＣＣＷ光は、ループポート６２に導かれる。この光の実質的な部分（典型的には８０〜９９％）は、ループポート６４へ導かれ、共振器１０内をＣＣＷ方向に循環する。共振器１０内を循環するＣＣＷ光の一部（典型的には１〜２０％）は、ループポート６２からＣＷ入力ポート６１へ伝播することにより共振器１０外に導かれる。ＣＷ入力光６１から、この光は、ＣＣＷ共振信号検出のために、案内光学素子１２０の検出器ポート１２３を通ってＣＣＷ検出器１１に導かれる。
【００３２】
図７は、案内光学素子４００の例示的な実施形態であり、案内光学素子１２０のように用いることができる。案内光学素子４００は、部分反射ミラー４０５を含み、これは、ＲＩＮ監視のためにポート４０１からの入力光の一部をポート４０４へ透過させる。入力光の実質的な部分は（ここでは一般性を失うことなく水平方向に偏光していることを想定している）、ミラー４０５で反射させて、偏光ビームスプリッタ４０６を通過する。偏光ビームスプリッタ４０６は水平偏光光を透過し、垂直偏光光を反射する。ファラデー回転子４０７は、入力光を４５°回転させる。後続の半波プレート４０８は、入力光の偏光状態を水平面に戻すように変化させ、偏光子４０９を通過できるようにする。偏光子４０９の偏光通過軸は、水平方向に向けられる。反対方向において、ポート４０２内に導かれる水平偏光光は、有意な損失なしに偏光子４０９を通過する。半波プレート４０８は、ビームの偏光状態を水平面に対して４５°回転させる。ファラデー回転子４０７は、不可逆装置であり、反対に伝播する光の偏光を垂直面に回転させる。ビームスプリッタ４０６は、垂直偏光光の大部分を検出器ポート４０３へ反射する。ビームスプリッタ４０６、回転子４０７、プレート４０８、および偏光子４０９は、典型的な循環装置の例示的な実施形態である。他の実施形態も可能であり、マイクロ光学素子を用いてミラー４０５（ＲＩＮ信号タップのため）を循環器に統合することができる（入力ビームから反対に伝播するビームを分離するため）。ポート４０１、４０２、４０３、４０４は、ファイバーでもよいし、または自由空間結合ポートでもよい。
【００３３】
図８は、例示的な実施形態である結合素子５００を示しており、これは図６の結合装置６０のように用いることができる。結合装置５００は、部分反射ミラー５０５および５０７を含み、ポート５０１および５０３に導かれる入力光をポート５０２および５０４へ反射し、反対に、ポート５０２および５０４に導かれる光をポート５０１および５０３に反射する。ミラー５０５および５０７は、ポート５０２からの光の実質的な部分（典型的には８０〜９９％）をポート５０２からポート５０４へ透過させ、反対に、ポート５０４からの光をポート５０２に透過させる。光ビームの偏光状態を制御するために、偏光子５０６および５０７を、ミラー５０５とポート５０２との間、およびミラー５０７とポート５０４との間に挿入することができる。結合装置５００は、４ポート結合装置の機能を実現するマイクロ光学素子を使う基本的アイディアを強調した例示的な実施形態であることに注意されたい。
【００３４】
図９は、他の実施形態である結合装置６００を示している。この実施形態において、入力ポート６０１および６０３（図８のポート５０１および５０３に類似する）は、パッケージしやすさのために、ループポート６０２および６０４と同じ側面に配置される。部分反射ミラー６０５および６０７に加えて、入力ポート６０１および６０３からのビームをループポート６０２および６０４へ導くために、案内ミラー６０９および６０１が用いられる。
【００３５】
装置５００および６００は、自由空間光学系がコイルを通って循環する光ビームが一直線上になるように配置されるように有利に構成される。このようにすることで、光学素子５０５、５０６、５０７、５０８、および６０５、６０６、６０７、６０８は、決定的になりにくい。これらの光学系のミスアライメントによる環境変動に対する共振器の感度は、低減され得る。さらに、素子５０２、５０４、６０２および６０４を備えるこれらの装置は、ミニチュア基板上のファイバーをＶ溝に取り付けるような技術を用いて自己整合でき、製造コストを有意に低減できる。
【００３６】
図１０は、本発明による他のＲＦＧＯシステム７００を示している。ＲＦＯＧシステム７００は、案内光学素子２００、結合光学素子７０、およびファイバーループ８０を含む。この実施形態において、案内光学素子２００は、８ポート装置であり、案内光学素子１２０、１３０の機能を単一の装置に組み合わせたものである。ポート２２１、２２２、２２３、２２４、２３１、２３２、２３３、および２３４は、それぞれポート１２１、１２２、１２３、１２４、１３１、１３２．１３３、および１３４に対応する。これらの案内機能は実質的に同じである。ＣＷおよびＣＣＷ案内光学素子を統合する主要な効果は、より小型の設計、パッケージ内の部品数の低減、およびＣＷおよびＣＣＷ伝播ビームの対称性のレベルの増加である。
【００３７】
ＲＦＯＧシステム７００は結合光学素子７０を含み、これは、結合装置６０と実質的に同一の機能を備える。部分反射ミラー７５および７７は、ポート７１および７３内に導かれる光の一部を、ループポート７２および７４へ透過させる。ループポート７２および７４に導かれた光の実質的な部分（典型的には８０〜９９％）は、部分反射ミラー７５および７７により、また部分反射ミラー７７および７５により連続的に反射されて、ループポート７４および７２に至る。循環するＣＷ（ＣＣＷ）光の一部（典型的には１〜２０％）は、部分反射ミラー７７および７５を通ってポート７３および７１へ透過することにより、共振器１０外へ導かれる。偏光を制御するために、偏光子７６がＣＷ光およびＣＣＷ光で共有される。結合光学素子７０内で素子を共有することは、部品数が減り、製造コストを低減し、共振器１０の対称性がよくなるので有利である。
【００３８】
図１０の実施形態は、図４および図６の実施形態の変形例である。
図１１は、８ポート装置８００の一例を示しており、これは８ポート装置２００のように用いることができる。この実施形態は、個別の部品数を減らすために、ＣＷ案内光学素子およびＣＣＷ案内光学素子で同一の光学素子を共有する可能性を示している。８ポート装置８００は、部分反射ミラー８４１および８４２を含み、これは、ポート８２１および８３１内に導かれた入力光の一部をＲＩＮ監視ポート８２４および８３４に透過させる。入力光の実質的な部分は（一般性を失うことなく水平偏光であると想定する）、部分反射ミラー８４１および８４２に反射されて、偏光ビームスプリッタ８４３および８４４に至る。偏光ビームスプリッタ８４３および８４４は、水平偏光光を透過させるが、垂直偏光光を反射させる。ファラデー回転子８４５は、入力光を約４５°回転させる。半波プレート８４６は、入力光の偏光状態を水平面に戻し、偏光軸が水平方向に沿って配置される偏光子８４７を通過できるようにする。その後、光はポート８２２および８３２から出る。反対方向への光の伝播（すなわち、ポート８２２および８３２からポート８２３および８３３への伝播）は、図７で上述したのと同様である。ファラデー回転子、半波プレート、および偏光子８４５、８４６、８４７は、この設計においてＣＷおよびＣＣＷのビームで共通であることに注意されたい。素子を少なくすることで、空間を節約し、また装置のコストを低減させる。また、素子を減らすことは、ＣＷビームおよびＣＣＷビームにおいて同一の光学素子を共有することは装置の対称性を向上させ、バイアス誤差を効果的に相殺するので、性能の点からも有利である。
【００３９】
図１２は、本発明による他の実施形態のＲＦＯＧシステム９００である。ＲＦＯＧシステム９００は、８ポート装置３００を含み、これは、前述の実施形態の案内光学素子と結合光学素子の機能を組み合わせたものである。より具体的には、ポート３２１および３３１に導かれる入力光の実質的部分は、ループポート３２２および３３２に導かれ、光の一部は、ＲＩＮ監視ポート３２４および３３４へ導かれる。ファイバーループ８０内をＣＷ方向／ＣＣＷ方向に循環する光の一部は、偏光子３０８および３０６、ビーム案内素子３０７および３０６、およびビーム分割装置３１２および３１１を通って共振器１０外へ導かれ、検出器ポート３３３および３２３に至る。ビーム分割装置３１１および３１２は、共振器１０から共振器１０外に導かれた光の実質的な部分を分離する。ビーム分割装置３１１および３１２は、入力ビームおよび出力ビームの両方にとって低損失であるようにされることが好ましく、これはファラデー回転子のような不可逆偏光回転装置を必要とし得る。偏光子３０６および３０８は、共振器１０内を循環する光の望まない変更モードを低減するために用いられる。より少ない素子の使用はコストを低減するので、ＣＷビームおよびＣＣＷビームで光学素子を共有することが好ましい。また、光学素子を共通することは、高レベルのＲＦＯＧの対称性に寄与し、これは性能を高める。
【００４０】
上述の共振器構成は透過モードに関して対称性があり、および／または共振器空洞内で、２つの結合素子だけを用いる（ミラー、部分反射器、または部分透過且つ部分透過装置）。共振器は、光波の伝播方向が反対であるが、ＣＷ光およびＣＣＷ光の光学通路が実質的に同一であるので、対称性を備える。対称性の共振器構造は、回転速度に誤差となって現れるバイアス誤差を相殺しやすくし、ジャイロバイアスの不安定性を減少させる。また、対称性構造により、共振器キャビティ光学系が互いに直線上に並ぶようになり、これは、共振器内のアライメントの困難性を低減し、環境変動への感度を低下させる。さらに、対称性の構造は、ジャイロの性能および製造しやすさを向上させ、さらに、部品数を低減させて、コストを低減させ、また、装置の形状因子（たとえばサイズ）を低減させる。
【００４１】
本発明の好ましい実施形態が図示および説明されたが、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく様々な変更が可能である。案内光学素子および結合光学素子は、新しい実施形態を構成するために、上述の実施形態間で交換可能であると考えられる。たとえば、８ポート案内光学素子２００を結合光学素子６０に用いることができる。結合光学素子７０を案内光学素子１２０および１３０に用いることで、他の実施形態を構成することができる。他の実施形態として、案内光学素子２０および３０を結合装置６０に用いることができ、または結合光学素子４０および５０を案内光学素子１２０および１３０に用いることもできる。また、２つの光源を用いることもでき、各光源は少なくとも１つの光ビームを発する。従って、本発明の範囲は、好ましい実施形態の開示に限定されない。本発明は、添付の特許請求の範囲により決定される。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、小型共振器光ファイバージャイロスコープに関する。
【背景技術】
【０００２】
共振器光ファイバージャイロスコープ（ＲＦＯＧ）は、回転速度測定装置であり、回転誘導サニャック効果を増強するためにファイバーリング共振器を用いる。ＲＦＯＧ動作の基本原理は、回転が共振器の軸に対して非ゼロの成分を持つときに、共振器の時計回り（ＣＷ）および反時計回り（ＣＣＷ）の一周の経路長が異なるということである。ＣＷおよびＣＣＷの共振周波数差を測定することにより、ＲＦＯＧは回転速度を正確に測定することができる。この共振周波数の差は回転によるサニャック位相シフトに比例する。いくつかのＲＦＯＧ構成が従来技術において提案されている。３つの具体的な従来技術の共振器の構成が図１−３に示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
図１は反射モード構成の共振器を示しており、ここで、光は、共振器入力ミラーおよび光ファイバー共振器コイルにより形成された共振器に導入される。ミラーは、いくらかの反射率を備え、且つ、低い、しかし非ゼロの透過率を備える。従って、ミラーへの入射光の多くは反射されるが、光の一部は透過する。動作において、レーザーからの光は、共振器入力ミラーを通って透過した後に共振器に導入される。光は、共振器入力ミラーにより共振器内を複数回循環する。すなわち、ファイバーの一方の端部から出た光は、繰り返し反射されて他の端部に戻される。循環した光のいくぶんかは、共振器の外に伝達されて（破線）検出器にいたる。ここで、循環した光は、光源から最初に反射された光と干渉する（検出器に向かう実線）。これらの共振器入力ミラーからの干渉する光波は、共振信号を測定するのに用いられる。具体的には、図１のコイルのＣＷ方向に伝播する光を参照すると、ＣＷレーザーからの光の小部分は、共振器入力ミラーのところで共振器に入る。ＣＷレーザーからの光の多くは、共振器入力ミラーにより反射され、ＣＣＷレーザーに向かって続く。共振器コイル内を循環する光の一部は、反射光と同一の経路に沿って、共振器の外に出て結合される。反射光の一部および共振器から出てきた光は、ＣＷタップミラーによりＣＷ検出器に向けられる。この反射光および共振器から出た光は、ＣＷ検出器上で干渉する。この干渉は、光にゼロ光に対応する共振ディップを生じさせる。ディップの底は、光の周波数がコイルの共振周波数にあるときに生じる。同様に、ＣＣＷレーザーからの光は、反対方向に共振器に入り、共振がＣＣＷ検出器により検出される。
【０００４】
図１に示される構成に関連する問題は、大きな回転検出誤差であり、これは、反射光の望ましくない部分と共振器出力光との間の干渉により生じる。反射波の望ましくない部分は、空間モード特性または偏光モード特性が、共振器出力波のそれとは僅かに異なる。注意深くアライメントしても、共振器入力ミラーと検出器との間の偏光依存損失（polarization dependent losses）または空間開口効果（spatial aperturing effects）は、回転測定の誤差を生じさせうる。たとえば、入力偏光状態の不完全性は、線形状の非対称性を生じさせ、これは、ジャイロ速度バイアス誤差になりうる。従って、反射光と共振器出力光とを干渉させずに、共振器の共振周波数を検出する必要がある。
【０００５】
図２は、伝達モードにおける共振器の従来技術を示している。この共振器構造は、前述の反射モード共振器の問題を、コイル内の循環光の一部をタップオフするためにキャビティ内に他のミラーを配置することにより克服している。具体的には、共振器により反射された光は、反対側のレーザーの前に配置された光学分離器により除去される。こうして、共振器内でＣＷ方向に循環した光だけがＣＷ検出器に到達し、すなわち、循環光と反射光との間の干渉が生じない。しかし、この構成は、ＣＷ方向のいくらかの光だけが、ＣＷ検出器に到達する前にファイバーコイルを通って伝播し、一方で、ＣＣＷ方向の全ての光がＣＷ検出器に到達する前にファイバーコイルを通って伝播するので、ＣＷ方向およびＣＣＷ方向で非対称である。この非対称性は問題を生じさせる。もしＣＷ方向に伝播するいくらかの光が、正しい空間モードまたは偏光モードでないならば、これらの光は、ＣＷ検出器を通って漏れ、そして、共振器内を循環した光と異なることになるであろう。従って、検出される光は、共振器出力光とミスマッチすることになり、共振器コイルを一度も通過をすることなく検出器に到達することになる。偏光モードおよび空間モードの不完全性と組み合わされる非対称性は、有意な回転検出誤差を導くことが知られている。従って、対称性のある、伝達モード共振器への需要がある。
【０００６】
図３は対称性のある伝達モード共振器の従来技術を示している。この共振器は、共振器キャビティに第３のミラーを追加することにより形成されている。この共振器は、伝達モード構成と、ＣＷ光伝播およびＣＣＷ光伝播の対称性の両者を備える。この構成において、検出器に到達する光は常に、少なくとも１回は共振器コイルファイバーを通り、図１および図２に示される構成で議論した問題を取り除く。しかし、第３のミラーを追加することは、共振器キャビティ内の光学系を有意に複雑にする。高性能を実現するために、キャビティ内の周回する光学損失は、とても小さくなければならない。キャビティ内での低い光学損失を実現することは、キャビティ外での低い光学損失を実現するよりもはるかに重要である。具体的には、１ｄＢでの周回損失は、通常キャビティ内で許容され、３ｄＢの損失までがキャビティ外で許容される。各キャビティミラーの角度アライメントは、キャビティ内での低損失を実現するのに重要である。キャビティ内に第３ミラーを含むことは、高度に自動化された装置で製造することができる低コストの装置における低いキャビティ損失を得るための困難性を増加させる。さらに、温度変化はキャビティミラーのアライメントを悪くするので、環境の変動はキャビティ損失を悪化させ得る。従って、２つのミラーによる、簡略化された、対称性のある、伝達モード共振器への需要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、改良された小型の共振器光ファイバージャイロスコープシステムを提供し、これは、対称性があり、伝達モードであり、および／または共振器キャビティ内の２つだけの結合装置（たとえばミラー、部分反射器、または部分的に透過させ部分的に反射させる装置）を使用する。
【０００８】
光ファイバージャイロシステムは、第１端部および第２端部を備えるコイルと、コイルと光学的に相互作用する装置とを含む。この装置は、源からの光を受け取り、また、コイルの各端部からの光を受け取るように構成される。この装置の第１要素は、源からの少なくとも一部の光をコイルの第１端部に導くように構成され、光がコイル内を第１方向に伝播するようにする。この装置の第２要素は、源からの少なくとも一部の光をコイルの第２端部に導くように構成され、光がコイル内を第２方向に伝播するようにする。また、第１要素は、コイルの第１端部からの少なくとも一部の光を第２要素に導くように構成され、また、第２要素からの少なくとも一部の光をコイルの第１端部へ導くように構成され、また、第２方向に伝播する少なくとも一部の光を第１検出器に導くように構成される。第２要素は、コイルの第２端部からの少なくとも一部の光を第１要素に導くように構成され、第１要素からの少なくとも一部の光をコイルの第２端部に導くように構成され、また、第１方向に伝播する少なくとも一部の光を第２検出器に導くように構成される。
【０００９】
本発明のさらなる側面によれば、この装置は、第３要素および第４要素を備えることができる。第３要素は、第１要素から受け取った光を第１検出器に導くように構成され、源からの光を第１要素に導くように構成され、源から受け取った光が、コイル内を循環せずに第１検出器に入ることを防止するように構成される。第４要素は、第２要素から受け取った光を第２検出器に導くように構成され、また、源からの光を第２要素へ導くように構成され、また、源から受け取った光がコイル内を循環することなく第２検出器に入ることを防止するように構成される。
【００１０】
本発明の他の側面によれば、第３要素は、源からの少なくとも一部の光を第１ＲＩＮ監視要素に導くように構成され、第４要素はさらに、源からの少なくとも一部の光を第２ＲＩＮ監視要素に導くように構成される。
【００１１】
本発明のさらなる側面によれば、第３要素および第４要素は、それぞれ案内結合装置を有する。
本発明のさらなる側面によれば、本装置は、少なくとも１つの偏光素子を含む。
【００１２】
本発明のさらなる側面によれば、単一の偏光素子は、第３要素、第４要素、コイルの第１端部、およびコイルの第２端部から受け光を偏光させるように構成される。
本発明のさらなる側面によれば、本装置およびコイルは、検出器に導かれる全ての光が少なくとも１つの偏光子およびコイルを通過したものとなるように構成される。
【００１３】
本発明のさらなる側面によれば、本装置は、第１要素と第３要素との間の両方向の光学相互作用を促進するように構成される第１経路を含み、本装置はさらに、第２要素と第４要素との間の両方向の光学相互作用を促進するように構成される第２経路を含む。
【００１４】
本発明のさらなる側面によれば、本装置は、第１要素と第２要素との間の両方向の光学相互作用を促進するように構成される第３経路を含む。
本発明のさらなる側面によれば、本装置およびコイルは、第１方向に伝播する光および第２方向に伝播する光が実質的に対称な経路を進むように構成される。
【００１５】
本発明のさらなる側面によれば、第１要素および第２要素は、光を透過し且つ反射するように構成される結合装置を含む。
本発明のさらなる側面によれば、各結合装置はミラーを含む。
【００１６】
本発明のさらなる側面によれば、第１要素および第２要素は、全部で２つより多くのミラーを含まない。
本発明のさらなる側面によれば、第１要素、第２要素、第３要素、および第４要素は、単一の微小光学装置に統合される。
【００１７】
本発明のさらなる側面によれば、第１要素および第２要素は、単一の微小光学装置に統合される。
本発明の好ましい実施形態および代替実施形態が以下に添付図面とともに説明される。添付図面は以下のとおりである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】従来技術の反射モードのＲＦＯＧ共振器の概略図である。
【図２】従来技術の非対称の透過モードの２ミラーＲＦＯＧの概略図である。
【図３】従来技術の対称の３ミラーＲＦＯＧの概略図である。
【図４】本発明の一実施形態により形成される、２つの案内素子および２つの結合光学素子を備える対称性ＲＦＯＧ共振器の概略図である。
【図５】図４に示される共振器で用いられるＲＦＯＧ結合光学素子の概略図である。
【図６】本発明の一実施形態により形成される、２つの案内素子および２つの結合光学素子を備える対称性ＲＦＯＧ共振器の概略図である。
【図７】本発明の一実施形態により形成される、４つのポートを含むＲＦＯＧ案内光学素子の一実施形態の概略図である。
【図８】本発明の一実施形態による、４つのポートを含むＲＦＯＧ結合光学素子の一実施形態の概略図である。
【図９】４つのポートを含むＲＦＯＧ結合光学素子の代替実施形態の概略図である。
【図１０】本発明の一実施形態による、１つの案内素子および結合光学素子を含む対称型ＲＦＯＧ共振器の概略図である。
【図１１】８つのポートを含むＲＦＯＧ案内光学素子の一実施形態の概略図である。
【図１２】本発明の一実施形態による、１つの８ポート光学素子を含む対称型ＲＦＯＧ共振器の実施形態の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図４は、本発明の例示的な一実施形態により形成される共振器光ファーバージャイロスコープ（ＲＦＯＧ）１００を示している。ＲＦＯＧ１００は、光源８、案内光学素子２０および３０、共振器入出力結合光学素子４０および５０、検出器１１および１３、およびファイバーループ８０を含む共振器１０、を含む。光源８は、少なくとも２つの光ビーム、つまりＣＣＷ方向の光ビームおよびＣＷ方向の光ビームを発する。代替的に、光源８は、２つの独立した光源を含むことができ、１つはＣＣＷ方向の光を提供し、もう一つはＣＷ方向の光を提供してもよい。各案内光学素子２０および３０は、入力ポート２１および３１、出力ポート２２および３２、および検出器ポート２３および３３を含む。入力ポート２１および３１により受け取られる光の実質的な部分は、出力ポート２２および３２に導かれ、検出器ポート２３および３３へ入ることは防止される。反対方向において（出力ポート２２および３２の下の矢印で示される）、出力ポート２２および３２における案内光学素子２０および３０へ入力される光の実質的な部分は、検出器ポート２３および３３へ導かれ、これは光を検出器１１および１３に導く。
【００２０】
案内光学素子２０および３０は、限定するわけではないが、光ファイバー循環器、ファイバーカプラー、ビームスプリッタ、または、上述の所望の機能を提供する任意の光学素子を含むことができる。案内光学素子２０および３０のポート２１、２２、２３、３１、３２、３３は、光ファイバーまたは自由空間光学ビームに接続される。全てではないが上述の案内素子の多くは商業的に入手可能である。
【００２１】
結合光学素子４０および５０は、入出力ポート４１および５１、ループポート４２および５２、およびリレーポート４３および５３を含む。入出力ポート４３および５３内に導かれる光の一部を、ループポート４２および５２が受け取り、リレーポート４３および５３に入らない。リレーポート４３および５３における結合光学素子４０および５０内に導かれる光の実質的な部分（典型的には８０〜９９％）は、ループポート４２および５２に導かれ入出力ポート４１および５１に入らない。反対方向において、ループポート４２および５２における結合光学素子４０および５０内に導かれる光の実質的な部分（典型的には８０〜９９％）を、リレーポート４３および５３が受け取り、一部（典型的には１〜２０％）は入出力ポート４１および５１に導かれる。
【００２２】
結合光学素子４０および／または５０は、限定するわけではないが、ファイバーカプラー、ファイバースプリッタ、ビームスプリッタ、導波装置、および／またはこれらの組み合わせを含むことができる。結合光学素子４０および／または５０は、偏光子のような光学素子を含むことができる。全てではないが、上述の結合光学素子の多くは商業的に入手可能である。
【００２３】
ファイバーループ８０は端部８１および８２を含む。第１端部８１は、結合光学素子４０のループポート４２に接続され、第２端部８２は、結合光学素子５０のループポート５２に接続される。ポート４３および５３は、限定するわけではないが、ファイバーの一部、導波路、または単に光ビーム伝播の自由空間の光通路のようなコネクタ４５により接続される。
【００２４】
光を共振器１０にＣＷ方向に導くために、光は、光源８から案内光学素子２０の入力ポート２１に導かれる。光の少なくとも一部は、案内光学素子２０および出力ポート２２を通って、結合光学素子４０の入出力ポート４１に到る。案内光学素子４０は、光の少なくとも一部をループポート４２を通ってファイバーループ８０に導く。光は、ループポート５２、リレーポート５３、コネクタ４５、リレーポート４３およびループポート４２を通ってＣＷ方向に伝播することで循環する。
【００２５】
ループポート５２に入るＣＷ循環光の一部（典型的には１〜２０％）は、結合光学素子５０により入出力ポート５１において共振器１０外に導かれる。この光は、案内光学素子３０の出力ポート３２に伝播する。案内光学素子３０は、光を検出器ポート３３に導く。ＣＷ検出器１３は、ＣＷ共振検出のためのポート３３からの光を受け取る。
【００２６】
光を共振器内でＣＣＷ方向へ導くために、光は、光源８から案内光学素子３０の入力ポート３１に導かれる。ポート３２にから出てくる光は、結合光学素子５０の入出力ポート５１内に導かれる。結合光学素子５０は、結合光学素子５０の入出力ポート５１からの光をファイバーループ８０に連結されるループポート５２に導く。光りは、ループポート４２、リレーポート４３、コネクタ４５、リレーポート５３、およびループポート５２を通って伝播することにより共振器内をＣＣＷ方向に循環する。このＣＣＷ循環光の一部（典型的には１〜２０％）は、結合光学素子４０における共振器１０外へ導かれる。具体的には、ループポート４２からの光の一部は、結合光学素子４０により入出力ポート４１に導かれる。この光は、案内光学素子２０の出力ポート２２へ伝播し、検出器ポート２３へ導かれる。ＣＣＷ検出器１１は、ＣＣＷ共振検出のために、ポート２３からの光を受け取る。
【００２７】
案内光学素子２０、３０および結合光学素子４０、５０は実質的に類似している（すなわち、互いに鏡像関係にある）。従って、共振器１０の構成は、実質的にＣＷ方向およびＣＣＷ方向に対称である。ＣＷおよびＣＣＷの光は、共振器１０内で正確に同一の光学路（ただし逆方向）に沿って進む。ＣＷ光学路およびＣＣＷ光学路のこの高レベルの対称性および互換性は、ＣＷおよびＣＣＷの両方における光伝播を共通にすることにより、位相遅れおよびバイアス誤差を生じさせるビーム経路の非対称性を相殺し、それによりジャイロのバイアス安定性を改良する。
【００２８】
図５は、結合光学素子４０の例示的な実施形態を示している。結合光学素子４０は、ビーム分割ミラー１０４を含み、これはポート１０１からの入力光の一部（典型的には１〜２０％）をポート１０２へ反射し、ポート１０２からの光の一部をポート１０１へ反射する。ミラー１０４は、ポート１０３から伝播する光の一部（典型的には８０〜９９％）をポート１０２へ透過させ、ポート１０２からの光の一部をポート１０３へ透過させる。偏光子１０５をミラー１０４とポート１０２との間に配置することができ、望まない偏光モードを低減／除去することができる。この装置において、ポート１０１およびポート１０２は、ファイバーアダプタを含むことができる。ポート１０３は、光ビームを自由空間を通過させるための光学開口を含むことができる。
【００２９】
図６は代替実施形態のＲＦＯＧ３００を示している。ＲＦＯＧ３００は、相対強度ノイズ（ＲＩＮ）検出器１２および１４を含み、案内光学素子１２０および１３０は実質的に案内光学素子２０および３０に実質的に類似しているが、追加のＲＩＮ監視ポート１２４および１３４を備える。ポート１２１、１３１、１２２、１３２、１２３、１３３は、入力ポート２１および３１、出力ポート２２および３２、および検出器ポート２３および３３と実質的に同一の導光機能を備える。これらの上述の機能に加え、ポート１２１および１３１に入る入力光の一部は、ＲＩＮ監視ポート１２４および１３４に導かれる。ＲＩＮ検出器１２および１４は、入力ビームの強度ノイズの測定のために、ＲＩＮ監視ポート１２４および１３４からの光を受け取る。これらのＲＩＮ信号は、入力光の強度ノイズ、望まない強度または振幅変調を低減するために、典型的なＲＩＮサーボ電子機器システムに信号フィードバックを提供する。ＲＩＮ監視ポート１２４を案内光学素子１２０および１３０に統合することは、ジャイロの光学素子の総数を減少させる。より少ない光学素子を用いることは、パッケージの負担を減らす。さらに、ＲＩＮ監視点が共振器１０に近接して配置されるので、少ない強度ノイズのよりクリーンな入力光ビームが期待される。
【００３０】
図６に示される結合装置６０は、結合光学素子４０および５０の変形例である。結合装置６０は、結合光学素子４０および５０の機能を１つの装置に組み合わせており、そのため、ジャイロをより小型にし、パッケージしやすくする。一般的に、結合装置６０は４つのポートを含み、具体的には、ＣＷ入力ポート６１、ＣＣＷ入力ポート６４、ループポート６２、およびもう一つのループポート６４を含む。ＣＷ入力ポート６１に導かれる光の一部（典型的には１〜２０％）は、ループポート６２へ導かれ（ただしループポート６４への直接的な進入は防止される）、ファイバーループ８０内をＣＷ方向に伝播する。ファイバーループ８０を端部８２のところで出るＣＷ光は、ループポート６４へ導かれる。ＣＷ光の実質的な部分（典型的には８０〜９９％）は、ループポート６２に導かれて、共振器１０内をＣＷ方向に循環する。共振器１０の内部を循環するＣＷ光の一部（典型的には１〜２０％）は、ループポート６４からＣＣＷ入力ポート５３へ伝播することで共振器１０の外へ導かれる。この光はその後、案内光学素子１３０の検出器ポート１３３を通って、ＣＷ共振信号検出のためにＣＷ検出器１３に導かれる。
【００３１】
ＣＣＷ入力ポート６３に導かれる光の一部（典型的には１〜２０％）は、ループポート６４に導かれ、ファイバーループ８０内でＣＣＷ方向に伝播する。ファイバーループを端部８１のところで出るＣＣＷ光は、ループポート６２に導かれる。この光の実質的な部分（典型的には８０〜９９％）は、ループポート６４へ導かれ、共振器１０内をＣＣＷ方向に循環する。共振器１０内を循環するＣＣＷ光の一部（典型的には１〜２０％）は、ループポート６２からＣＷ入力ポート６１へ伝播することにより共振器１０外に導かれる。ＣＷ入力光６１から、この光は、ＣＣＷ共振信号検出のために、案内光学素子１２０の検出器ポート１２３を通ってＣＣＷ検出器１１に導かれる。
【００３２】
図７は、案内光学素子４００の例示的な実施形態であり、案内光学素子１２０のように用いることができる。案内光学素子４００は、部分反射ミラー４０５を含み、これは、ＲＩＮ監視のためにポート４０１からの入力光の一部をポート４０４へ透過させる。入力光の実質的な部分は（ここでは一般性を失うことなく水平方向に偏光していることを想定している）、ミラー４０５で反射させて、偏光ビームスプリッタ４０６を通過する。偏光ビームスプリッタ４０６は水平偏光光を透過し、垂直偏光光を反射する。ファラデー回転子４０７は、入力光を４５°回転させる。後続の半波プレート４０８は、入力光の偏光状態を水平面に戻すように変化させ、偏光子４０９を通過できるようにする。偏光子４０９の偏光通過軸は、水平方向に向けられる。反対方向において、ポート４０２内に導かれる水平偏光光は、有意な損失なしに偏光子４０９を通過する。半波プレート４０８は、ビームの偏光状態を水平面に対して４５°回転させる。ファラデー回転子４０７は、不可逆装置であり、反対に伝播する光の偏光を垂直面に回転させる。ビームスプリッタ４０６は、垂直偏光光の大部分を検出器ポート４０３へ反射する。ビームスプリッタ４０６、回転子４０７、プレート４０８、および偏光子４０９は、典型的な循環装置の例示的な実施形態である。他の実施形態も可能であり、マイクロ光学素子を用いてミラー４０５（ＲＩＮ信号タップのため）を循環器に統合することができる（入力ビームから反対に伝播するビームを分離するため）。ポート４０１、４０２、４０３、４０４は、ファイバーでもよいし、または自由空間結合ポートでもよい。
【００３３】
図８は、例示的な実施形態である結合素子５００を示しており、これは図６の結合装置６０のように用いることができる。結合装置５００は、部分反射ミラー５０５および５０７を含み、ポート５０１および５０３に導かれる入力光をポート５０２および５０４へ反射し、反対に、ポート５０２および５０４に導かれる光をポート５０１および５０３に反射する。ミラー５０５および５０７は、ポート５０２からの光の実質的な部分（典型的には８０〜９９％）をポート５０２からポート５０４へ透過させ、反対に、ポート５０４からの光をポート５０２に透過させる。光ビームの偏光状態を制御するために、偏光子５０６および５０７を、ミラー５０５とポート５０２との間、およびミラー５０７とポート５０４との間に挿入することができる。結合装置５００は、４ポート結合装置の機能を実現するマイクロ光学素子を使う基本的アイディアを強調した例示的な実施形態であることに注意されたい。
【００３４】
図９は、他の実施形態である結合装置６００を示している。この実施形態において、入力ポート６０１および６０３（図８のポート５０１および５０３に類似する）は、パッケージしやすさのために、ループポート６０２および６０４と同じ側面に配置される。部分反射ミラー６０５および６０７に加えて、入力ポート６０１および６０３からのビームをループポート６０２および６０４へ導くために、案内ミラー６０９および６０１が用いられる。
【００３５】
装置５００および６００は、自由空間光学系がコイルを通って循環する光ビームが一直線上になるように配置されるように有利に構成される。このようにすることで、光学素子５０５、５０６、５０７、５０８、および６０５、６０６、６０７、６０８は、決定的になりにくい。これらの光学系のミスアライメントによる環境変動に対する共振器の感度は、低減され得る。さらに、素子５０２、５０４、６０２および６０４を備えるこれらの装置は、ミニチュア基板上のファイバーをＶ溝に取り付けるような技術を用いて自己整合でき、製造コストを有意に低減できる。
【００３６】
図１０は、本発明による他のＲＦＧＯシステム７００を示している。ＲＦＯＧシステム７００は、案内光学素子２００、結合光学素子７０、およびファイバーループ８０を含む。この実施形態において、案内光学素子２００は、８ポート装置であり、案内光学素子１２０、１３０の機能を単一の装置に組み合わせたものである。ポート２２１、２２２、２２３、２２４、２３１、２３２、２３３、および２３４は、それぞれポート１２１、１２２、１２３、１２４、１３１、１３２．１３３、および１３４に対応する。これらの案内機能は実質的に同じである。ＣＷおよびＣＣＷ案内光学素子を統合する主要な効果は、より小型の設計、パッケージ内の部品数の低減、およびＣＷおよびＣＣＷ伝播ビームの対称性のレベルの増加である。
【００３７】
ＲＦＯＧシステム７００は結合光学素子７０を含み、これは、結合装置６０と実質的に同一の機能を備える。部分反射ミラー７５および７７は、ポート７１および７３内に導かれる光の一部を、ループポート７２および７４へ透過させる。ループポート７２および７４に導かれた光の実質的な部分（典型的には８０〜９９％）は、部分反射ミラー７５および７７により、また部分反射ミラー７７および７５により連続的に反射されて、ループポート７４および７２に至る。循環するＣＷ（ＣＣＷ）光の一部（典型的には１〜２０％）は、部分反射ミラー７７および７５を通ってポート７３および７１へ透過することにより、共振器１０外へ導かれる。偏光を制御するために、偏光子７６がＣＷ光およびＣＣＷ光で共有される。結合光学素子７０内で素子を共有することは、部品数が減り、製造コストを低減し、共振器１０の対称性がよくなるので有利である。
【００３８】
図１０の実施形態は、図４および図６の実施形態の変形例である。
図１１は、８ポート装置８００の一例を示しており、これは８ポート装置２００のように用いることができる。この実施形態は、個別の部品数を減らすために、ＣＷ案内光学素子およびＣＣＷ案内光学素子で同一の光学素子を共有する可能性を示している。８ポート装置８００は、部分反射ミラー８４１および８４２を含み、これは、ポート８２１および８３１内に導かれた入力光の一部をＲＩＮ監視ポート８２４および８３４に透過させる。入力光の実質的な部分は（一般性を失うことなく水平偏光であると想定する）、部分反射ミラー８４１および８４２に反射されて、偏光ビームスプリッタ８４３および８４４に至る。偏光ビームスプリッタ８４３および８４４は、水平偏光光を透過させるが、垂直偏光光を反射させる。ファラデー回転子８４５は、入力光を約４５°回転させる。半波プレート８４６は、入力光の偏光状態を水平面に戻し、偏光軸が水平方向に沿って配置される偏光子８４７を通過できるようにする。その後、光はポート８２２および８３２から出る。反対方向への光の伝播（すなわち、ポート８２２および８３２からポート８２３および８３３への伝播）は、図７で上述したのと同様である。ファラデー回転子、半波プレート、および偏光子８４５、８４６、８４７は、この設計においてＣＷおよびＣＣＷのビームで共通であることに注意されたい。素子を少なくすることで、空間を節約し、また装置のコストを低減させる。また、素子を減らすことは、ＣＷビームおよびＣＣＷビームにおいて同一の光学素子を共有することは装置の対称性を向上させ、バイアス誤差を効果的に相殺するので、性能の点からも有利である。
【００３９】
図１２は、本発明による他の実施形態のＲＦＯＧシステム９００である。ＲＦＯＧシステム９００は、８ポート装置３００を含み、これは、前述の実施形態の案内光学素子と結合光学素子の機能を組み合わせたものである。より具体的には、ポート３２１および３３１に導かれる入力光の実質的部分は、ループポート３２２および３３２に導かれ、光の一部は、ＲＩＮ監視ポート３２４および３３４へ導かれる。ファイバーループ８０内をＣＷ方向／ＣＣＷ方向に循環する光の一部は、偏光子３０８および３０６、ビーム案内素子３０７および３０６、およびビーム分割装置３１２および３１１を通って共振器１０外へ導かれ、検出器ポート３３３および３２３に至る。ビーム分割装置３１１および３１２は、共振器１０から共振器１０外に導かれた光の実質的な部分を分離する。ビーム分割装置３１１および３１２は、入力ビームおよび出力ビームの両方にとって低損失であるようにされることが好ましく、これはファラデー回転子のような不可逆偏光回転装置を必要とし得る。偏光子３０６および３０８は、共振器１０内を循環する光の望まない変更モードを低減するために用いられる。より少ない素子の使用はコストを低減するので、ＣＷビームおよびＣＣＷビームで光学素子を共有することが好ましい。また、光学素子を共通することは、高レベルのＲＦＯＧの対称性に寄与し、これは性能を高める。
【００４０】
上述の共振器構成は透過モードに関して対称性があり、および／または共振器空洞内で、２つの結合素子だけを用いる（ミラー、部分反射器、または部分透過且つ部分透過装置）。共振器は、光波の伝播方向が反対であるが、ＣＷ光およびＣＣＷ光の光学通路が実質的に同一であるので、対称性を備える。対称性の共振器構造は、回転速度に誤差となって現れるバイアス誤差を相殺しやすくし、ジャイロバイアスの不安定性を減少させる。また、対称性構造により、共振器キャビティ光学系が互いに直線上に並ぶようになり、これは、共振器内のアライメントの困難性を低減し、環境変動への感度を低下させる。さらに、対称性の構造は、ジャイロの性能および製造しやすさを向上させ、さらに、部品数を低減させて、コストを低減させ、また、装置の形状因子（たとえばサイズ）を低減させる。
【００４１】
本発明の好ましい実施形態が図示および説明されたが、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく様々な変更が可能である。案内光学素子および結合光学素子は、新しい実施形態を構成するために、上述の実施形態間で交換可能であると考えられる。たとえば、８ポート案内光学素子２００を結合光学素子６０に用いることができる。結合光学素子７０を案内光学素子１２０および１３０に用いることで、他の実施形態を構成することができる。他の実施形態として、案内光学素子２０および３０を結合装置６０に用いることができ、または結合光学素子４０および５０を案内光学素子１２０および１３０に用いることもできる。また、２つの光源を用いることもでき、各光源は少なくとも１つの光ビームを発する。従って、本発明の範囲は、好ましい実施形態の開示に限定されない。本発明は、添付の特許請求の範囲により決定される。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リング共振器センサ（１００、３００、７００、９００）であって、前記リング共振器センサは、
第１検出器（１１）および第２検出器（１３）と、
リング共振器（１０）と、を有し、
前記リング共振器（１０）は、第１端部（８１）および第２端部（８２）を備えるコイル（８０）と、前記コイルに光学的に相互作用する装置と、を有し、
前記装置は、第１素子（４０）と、
第２素子（５０）と、を有し、
前記装置は、光源（８）からの光を受け取り、且つ、前記コイル（８０）の前記各端部からの光を受け取るように構成され、
前記第１素子（４０）は、前記光源（８）から受け取る光の少なくとも一部を前記コイル（８０）の前記第１端部（８１）に導き、光を前記コイル（８０）内を通って第１方向に伝播させるように構成され、
前記第２素子（５０）は、前記光源（８）から受け取る光の少なくとも一部を前記コイル（８０）の前記第２端部（８２）へ導き、光を前記コイル（８０）内を通って第２方向に伝播させるように構成され、
前記第１素子（４０）は、前記コイルの前記第１端部（８１）から受け取る光の少なくとも一部を前記第２素子（５０）へ導き、前記第２素子（５０）から受け取る光の少なくとも一部を前記コイルの前記第１端部（８１）に導き、また、前記コイルの前記第１端部から受け取る光の少なくとも一部を前記第１検出機（１１）へ導く、ように構成され、
前記第２素子（５０）は、前記コイルの前記第２端部（８２）から受け取る光の少なくとも一部を前記第１素子（４０）へ導き、前記第１素子（４０）から受け取る光の少なくとも一部を前記コイルの前記第２端部（８２）に導き、また、前記コイルの前記第２端部から受け取る光の少なくとも一部を前記第２検出器（１３）へ導く、ように構成される、リング共振器センサ。
【請求項２】
請求項１に記載のリング共振器センサ（１００、３００、７００、９００）であって、前記装置はさらに、第３素子（２０）および第４素子（３０）を有し、前記第３素子（２０）は、前記第１素子（４０）から受け取る光を前記第１検出器（１１）に導き、前記光源（８）からの光を前記第１素子（４０）に導き、前記光源（８）から受け取る光が前記第１検出器（１１）に入るのを防止するように構成され、前記第４素子（３０）は、前記第２素子（５０）から受け取る光を前記第２検出器（１３）に導き、前記光源（８）からの光を前記第２素子（５０）へ導き、前記光源（８）から受け取る光が前記第２検出器（１３）に入るのを防止する、ように構成される、リング共振器センサ。
【請求項３】
請求項２記載のリング共振器センサ（１００、３００、７００、９００）であって、前記第１素子（４０）および前記第２素子（５０）は、単一のマイクロ光学装置（６０）内に統合される、リング共振器センサ。
【請求項１】
リング共振器センサ（１００、３００、７００、９００）であって、前記リング共振器センサは、
第１検出器（１１）および第２検出器（１３）と、
リング共振器（１０）と、を有し、
前記リング共振器（１０）は、第１端部（８１）および第２端部（８２）を備えるコイル（８０）と、前記コイルに光学的に相互作用する装置と、を有し、
前記装置は、第１素子（４０）と、
第２素子（５０）と、を有し、
前記装置は、光源（８）からの光を受け取り、且つ、前記コイル（８０）の前記各端部からの光を受け取るように構成され、
前記第１素子（４０）は、前記光源（８）から受け取る光の少なくとも一部を前記コイル（８０）の前記第１端部（８１）に導き、光を前記コイル（８０）内を通って第１方向に伝播させるように構成され、
前記第２素子（５０）は、前記光源（８）から受け取る光の少なくとも一部を前記コイル（８０）の前記第２端部（８２）へ導き、光を前記コイル（８０）内を通って第２方向に伝播させるように構成され、
前記第１素子（４０）は、前記コイルの前記第１端部（８１）から受け取る光の少なくとも一部を前記第２素子（５０）へ導き、前記第２素子（５０）から受け取る光の少なくとも一部を前記コイルの前記第１端部（８１）に導き、また、前記コイルの前記第１端部から受け取る光の少なくとも一部を前記第１検出機（１１）へ導く、ように構成され、
前記第２素子（５０）は、前記コイルの前記第２端部（８２）から受け取る光の少なくとも一部を前記第１素子（４０）へ導き、前記第１素子（４０）から受け取る光の少なくとも一部を前記コイルの前記第２端部（８２）に導き、また、前記コイルの前記第２端部から受け取る光の少なくとも一部を前記第２検出器（１３）へ導く、ように構成される、リング共振器センサ。
【請求項２】
請求項１に記載のリング共振器センサ（１００、３００、７００、９００）であって、前記装置はさらに、第３素子（２０）および第４素子（３０）を有し、前記第３素子（２０）は、前記第１素子（４０）から受け取る光を前記第１検出器（１１）に導き、前記光源（８）からの光を前記第１素子（４０）に導き、前記光源（８）から受け取る光が前記第１検出器（１１）に入るのを防止するように構成され、前記第４素子（３０）は、前記第２素子（５０）から受け取る光を前記第２検出器（１３）に導き、前記光源（８）からの光を前記第２素子（５０）へ導き、前記光源（８）から受け取る光が前記第２検出器（１３）に入るのを防止する、ように構成される、リング共振器センサ。
【請求項３】
請求項２記載のリング共振器センサ（１００、３００、７００、９００）であって、前記第１素子（４０）および前記第２素子（５０）は、単一のマイクロ光学装置（６０）内に統合される、リング共振器センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１０−２７１３０８（Ｐ２０１０−２７１３０８Ａ）
【公開日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１０−１０８１６７（Ｐ２０１０−１０８１６７）
【出願日】平成２２年５月１０日（２０１０．５．１０）
【出願人】（５００５７５８２４）ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド (1,504)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１０８１６７（Ｐ２０１０−１０８１６７）
【出願日】平成２２年５月１０日（２０１０．５．１０）
【出願人】（５００５７５８２４）ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド (1,504)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]