後方反射による回転速度の不安定性を低減した共振器光ファイバージャイロスコープ
【課題】後方反射による回転速度の不安定性を低減した共振器光ファイバージャイロスコープを提供する。
【解決手段】共振器光学リングキャビティー１０２と、リングキャビティー１０２内に時計回り光学信号を生成するように構成される第１の光源１０４と、反時計回り光学信号を生成するように構成される第２の光源１０８とを備える。また、第１の光源１０４及びリングキャビティー１０２と光学的に結合する第１の光学構成要素１４０は、時計回り光学信号が第１の光源１０４に後方反射されるのを防ぐように構成される。また第２の光源１０８及びリングキャビティー１０２と光学的に結合する第２の光学構成要素１４４は、反時計回り光信号が第２の光源１０８に後方反射されるのを防ぐように構成される。さらに、第１の光学検出器１２４及び第２の光学検出器１２６がリングキャビティー１０２に光学的に結合される。
【解決手段】共振器光学リングキャビティー１０２と、リングキャビティー１０２内に時計回り光学信号を生成するように構成される第１の光源１０４と、反時計回り光学信号を生成するように構成される第２の光源１０８とを備える。また、第１の光源１０４及びリングキャビティー１０２と光学的に結合する第１の光学構成要素１４０は、時計回り光学信号が第１の光源１０４に後方反射されるのを防ぐように構成される。また第２の光源１０８及びリングキャビティー１０２と光学的に結合する第２の光学構成要素１４４は、反時計回り光信号が第２の光源１０８に後方反射されるのを防ぐように構成される。さらに、第１の光学検出器１２４及び第２の光学検出器１２６がリングキャビティー１０２に光学的に結合される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、後方反射による回転速度の不安定性を低減した共振器光ファイバージャイロスコープに関する。
［連邦政府による資金提供を受けた研究開発に関する記述］
本発明は、空軍研究所（ＡＦＲＬ）によって与えられた契約番号第ＦＡ９４５３−０８−Ｃ−０２６３号に基づいて、政府の支援を受けて行なわれた。政府は本発明に関して一定の権利を有する。
【背景技術】
【０００２】
共振器光ファイバージャイロスコープ（ＲＦＯＧ）は、２つの反対の伝搬方向（本明細書において、時計回り（ＣＷ）方向及び反時計回り（ＣＣＷ）方向と呼ばれる）において、ＲＦＯＧリングキャビティーの回転によって引き起こされる共振周波数差を測定することによって回転速度を検知する検知装置である。リングキャビティー共振周波数差を測定するために、別々のチューナブルレーザーからの単色光波が、通常、位相変調され、その後、ＣＷ方向及びＣＣＷ方向において、ＲＦＯＧリングキャビティー内に結合される。循環する光波のごく一部がリングキャビティーの外部に結合され、光検出器に向けられ、光電流（又は電圧）信号が生成される。対応する位相変調周波数において光検出器信号を復調することによって、ＣＷ方向及びＣＣＷ方向の共振周波数差を検出するための判別信号が生成される。
【０００３】
理想的には、ＣＷ及びＣＣＷ伝搬光波は別々の検出器（本明細書において、それぞれＣＷ検出器及びＣＣＷ検出器と呼ばれる）によって受信され、交差結合は起こらない、すなわち、ＣＷ（ＣＣＷ）光波はＣＣＷ（ＣＷ）検出器によって受信されない。しかしながら、実際の状況では、リングキャビティー内には不完全な光学表面があり、それらの表面は光波を反対の伝搬方向にわずかに反射する場合があり、それによりＣＷ（ＣＣＷ）ビームのごく一部がＣＣＷ（ＣＷ）光検出器によって受信される。この後方反射は、１回（又は奇数回）の反射を通して、間違った検出器上に光波を向けることによって特徴付けられるので、多くの場合に「単一後方反射」タイプと分類される。ＣＷ及びＣＣＷ共振検出に対して異なる位相変調周波数を用いることは、誤った反射信号を分離する有効な方法である。
【０００４】
ＣＷ及びＣＣＷ光波が概ね同じ光学周波数を有する場合に、干渉ビート信号がジャイロ帯域幅に入り、それにより信号変動を引き起こし、ジャイロ性能を著しく劣化させる可能性がある。この問題を解決するために、ＣＷ方向及びＣＣＷ方向において、複数のレーザービームを、その周波数が整数個の共振器自由スペクトル領域（ＦＳＲ）の分だけ離れるようにして使用する方式が以前に提案されている。自由スペクトル領域は、隣接する共振周波数間の周波数分離であり、通常、数ＭＨｚ〜数百ＭＨｚである。ビート雑音周波数は高い周波数範囲にあるので、そのような周波数は、ローパス電子フィルターによって除去することができる。
【０００５】
「二重後方反射」（又は単に「二重反射」）と呼ばれる別のタイプの反射もあり、その反射が回転速度測定の安定性（回転速度安定性とも呼ばれる）に及ぼす影響は、上記の方法によって容易に除去することはできない。二重反射によって、光波は、光学経路内の２回（又は偶数回）の反射によって生成される、その光波自体の反射部分と干渉する。このタイプの後方反射の場合、干渉する光波は同じ光周波数及び同じ位相変調を有する同じレーザーから生じる。干渉する光波は、復調過程において、主信号ビームから容易に分離することはできない。誤った光波は、第１の反射点を通って反対の伝搬方向に変更され、その後、第２の反射点によって元の方向に戻され、主ビーム異なる光学経路を通って伝搬する。環境によって引き起こされる経路長変動によって、２つの干渉するビーム間の相対的な位相変化が生じ、結果として、ジャイロスコープの回転速度が不安定になる。これは、ＲＦＯＧ性能を劣化させる大きな要因となる可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
後方反射による回転速度の不安定性を低減した共振器光ファイバージャイロスコープを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、回転速度誤差の不安定性を低減する共振器光ファイバージャイロスコープ（ＲＦＯＧ）に関する。１つの実施の形態では、ＲＦＯＧは、共振器光学リングキャビティーと、リングキャビティーと光学的に通信し、リングキャビティーに送信される時計回り光学信号を生成するように構成される第１の光源と、リングキャビティーと光学的に通信し、リングキャビティーに送信される反時計回り光学信号を生成するように構成される第２の光源とを備える。また、ＲＦＯＧは、第１の光源及びリングキャビティーと光学的に通信する第１の光学構成要素も含む。第１の光学構成要素は、時計回り光学信号が第１の光源に後方反射されるのを防ぐように構成される。第２の光学構成要素が、第２の光源及びリングキャビティーと光学的に通信する。第２の光学構成要素は、反時計回り光信号が第２の光源に後方反射されるのを防ぐように構成される。さらに、第１の光学検出器及び第２の光学検出器がリングキャビティーに光学的に結合される。
【０００８】
図面は本発明の代表的な実施形態のみを示しており、範囲を制限するものと見なされるべきではない。これらの実施形態は、参照される図面を用いて、以下の説明においてさらに具体的に、かつ詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】一実施形態による共振器光ファイバージャイロスコープ（ＲＦＯＧ）のブロック図である。
【図２】別の実施形態によるＲＦＯＧのブロック図である。
【図３】代替の実施形態によるＲＦＯＧのブロック図である。
【図４】さらに別の実施形態によるＲＦＯＧのブロック図である。
【図５Ａ】ＲＦＯＧのための、自由スペクトル領域単位におけるキャビティー共振周波数からのレーザー周波数偏移の関数としての例示的な復調主信号のグラフである。
【図５Ｂ】ＲＦＯＧ内の二重反射によって引き起こされる不安定性を示す、３つの異なる相対位相のうちの１つにおける例示的な誤差信号のグラフである。
【図５Ｃ】ＲＦＯＧ内の二重反射によって引き起こされる不安定性を示す、３つの異なる相対位相のうちの１つにおける例示的な誤差信号のグラフである。
【図５Ｄ】ＲＦＯＧ内の二重反射によって引き起こされる不安定性を示す、３つの異なる相対位相のうちの１つにおける例示的な誤差信号のグラフである。
【図６Ａ】ＲＦＯＧ内の主信号と反射誤差信号との間の相対位相の変化の関数として個々の時計回り（ＣＷ）及び反時計回り（ＣＣＷ）回転速度変動をプロットするグラフである。
【図６Ｂ】図６ＡにおけるＣＷ信号及びＣＣＷ信号を減算した後のＣＷ及びＣＣＷ回転速度差をプロットするグラフである。
【図７Ａ】ＲＦＯＧ内のＣＣＷ位相変調周波数とＣＷ位相変調周波数との比の関数としてのピーク・ツー・ピーク正味回転速度変動の依存性を示すグラフである。
【図７Ｂ】ＲＦＯＧ内のＣＣＷ位相変調振幅とＣＷ位相変調振幅との比の関数としてのピーク・ツー・ピーク正味回転速度変動の依存性を示すグラフである。
【図８】ＲＦＯＧにおいてＣＷ及びＣＣＷ変調周波数が潜在的に異なるときに変調振幅を調整することによって回転速度誤差を相殺するためのシミュレーション結果のグラフである。
【図９】ＲＦＯＧ内のＣＣＷレーザー線幅とＣＷレーザー線幅との比の関数としての回転速度誤差の依存性を示すグラフである。
【図１０】ＲＦＯＧ内の二重反射によって引き起こされる回転速度誤差を相殺するための例示的な方法の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下の詳細な説明では、当業者が本発明を実施できるほど十分に詳しく実施形態が説明される。本発明の範囲から逸脱することなく、他の実施形態を利用してもよいことは理解されたい。それゆえ、以下の詳細な説明は、限定する意味に解釈されるべきではない。
【００１１】
本発明は、後方反射によって共振器光ファイバージャイロスコープ（ＲＦＯＧ）内の回転速度の不安定性を低減するための装置及び方法に関する。その装置及び方法は、ハイエンド応用のためにＲＦＯＧ性能を改善するために、回転速度誤差を軽減する。
【００１２】
要求される性能レベルを達成する際の従来のＲＦＯＧの１つの問題は、共振リング内の二重後方散乱又は二重後方反射であり、それによって回転検知に回転速度誤差が生じる。この誤差の原因は、主光ビームと、異なる光学経路を有する主光ビーム自体の二重反射部分との干渉に由来する。環境が不安定であることに起因する光学経路の任意の変動によって、干渉信号が変化し、それにより回転速度誤差が不安定になる。
【００１３】
後方反射に起因した回転速度の不安定性の低減は、２つの方法を用いて成し遂げることができる。第１の方法では、時計回り（ＣＷ）及び反時計回り（ＣＣＷ）信号の回転速度誤差相殺効果は、できる限り同一に近い特性を有するＣＷ光波及びＣＣＷ光波を用いることによって改善される。これらの特性は、位相変調周波数、変調振幅、線幅、信号復調位相等を含むことができる。第２の方法は、回転速度が０後方反射に対応する値を中心にして振動するように、ＣＣＷ光波に対してＣＷ光波の上記の特性のうちの１つを変調する（逆の場合も同じ）。振動する回転速度誤差を平均することによって、ＲＦＯＧリングキャビティー内の反射に起因した不安定性を低減又は解消することができる。
【００１４】
第１の方法を実施するために、ＣＷ及びＣＣＷ光波に対して極めて対称な構成を有するＲＦＯＧが利用され、後方反射によって引き起こされる回転速度誤差を実効的に相殺する。ＣＷ及びＣＣＷ光波のために用いられるレーザービームは、線幅、電力等の同一に近い光学的特性を有し、概ね同じ変調振幅及び変調周波数を有する同じ種類の変調器を用いて変調される（ただし、ＣＷ信号とＣＣＷ信号との間のクロストークを低減するために、わずかな差が必要とされる場合もある）。さらに、ＣＷ及びＣＣＷ検出器信号は概ね同じ位相において復調される。このようにして、ＣＷ及びＣＣＷの回転速度誤差を実効的に相殺し、数桁だけ低減することができる。
【００１５】
第２の方法を実施するために、レーザー特性のうちの１つが、他方の特性に対して変調される。たとえば、一定のＣＣＷ位相変調振幅に対してＣＷ光の位相変調振幅を低速で小さく正弦波変調することによって（逆の場合も同じ）、正弦波回転速度誤差変動が生成されることになる。その変動の平均値は、０の後方反射回転速度誤差に対応し、信号を平均した後に得ることができる。位相変調周波数又は復調位相のような他のパラメーターの変調も利用することができる。
【００１６】
本発明の方法及び装置は、後方反射によって引き起こされる回転速度誤差を大きく減少させる。後方反射によって引き起こされる回転速度誤差及び回転速度誤差相殺効果のレベルを定量化する理論的モデルがこれ以降に説明される。
【００１７】
本発明の方法及びシステムに関するさらに細かい事柄は、図面を参照しながらこれ以降に説明される。用語「光波」、「レーザービーム」、「光ビーム」、「光」及び「光学信号」は本明細書において交換可能に用いられることは理解されたい。
【００１８】
図１は、一実施形態による共振器光ファイバージャイロスコープ（ＲＦＯＧ）１００を示す。ＲＦＯＧ１００は、一般的に、共振器光学リングキャビティー１０２を含み、それは、回転が検知される軸を中心にして、コアの周囲に巻かれた光ファイバーコイルとすることができる。レーザーのような第１の光源１０４がリングキャビティー１０２と光学的に通信し、リングキャビティー１０２に送信される時計回り（ＣＷ）光学信号１０６を生成するように構成される。レーザーのような第２の光源１０８もリングキャビティー１０２と光学的に通信し、リングキャビティー１０２に送信される反時計回り（ＣＣＷ）光学信号を生成するように構成される。
【００１９】
ＲＦＯＧ１００は、光源１０４とリングキャビティー１０２との間の光学経路に沿って配置される第１の光学位相変調器１１２も含み、位相変調器１１２は光源１０４からのＣＷ光学信号を変調するように構成される。第２の光学位相変調器１１４が光源１０８とリングキャビティー１０２との間の光学経路に沿って配置され、位相変調器１１４は光源１０８からのＣＣＷ光学信号を変調するように構成される。
【００２０】
第１の入力結合器１１６が、光源１０４からのＣＷ光学信号をリングキャビティー１０２内に結合するように構成され、第２の入力結合器１１８が、光源１０８からのＣＣＷ光学信号をリングキャビティー１０２内に結合するように構成される。第１の出力結合器１２０が、リングキャビティー１０２からのＣＷ光学信号を第１の光学検出器１２４に結合するように構成され、第２の出力結合器１２２が、リングキャビティー１０２からのＣＣＷ光学信号を第２の光学検出器１２６に結合するように構成される。光学検出器１２４、１２６は、光検出器／プリアンプとすることができ、光学信号を電圧信号に変換する。
【００２１】
エレクトロニクスデバイス１２８が、光学検出器１２４からの出力電圧信号を復調し、エレクトロニクスデバイス１３０が、光学検出器１２６からの出力電圧信号を復調する。エレクトロニクスデバイス１２８は、光源１０４の周波数をリングキャビティー１０２のＣＷ共振にロックさせるために、光源１０４へのフィードバックを与える。同様に、エレクトロニクスデバイス１３０は、光源１０８の周波数をリングキャビティー１０２のＣＣＷ共振にロックさせるために、光源１０８へのフィードバックを与える。
【００２２】
正弦波発生器１３２が、位相変調器１１２に変調電圧を与え、信号を復調するためにエレクトロニクスデバイス１２８に基準信号を与える。同様に、正弦波発生器１３４が、位相変調器１１４に変調電圧を与え、信号を復調するためにエレクトロニクスデバイス１３０に基準周波数を与える。エレクトロニクスデバイス１２８、１３０からの出力信号は、中央制御ユニット（図示せず）によって処理され、回転速度を測定できるように、ＣＷ及びＣＣＷ共振周波数差をそれぞれ求めることができる。
【００２３】
第１の光学構成要素１４０が光源１０４及びリングキャビティー１０２と光学的に通信する。光学構成要素１４０は、ＣＷ光学信号が光源１０４に後方反射されるのを防ぐように構成される。第２の光学構成要素１４４が光源１０８及びリングキャビティー１０２と光学的に通信する。光学構成要素１４４は、ＣＣＷ光学信号が光源１０８に後方反射されるのを防ぐように構成される。光学構成要素１４０、１４４は光学アイソレーターとすることができ、それにより、光を一方向にだけ送信することが可能になり、光が後方反射するのを防ぐ。
【００２４】
第３の光学構成要素１４２が出力結合器１２０と光学検出器１２４との間に配置される。第３の光学構成要素１４２は、ＣＷ光学信号がリングキャビティー１０２に後方反射されるのを防ぐように構成される。第４の光学構成要素１４６が出力結合器１２２と光学検出器１２６との間に配置される。光学構成要素１４６は、ＣＣＷ光学信号がリングキャビティー１０２に後方反射されるのを防ぐように構成される。光学構成要素１４２、１４６も光学アイソレーターとすることができる。
【００２５】
後方反射によって引き起こされる回転速度誤差を分類し、特徴付けるために、いくつかの起こり得る後方反射位置が、図１において、白抜きの、又は塗潰された小さな丸と共に曲がった矢印によって示される。曲がった矢印は、後方反射の方向を指示する。白抜きの丸を有する矢印（たとえば、４１、５１及び６１）は、最初に受けた反射について、ＣＷ光１０６をＣＣＷ方向に反射する点を表示する。塗潰された丸を有する矢印（たとえば、４２、５２及び６２）は、最初に受けた反射について、ＣＣＷ光１１０をＣＷ方向に反射する点を表示する。反射点４１及び４２は、リングキャビティー内に位置する。反射点５１及び５２はそれぞれ、アイソレーター１４４と入力結合器１１８との間の光学入力経路上、及びアイソレーター１４０と入力結合器１１６との間の光学入力経路上に位置する。反射点６１及び６２はそれぞれ、アイソレーター１４２と出力結合器１２０との間の光学出力経路上、及びアイソレーター１４６と出力結合器１２２との間の光学出力経路上に位置する。上記の反射点は、ジャイロスコープ性能を劣化させる可能性がある、ＲＦＯＧ光学経路内で起こり得る反射点の例である。
【００２６】
図１はＲＦＯＧの一実施形態のための全体的な構成を示すが、他の実施形態では、ＣＷ及びＣＣＷ光波をリングキャビティー内に及び／又はリングキャビティー外に入力結合及び／又は出力結合する機能は、少ない数の結合器によって実施することができる。
【００２７】
たとえば、図２は、別の実施形態によるＲＦＯＧ２００を示しており、そのＲＦＯＧは光ファイバーコイルのような共振器光学リングキャビティー２０２を含む、ＲＦＯＧ１００と同様の構成要素を含む。レーザー２０４がＣＷ光波２０６を生成し、レーザー２０８がＣＣＷ光波２１０を生成する。また、ＲＦＯＧ２００は、ＣＷ光波２０６を変調するための光学位相変調器２１２、及びＣＣＷ光波２１０を変調するための光学位相変調器２１４も含む。光学入力結合器２１６が各ＣＷ光波をリングキャビティー２０２に結合するように構成され、光学入力結合器２１８が、各ＣＣＷ光波をリングキャビティー２０２に結合するように構成される。
【００２８】
ＲＦＯＧ２００は、ＣＷ光波及びＣＣＷ光波の両方をリングキャビティー２０２から外部に結合する単一の出力結合器２２０を有する。ＲＦＯＧ２００は、リングキャビティー２０２から各ＣＷ出力光波を受信するための、光検出器のような光学検出器２２４と、リングキャビティー２０２から各ＣＣＷ出力光波を受信するための、光検出器のような光学検出器２２６とをさらに備える。光学検出器２２４は、出力結合器２２０から各ＣＣＷ出力光波を受信する。光学検出器２２６は、出力結合器２２０から各ＣＷ出力光波を受信する。
【００２９】
ＣＷ光の場合に、光学アイソレーター２４０が、光がレーザー２０４に後方反射されるのを防ぎ、光学アイソレーター２４６が、光がリングキャビティー２０２に後方反射されるのを防ぐ。同様に、ＣＣＷ光の場合に、光学アイソレーター２４４が、光がレーザー２０８に後方反射されるのを防ぎ、光学アイソレーター２４２が、光がリングキャビティー２０２に後方反射されるのを防ぐ。また、ＲＦＯＧ２００は、ＲＦＯＧ１００について上記で説明されたような付加的なエレクトロニクスデバイスも備えることができる。
【００３０】
図３は、代替の実施形態によるＲＦＯＧ３００を示しており、そのＲＦＯＧは、光学リングキャビティー３０２を含む、ＲＦＯＧ２００と同様の構成要素を含む。レーザー３０４がＣＷ光波３０６を生成する。レーザー３０８がＣＣＷ光波３１０を生成する。光学位相変調器３１２が、ＣＷ光波３０６を変調するように構成され、光学変調器３１４が、ＣＣＷ光波３１０を変調するように構成される。
【００３１】
ＲＦＯＧ３００は、ＣＷ及びＣＣＷ光の両方をリングキャビティー３０２内に結合する単一の光学入力結合器３１６を有する。光学出力結合器３２０が、リングキャビティー３０２からのＣＷ光波を光学検出器３２４に結合するように構成される。光学出力結合器３２２が、リングキャビティー３０２からのＣＣＷ光波を光学検出器３２６に結合するように構成される。
【００３２】
ＣＷ光の場合に、光学アイソレーター３４０が、光がレーザー３０４に後方反射されるのを防ぎ、光学アイソレーター３４２が、光がリングキャビティー３０２に後方反射されるのを防ぐ。同様に、ＣＣＷ光の場合に、光学アイソレーター３４４が、光がレーザー３０８に後方反射されるのを防ぎ、光学アイソレーター３４６が、光がリングキャビティー３０２に後方反射されるのを防ぐ。また、ＲＦＯＧ３００は、ＲＦＯＧ１００について上記で説明されたような付加的なエレクトロニクスデバイスも備えることができる。
【００３３】
図４は、さらなる実施形態によるＲＦＯＧ４００を示す。ＲＦＯＧ４００は、光学リングキャビティー４０２と、ＣＷ光波４０６を生成するレーザー４０４と、ＣＣＷ光波４１０を生成するレーザー４０８とを備える。光学位相変調器４１２が、ＣＷ光波４０６を変調するように構成され、光学位相変調器４１４が、ＣＣＷ光波４１０を変調するように構成される。
【００３４】
図４に示されるように、光学サーキュレーターのような第１の方向性光学構成要素４１６が、レーザー４０４からのＣＷ光波４０６をリングキャビティー４０２に向けるように構成される。第１の光学結合器４１８が、光学構成要素４１６から受信されたＣＷ光波４０６をリングキャビティー４０２内に結合するように構成される。第２の方向性光学構成要素４２０が、レーザー４０８からのＣＣＷ光波４１０をリングキャビティー４０２に向けるように構成される。第２の光学結合器４２２が、光学構成要素４２０から受信されたＣＣＷ光波４１０をリングキャビティー４０２内に結合するように構成される。
【００３５】
また、光学結合器４１８は、リングキャビティー４０２からのＣＣＷ光波４１０を光学構成要素４１６に結合するように構成され、光学構成要素４１６はさらに、そのＣＣＷ光波を光学検出器４２４に向ける。同じく、光学結合器４２２は、リングキャビティー４０２からのＣＷ光波４０６を光学構成要素４２０に結合するように構成され、光学構成要素４２０はさらに、そのＣＷ光波を光学検出器４２６に向ける。
【００３６】
方向性光学構成要素４１６、４２０が光学サーキュレーターとして実装されるとき、光はサーキュレーターを通って一方向にのみ伝搬する。たとえば、図４に示されるように、光学サーキュレーター（４１６、４２０）によって、光はポート１からポート２に伝搬し、ポート２からポート３に伝搬できるようになる。他の全ての伝搬方向（たとえば、ポート３からポート２、ポート２からポート１及びポート３からポート１）は概ね遮断されるか、又は大きく減衰する。光学サーキュレーターは、光が光学キャビティー又はレーザーに後方反射されるのも防ぐ。
【００３７】
図１に戻ると、ＲＦＯＧ１００について示される反射点は一般的に、一方向のみからの光波（ＣＷ、ＣＣＷのいずれか）を反射するものと仮定される。他の構成では、図２に示されるＲＦＯＧ２００内の点４０のように、単一の反射点が、ＣＷ及びＣＣＷ両方の光波を反射できる場合もある。そのような反射点は、互いに位置が重なり合う２つの反射点と見なすことができる。図１〜図４において示されるような、１つの白抜きの丸の反射点及び１つの塗潰された丸の反射点を含む任意の一対の反射点（又は両方向において光を反射する単一の点）は、二重後方反射タイプの回転速度誤差を引き起こす可能性がある。
【００３８】
二重反射構成例を示すために、図１の点６１及び４２が、二重反射の場合のそのような一対の反射点を形成すると仮定することができる。レーザー１０４から放射される光がＣＷ方向においてリングキャビティー１０２内に結合される。その光はリングキャビティー１０２内で循環し、出力結合器１２０によって外部に結合され、検出器１２４に達する。その光は、第１の後方反射点６１に達し、結合器１２０が双方向性であることから、その光のごく一部がＣＣＷ方向においてリングキャビティー１０２に後方結合される。この反射された光はＣＣＷ方向において循環し、その一部が点４２によってＣＷ方向に後方反射される。この二重反射ビームは、ＣＷ主信号ビーム１０６と共に、リングキャビティー１０２から検出器１２４に結合される。２つのビーム間の干渉によって、ＣＷ共振周波数を検知するための信号に変動が生じる。
【００３９】
同様の解析によって、同じ一対の反射点（たとえば、６１及び４２）によって、ＣＣＷ共振周波数を検知する場合にも信号に変動が生じることがわかっている。ＣＷ及びＣＣＷ方向の正味の共振周波数差の誤差は、二重反射によって引き起こされる絶対回転速度誤差を決定する。個々のＣＷ及びＣＣＷ方向の回転速度誤差は相殺することができ、これによって、ＲＦＯＧ出力から生成される正味の回転速度誤差ははるかに小さくなる。ＣＷ及びＣＣＷ回転速度誤差を実効的に相殺する方法のための理論的解析がこれ以降に説明される。
【００４０】
二重反射の事例を形成することができるいくつかの例示的な構成がある。たとえば、第１の構成では、両方の反射点がリングキャビティー内にある（たとえば、図１における点４１及び４２）。第２の構成では、一方の反射点がリングキャビティー内にあり、他方の点が入力、出力いずれかのビーム経路上にある（たとえば、点５１及び４２、点６１及び４２、点４１及び５２、並びに点４１及び６２）。第３の構成では、両方の反射点がリングキャビティーの外部にある（たとえば、点５１及び５２、点５１及び６２、点６１及び５２、並びに点６１及び６２）。
【００４１】
光学経路内に光学アイソレーター又はサーキュレーターが存在することに起因して、リングキャビティー外部にある反射点は、図１〜図４において示される全ての実施形態において、入力／出力結合器とアイソレーター／サーキュレーターとの間にのみ存在すると仮定される。リングキャビティー外部にある他の点からの反射はアイソレーター又はサーキュレーターによって大きく減衰する。
【００４２】
実際の状況では、複数の反射点が存在し、複数の二重反射構成を形成する。そのような実際の状況の理論的解析は非常に複雑になる可能性がある。以下では、簡単にするために、２つの反射点だけを含む事例が取り扱われ、その解析からの結論を用いて、本発明の実施形態が正当であることを証明する。しかしながら、その方法及び実施形態は、さらに複雑な反射構成の場合にも利用できることは理解されたい。
【００４３】
以下の理論的解析において説明を簡単にするために、アルファベット文字を用いて、図１における光学経路内の位置をラベル付けする。ＣＷ光入力／出力結合点は全て「１」を付され、ＣＣＷ点は「２」を付され、図１におけるアルファベット文字に続く。たとえば、ＣＷ（ＣＣＷ）入力光は点Ａ１（Ａ２）において開始し、点Ｂ１（Ｂ２）において共振器に結合され、点Ｃ１（Ｃ２）において共振器から外部に結合され、検出器Ｄ１（Ｄ２）に達する。ＣＷ光のための第１の反射点は文字「Ｐ」を付され、第２の反射点は文字「Ｑ」を付される。ＣＣＷビームの場合、第１の反射点は「Ｑ」であり、第２は「Ｐ」である。具体的には、図１の「Ｐ」及び「Ｑ」は、両方の反射点が点４１及び４２においてリングキャビティー内部にあるときの第１の構成の二重反射を示す。
【００４４】
特定の構成のための各二重反射光学経路は、光伝搬の方向を指示する矢印によって接続される経路上の一連の点によって示すことができる。たとえば、図１に示される第１の構成における二重反射ＣＷ及びＣＣＷ光は、以下のように表すことができる。
【００４５】
【数１】
【００４６】
及び
【００４７】
【数２】
【００４８】
上記の式（１）及び（２）において、１つの点から別の点まで伝搬する光は、矢印によって指示される。矢印上の「＋」符号及び「−」符号はそれぞれ、ＣＷ方向及びＣＣＷ方向を指示する。矢印上の「＋」及び「−」符号の右側に整数ｍ、ｌ、ｎがあるとき、それは、指示された方向において光が整数分だけ循環することを意味する。矢印上の「Ｉｎ」及び「Ｏｕｔ」は、その光が入力経路上にあるか、出力経路上にあるかを指示する。
【００４９】
たとえば、式（１）は、ＣＷ光がＡ１からＢ１に入力し、ＣＷ方向においてＢ１からＰに伝搬し、その後、ＣＷ方向においてｌ回だけ循環し、点Ｐに戻り、その後、Ｐによって反射され、ＣＣＷ方向においてＰからＱまで伝搬し、その後、ＣＣＷ方向においてｍ回だけ循環し、Ｑに戻り、その後、Ｑによって反射され、ＣＷ方向においてＱからＣ１まで伝搬し、その後、ＣＷ方向においてｎ回だけ循環し、Ｃ１に戻り、最後に、共振器から外部の検出器Ｄ１に結合されると解釈することができる。ｍ、ｌ、ｎは二重反射を伴う特定の光学経路を記述するための負ではない任意の整数とすることができる。整数０は、光がリングキャビティー内で循環しないことを意味する。
【００５０】
共振器内で異なる回数のラウンドトリップを受けた数多くの光波場（後方反射されるか否か）は、ＲＦＯＧリングキャビティーにおいて循環することに起因して、光検出器において重なり合う。ジョーンズ行列表記を用いて光波伝搬を記述するとき、検出器における全ての二重反射ＣＷ光場の総和は以下の式によって表すことができる。
【００５１】
【数３】
【００５２】
ただし、たとえば、ジョーンズ行列ＭＡ１Ｂ１は点Ａ１からＢ１までの伝搬を記述し、行列ＭＱ−ｍは点Ｑから点ＱまでのＣＣＷ方向における光の循環を記述する。これらのジョーンズ行列は、光学経路の偏光交差結合、損失及び複屈折特性を記述する。簡単にするために、ここで、１つの偏光モードのみが仮定される場合には、全ての行列を複素数に変形することができ、上記の式は以下の形に整理し直される。
【００５３】
【数４】
【００５４】
ここで、κは、１つ又は複数のラウンドトリップを含むことなく、二重反射を通しての入力から出力までの伝達係数であり（すなわち、κは右括弧の値である）、λはリングキャビティーラウンドトリップ振幅伝達係数であり、φＳは、回転速度が０でないことに起因するサニャック位相である。
【００５５】
主ビーム（二重反射を含まない）は以下のように表される。
【００５６】
【数５】
【００５７】
ただし、χは反射を含まない入力ポートから出力ポートまでの伝達係数である。二重反射ＣＷ光場ＥＣＷ＿２Ｒと主信号場ＥＣＷ＿ｍとの干渉は、ＣＷ回転速度誤差の大きな一因である。この回転速度誤差を計算するために、信号の変調及び復調が、モデルによって考慮に入れられなければならない。ωｍの角周波数及びＭラジアンの位相振幅を用いる正弦波位相変調後に、検出器における主信号光場のν−高調波周波数成分は、以下の式によって与えられる。
【００５８】
【数６】
【００５９】
ただし、Ｊνは第一種のν次ベッセル関数であり、ωｃはレーザービームの中心角周波数であり、ηはリングキャビティーラウンドトリップ伝達係数であり、ΔｆはＨｚ単位のレーザー線幅であり、τはリングキャビティーラウンドトリップ時間である。同様に、検出器における二重反射場のｗ−高調波周波数成分は以下の式によって表すことができる。
【００６０】
【数７】
【００６１】
主信号のｗ周波数成分とν周波数成分との間のビートに起因する角周波数（ｗ−ν）ωｍにおける主信号強度は以下のように導出される。
【００６２】
【数８】
【００６３】
Ｅｗ＿２ＲとＥν＿ｍとの間のビートに起因する周波数（ｗ−ν）ωｍにおける、反射によって引き起こされる誤差信号強度は以下のようになる。
【００６４】
【数９】
【００６５】
ただし、Ｚｗν＿ｍ及びＺｗν＿ｒはそれぞれ、最後のステップにおいて式（８）及び（９）を簡単にするために用いられる。ｗ−ν＝１の条件を満たす全ての取り得る項にわたる総和が、変調周波数ωｍにおける最後の主信号を生成する。
【００６６】
【数１０】
【００６７】
同様に、ωｍにおける二重反射によって引き起こされる誤差信号は以下のように計算することができる。
【００６８】
【数１１】
【００６９】
復調される全ての同相及び直交信号は、回転速度誤差を計算するためのＩ（ωｍ）＝Ｉｍ（ωｍ）＋Ｉｒ（ωｍ）の式に含まれる。ＣＷ及びＣＣＷ回転速度誤差は、上記と同じようにして計算することができ、正味の回転速度誤差は、一方から他方を減算することによって得られる。
【００７０】
上記で導出された数式を用いて、二重反射によって引き起こされるＲＦＯＧ回転速度誤差を定量化することができる。図５Ａは、自由スペクトル領域単位におけるキャビティー共振周波数からのレーザー周波数偏移の関数として、式（１０）を用いて計算される復調主信号の一例を示すグラフである。理想的には、すなわち、二重反射を含まない場合には、レーザー周波数が共振中心に同調するときに、主信号は０である。リングキャビティー内に二重反射が存在する場合、図５Ｂ、図５Ｃ及び図５Ｄのグラフにおいて示されるように、共振中心において、式（１１）を用いて計算される、０でない復調誤差信号が存在する。この誤差信号は不安定であり、主光波と誤差光波との間の相対的な位相変化に応じて、その符号及び大きさが変化する。ファイバー長が変化する結果として（たとえば、温度変動によって引き起こされる）、主信号波と反射誤差波との間に相対的な位相変化が生じることになる。図５Ｂ、図５Ｃ及び図５Ｄは、３つの異なる相対位相（０度、９０度及び１５０度）における誤差信号を例示的に示しており、二重反射によって引き起こされる不安定を示す。
【００７１】
ＣＷ及びＣＣＷの個々のビームの大きな信号変動は、測定される回転速度の大きな変動を必ずしも意味しない場合がある。ＲＦＯＧがＣＷ及びＣＣＷ共振周波数測定に関して高い対称性を有する、すなわち、リングキャビティーの高い対称性、ＣＷ及びＣＣＷ光ビーム並びに位相変調の同一特性等を有する場合には、ＣＷ及びＣＣＷ回転速度誤差の相殺効果があるため、正味の回転速度誤差を非常に小さくすることができる。図６Ａのグラフは、ジャイロスコープが２５度／ｈｒの例示的な速度において回転しているときに、（主光波と反射誤差光波との間の）相対的な位相変化の関数として個々のＣＷ及びＣＣＷ回転速度誤差変動をプロットする。ＣＷ及びＣＣＷ信号はそれぞれ、リングキャビティー内の二重反射の存在に起因して、大きな回転速度誤差変動（〜１５度／ｈｒピーク・ツー・ピーク）を示す。しかしながら、ＣＷ及びＣＣＷ信号の減算後に、測定された回転速度は、ＣＷとＣＣＷとの間の完全な対称性に起因して、図６Ｂに示されるように非常に小さな回転速度誤差（０．０００４度／ｈｒピーク・ツー・ピーク）を有する。図６Ｂに示される小さな残留回転速度誤差変動は、ＣＷ及びＣＣＷ方向における反射光波の伝搬について、０でない回転が引き起こす非対称性によって生じる。回転速度が０である場合には、この残留回転速度誤差変動は消失することになる。
【００７２】
対称なＲＦＯＧの二重反射タイプの回転速度誤差の相殺効果をさらに示すために、図７Ａのグラフは、他の全てのＣＷ及びＣＣＷパラメーターが同一であるときに、ＣＣＷ位相変調周波数とＣＷ位相変調周波数との比の関数として、正味のピーク・ツー・ピーク回転速度誤差変動の依存性を示す。ＣＷ及びＣＣＷ位相変調周波数が同一であるとき（図７Ａの中心における１の比によって指示される）、有効な相殺が生じることが明らかである。図７Ｂのグラフは、ＣＣＷ位相変調振幅とＣＷ位相変調振幅との比に対するピーク・ツー・ピーク回転速度誤差変動の同様の依存性を示す。完全な回転速度誤差の相殺は、ＣＷ及びＣＣＷ変調周波数並びに振幅が同一であるときに達成することができる。
【００７３】
図８のグラフは、ＣＷ及びＣＣＷ変調周波数が潜在的に異なるときに、変調振幅を調整することによって回転速度誤差を相殺するためのシミュレーション結果を示す。変調周波数が同一でない場合に、最小のピーク・ツー・ピーク回転速度誤差は１から離れた変調振幅比によって得ることができるが、その残留回転速度誤差は、完全に相殺する場合（変調周波数及び変調振幅がいずれも同一であるとき）よりも著しく高い。
【００７４】
位相変調周波数及び変調振幅に加えて、他の光ビーム特性も回転速度誤差相殺効果に影響を与える場合がある。たとえば、ＣＷ光とＣＣＷ光との間に線幅差があると、回転速度誤差相殺が不完全になる可能性がある。ＣＣＷレーザー線幅とＣＷレーザー線幅との比の関数としての回転速度誤差の依存性が、図９のグラフにおいてプロットされる。ＣＷ及びＣＣＷレーザーが同一の線幅を有するときに、優れた相殺が生じる。しかしながら、図９を図７Ａ及び図７Ｂと比較することによって、レーザー線幅差に対する実効的な回転速度誤差相殺の感度が、変調周波数／変調振幅に対する感度よりもはるかに低いことが明らかである。ＣＷ及びＣＣＷのレーザー線幅の１０％の差は、０．００５度／ｈｒのピーク・ツー・ピーク回転速度誤差を引き起こすが、一方、変調周波数／振幅差の１０％の差は、０．７度／ｈｒよりも大きな回転速度誤差を引き起こす可能性がある。
【００７５】
上記の解析及びモデル化は、二重反射によって引き起こされる回転速度誤差を相殺する実効的な方法を提供する。図１０は、そのような例示的な方法を示す流れ図である。最初に、ＣＷ及びＣＣＷビームの伝搬に対して高い対称性を有するＲＦＯＧリングキャビティーが構築される（ブロック５１０）。光学経路内のいずれにおいても後方反射をできる限り回避し、低減することに注意を払うべきである。次に、回転速度誤差相殺効果を改善するために、ＣＷ及びＣＣＷ光ビームに対して、レーザー線幅、電力、位相変調振幅及び周波数等の同一の（又は概ね同一の）パラメーターが選択される（ブロック５２０）。次のステップにおいて、ピーク・ツー・ピーク回転速度誤差を測定するために、ＲＦＯＧにキャビティー長変調が適用される（ブロック５３０）。次のステップにおいて、これらの回転速度誤差を用いて、ＣＷ又はＣＣＷパラメーターのうちの少なくとも一方を調整して、キャビティー長を変調しながら、観測されるピーク・ツー・ピーク回転速度誤差を最小限に抑える（ブロック５４０）。それでもピーク・ツー・ピーク回転速度誤差が要件よりも大きい場合には、ＲＦＯＧは、キャビティー長変調をオンにして動作し続けることができる（ブロック５５０）。たとえば、ピーク・ツー・ピーク回転速度誤差が所定のしきい値よりも大きい場合には、キャビティー長変調を適用して、平均化を通して回転速度誤差を除去することができる。
【００７６】
キャビティー内の反射を低減するために、第１のステップ（ブロック５１０）に戻ることが必要な場合があるか、又はＣＷ及びＣＣＷ回転速度誤差相殺を改善するために、パラメーター調整過程（ブロック５４０）を繰り返すことが必要な場合がある。先行するステップにおいて、回転速度誤差が要件より小さくなる等、ピーク・ツー・ピーク回転速度誤差が仕様の範囲内に抑制されると、ＲＦＯＧのキャビティー長変調をオフにすることができるか（ブロック５６０）、又は構成要素及び運用コストを削減するために、ジャイロスコープから取り外すことができる。
【００７７】
本発明は、その不可欠な特徴から逸脱することなく、他の具体的な形で具現することもできる。記述される実施形態は、あらゆる点において、例示にすぎず、限定するものと見なされるべきではない。それゆえ、本発明の範囲は、これまでの説明によってではなく、添付の特許請求の範囲によって示される。特許請求の範囲の均等の意味及び範囲内に入る全ての変更が、特許請求の範囲内に包含されるべきである。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、後方反射による回転速度の不安定性を低減した共振器光ファイバージャイロスコープに関する。
［連邦政府による資金提供を受けた研究開発に関する記述］
本発明は、空軍研究所（ＡＦＲＬ）によって与えられた契約番号第ＦＡ９４５３−０８−Ｃ−０２６３号に基づいて、政府の支援を受けて行なわれた。政府は本発明に関して一定の権利を有する。
【背景技術】
【０００２】
共振器光ファイバージャイロスコープ（ＲＦＯＧ）は、２つの反対の伝搬方向（本明細書において、時計回り（ＣＷ）方向及び反時計回り（ＣＣＷ）方向と呼ばれる）において、ＲＦＯＧリングキャビティーの回転によって引き起こされる共振周波数差を測定することによって回転速度を検知する検知装置である。リングキャビティー共振周波数差を測定するために、別々のチューナブルレーザーからの単色光波が、通常、位相変調され、その後、ＣＷ方向及びＣＣＷ方向において、ＲＦＯＧリングキャビティー内に結合される。循環する光波のごく一部がリングキャビティーの外部に結合され、光検出器に向けられ、光電流（又は電圧）信号が生成される。対応する位相変調周波数において光検出器信号を復調することによって、ＣＷ方向及びＣＣＷ方向の共振周波数差を検出するための判別信号が生成される。
【０００３】
理想的には、ＣＷ及びＣＣＷ伝搬光波は別々の検出器（本明細書において、それぞれＣＷ検出器及びＣＣＷ検出器と呼ばれる）によって受信され、交差結合は起こらない、すなわち、ＣＷ（ＣＣＷ）光波はＣＣＷ（ＣＷ）検出器によって受信されない。しかしながら、実際の状況では、リングキャビティー内には不完全な光学表面があり、それらの表面は光波を反対の伝搬方向にわずかに反射する場合があり、それによりＣＷ（ＣＣＷ）ビームのごく一部がＣＣＷ（ＣＷ）光検出器によって受信される。この後方反射は、１回（又は奇数回）の反射を通して、間違った検出器上に光波を向けることによって特徴付けられるので、多くの場合に「単一後方反射」タイプと分類される。ＣＷ及びＣＣＷ共振検出に対して異なる位相変調周波数を用いることは、誤った反射信号を分離する有効な方法である。
【０００４】
ＣＷ及びＣＣＷ光波が概ね同じ光学周波数を有する場合に、干渉ビート信号がジャイロ帯域幅に入り、それにより信号変動を引き起こし、ジャイロ性能を著しく劣化させる可能性がある。この問題を解決するために、ＣＷ方向及びＣＣＷ方向において、複数のレーザービームを、その周波数が整数個の共振器自由スペクトル領域（ＦＳＲ）の分だけ離れるようにして使用する方式が以前に提案されている。自由スペクトル領域は、隣接する共振周波数間の周波数分離であり、通常、数ＭＨｚ〜数百ＭＨｚである。ビート雑音周波数は高い周波数範囲にあるので、そのような周波数は、ローパス電子フィルターによって除去することができる。
【０００５】
「二重後方反射」（又は単に「二重反射」）と呼ばれる別のタイプの反射もあり、その反射が回転速度測定の安定性（回転速度安定性とも呼ばれる）に及ぼす影響は、上記の方法によって容易に除去することはできない。二重反射によって、光波は、光学経路内の２回（又は偶数回）の反射によって生成される、その光波自体の反射部分と干渉する。このタイプの後方反射の場合、干渉する光波は同じ光周波数及び同じ位相変調を有する同じレーザーから生じる。干渉する光波は、復調過程において、主信号ビームから容易に分離することはできない。誤った光波は、第１の反射点を通って反対の伝搬方向に変更され、その後、第２の反射点によって元の方向に戻され、主ビーム異なる光学経路を通って伝搬する。環境によって引き起こされる経路長変動によって、２つの干渉するビーム間の相対的な位相変化が生じ、結果として、ジャイロスコープの回転速度が不安定になる。これは、ＲＦＯＧ性能を劣化させる大きな要因となる可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
後方反射による回転速度の不安定性を低減した共振器光ファイバージャイロスコープを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、回転速度誤差の不安定性を低減する共振器光ファイバージャイロスコープ（ＲＦＯＧ）に関する。１つの実施の形態では、ＲＦＯＧは、共振器光学リングキャビティーと、リングキャビティーと光学的に通信し、リングキャビティーに送信される時計回り光学信号を生成するように構成される第１の光源と、リングキャビティーと光学的に通信し、リングキャビティーに送信される反時計回り光学信号を生成するように構成される第２の光源とを備える。また、ＲＦＯＧは、第１の光源及びリングキャビティーと光学的に通信する第１の光学構成要素も含む。第１の光学構成要素は、時計回り光学信号が第１の光源に後方反射されるのを防ぐように構成される。第２の光学構成要素が、第２の光源及びリングキャビティーと光学的に通信する。第２の光学構成要素は、反時計回り光信号が第２の光源に後方反射されるのを防ぐように構成される。さらに、第１の光学検出器及び第２の光学検出器がリングキャビティーに光学的に結合される。
【０００８】
図面は本発明の代表的な実施形態のみを示しており、範囲を制限するものと見なされるべきではない。これらの実施形態は、参照される図面を用いて、以下の説明においてさらに具体的に、かつ詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】一実施形態による共振器光ファイバージャイロスコープ（ＲＦＯＧ）のブロック図である。
【図２】別の実施形態によるＲＦＯＧのブロック図である。
【図３】代替の実施形態によるＲＦＯＧのブロック図である。
【図４】さらに別の実施形態によるＲＦＯＧのブロック図である。
【図５Ａ】ＲＦＯＧのための、自由スペクトル領域単位におけるキャビティー共振周波数からのレーザー周波数偏移の関数としての例示的な復調主信号のグラフである。
【図５Ｂ】ＲＦＯＧ内の二重反射によって引き起こされる不安定性を示す、３つの異なる相対位相のうちの１つにおける例示的な誤差信号のグラフである。
【図５Ｃ】ＲＦＯＧ内の二重反射によって引き起こされる不安定性を示す、３つの異なる相対位相のうちの１つにおける例示的な誤差信号のグラフである。
【図５Ｄ】ＲＦＯＧ内の二重反射によって引き起こされる不安定性を示す、３つの異なる相対位相のうちの１つにおける例示的な誤差信号のグラフである。
【図６Ａ】ＲＦＯＧ内の主信号と反射誤差信号との間の相対位相の変化の関数として個々の時計回り（ＣＷ）及び反時計回り（ＣＣＷ）回転速度変動をプロットするグラフである。
【図６Ｂ】図６ＡにおけるＣＷ信号及びＣＣＷ信号を減算した後のＣＷ及びＣＣＷ回転速度差をプロットするグラフである。
【図７Ａ】ＲＦＯＧ内のＣＣＷ位相変調周波数とＣＷ位相変調周波数との比の関数としてのピーク・ツー・ピーク正味回転速度変動の依存性を示すグラフである。
【図７Ｂ】ＲＦＯＧ内のＣＣＷ位相変調振幅とＣＷ位相変調振幅との比の関数としてのピーク・ツー・ピーク正味回転速度変動の依存性を示すグラフである。
【図８】ＲＦＯＧにおいてＣＷ及びＣＣＷ変調周波数が潜在的に異なるときに変調振幅を調整することによって回転速度誤差を相殺するためのシミュレーション結果のグラフである。
【図９】ＲＦＯＧ内のＣＣＷレーザー線幅とＣＷレーザー線幅との比の関数としての回転速度誤差の依存性を示すグラフである。
【図１０】ＲＦＯＧ内の二重反射によって引き起こされる回転速度誤差を相殺するための例示的な方法の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下の詳細な説明では、当業者が本発明を実施できるほど十分に詳しく実施形態が説明される。本発明の範囲から逸脱することなく、他の実施形態を利用してもよいことは理解されたい。それゆえ、以下の詳細な説明は、限定する意味に解釈されるべきではない。
【００１１】
本発明は、後方反射によって共振器光ファイバージャイロスコープ（ＲＦＯＧ）内の回転速度の不安定性を低減するための装置及び方法に関する。その装置及び方法は、ハイエンド応用のためにＲＦＯＧ性能を改善するために、回転速度誤差を軽減する。
【００１２】
要求される性能レベルを達成する際の従来のＲＦＯＧの１つの問題は、共振リング内の二重後方散乱又は二重後方反射であり、それによって回転検知に回転速度誤差が生じる。この誤差の原因は、主光ビームと、異なる光学経路を有する主光ビーム自体の二重反射部分との干渉に由来する。環境が不安定であることに起因する光学経路の任意の変動によって、干渉信号が変化し、それにより回転速度誤差が不安定になる。
【００１３】
後方反射に起因した回転速度の不安定性の低減は、２つの方法を用いて成し遂げることができる。第１の方法では、時計回り（ＣＷ）及び反時計回り（ＣＣＷ）信号の回転速度誤差相殺効果は、できる限り同一に近い特性を有するＣＷ光波及びＣＣＷ光波を用いることによって改善される。これらの特性は、位相変調周波数、変調振幅、線幅、信号復調位相等を含むことができる。第２の方法は、回転速度が０後方反射に対応する値を中心にして振動するように、ＣＣＷ光波に対してＣＷ光波の上記の特性のうちの１つを変調する（逆の場合も同じ）。振動する回転速度誤差を平均することによって、ＲＦＯＧリングキャビティー内の反射に起因した不安定性を低減又は解消することができる。
【００１４】
第１の方法を実施するために、ＣＷ及びＣＣＷ光波に対して極めて対称な構成を有するＲＦＯＧが利用され、後方反射によって引き起こされる回転速度誤差を実効的に相殺する。ＣＷ及びＣＣＷ光波のために用いられるレーザービームは、線幅、電力等の同一に近い光学的特性を有し、概ね同じ変調振幅及び変調周波数を有する同じ種類の変調器を用いて変調される（ただし、ＣＷ信号とＣＣＷ信号との間のクロストークを低減するために、わずかな差が必要とされる場合もある）。さらに、ＣＷ及びＣＣＷ検出器信号は概ね同じ位相において復調される。このようにして、ＣＷ及びＣＣＷの回転速度誤差を実効的に相殺し、数桁だけ低減することができる。
【００１５】
第２の方法を実施するために、レーザー特性のうちの１つが、他方の特性に対して変調される。たとえば、一定のＣＣＷ位相変調振幅に対してＣＷ光の位相変調振幅を低速で小さく正弦波変調することによって（逆の場合も同じ）、正弦波回転速度誤差変動が生成されることになる。その変動の平均値は、０の後方反射回転速度誤差に対応し、信号を平均した後に得ることができる。位相変調周波数又は復調位相のような他のパラメーターの変調も利用することができる。
【００１６】
本発明の方法及び装置は、後方反射によって引き起こされる回転速度誤差を大きく減少させる。後方反射によって引き起こされる回転速度誤差及び回転速度誤差相殺効果のレベルを定量化する理論的モデルがこれ以降に説明される。
【００１７】
本発明の方法及びシステムに関するさらに細かい事柄は、図面を参照しながらこれ以降に説明される。用語「光波」、「レーザービーム」、「光ビーム」、「光」及び「光学信号」は本明細書において交換可能に用いられることは理解されたい。
【００１８】
図１は、一実施形態による共振器光ファイバージャイロスコープ（ＲＦＯＧ）１００を示す。ＲＦＯＧ１００は、一般的に、共振器光学リングキャビティー１０２を含み、それは、回転が検知される軸を中心にして、コアの周囲に巻かれた光ファイバーコイルとすることができる。レーザーのような第１の光源１０４がリングキャビティー１０２と光学的に通信し、リングキャビティー１０２に送信される時計回り（ＣＷ）光学信号１０６を生成するように構成される。レーザーのような第２の光源１０８もリングキャビティー１０２と光学的に通信し、リングキャビティー１０２に送信される反時計回り（ＣＣＷ）光学信号を生成するように構成される。
【００１９】
ＲＦＯＧ１００は、光源１０４とリングキャビティー１０２との間の光学経路に沿って配置される第１の光学位相変調器１１２も含み、位相変調器１１２は光源１０４からのＣＷ光学信号を変調するように構成される。第２の光学位相変調器１１４が光源１０８とリングキャビティー１０２との間の光学経路に沿って配置され、位相変調器１１４は光源１０８からのＣＣＷ光学信号を変調するように構成される。
【００２０】
第１の入力結合器１１６が、光源１０４からのＣＷ光学信号をリングキャビティー１０２内に結合するように構成され、第２の入力結合器１１８が、光源１０８からのＣＣＷ光学信号をリングキャビティー１０２内に結合するように構成される。第１の出力結合器１２０が、リングキャビティー１０２からのＣＷ光学信号を第１の光学検出器１２４に結合するように構成され、第２の出力結合器１２２が、リングキャビティー１０２からのＣＣＷ光学信号を第２の光学検出器１２６に結合するように構成される。光学検出器１２４、１２６は、光検出器／プリアンプとすることができ、光学信号を電圧信号に変換する。
【００２１】
エレクトロニクスデバイス１２８が、光学検出器１２４からの出力電圧信号を復調し、エレクトロニクスデバイス１３０が、光学検出器１２６からの出力電圧信号を復調する。エレクトロニクスデバイス１２８は、光源１０４の周波数をリングキャビティー１０２のＣＷ共振にロックさせるために、光源１０４へのフィードバックを与える。同様に、エレクトロニクスデバイス１３０は、光源１０８の周波数をリングキャビティー１０２のＣＣＷ共振にロックさせるために、光源１０８へのフィードバックを与える。
【００２２】
正弦波発生器１３２が、位相変調器１１２に変調電圧を与え、信号を復調するためにエレクトロニクスデバイス１２８に基準信号を与える。同様に、正弦波発生器１３４が、位相変調器１１４に変調電圧を与え、信号を復調するためにエレクトロニクスデバイス１３０に基準周波数を与える。エレクトロニクスデバイス１２８、１３０からの出力信号は、中央制御ユニット（図示せず）によって処理され、回転速度を測定できるように、ＣＷ及びＣＣＷ共振周波数差をそれぞれ求めることができる。
【００２３】
第１の光学構成要素１４０が光源１０４及びリングキャビティー１０２と光学的に通信する。光学構成要素１４０は、ＣＷ光学信号が光源１０４に後方反射されるのを防ぐように構成される。第２の光学構成要素１４４が光源１０８及びリングキャビティー１０２と光学的に通信する。光学構成要素１４４は、ＣＣＷ光学信号が光源１０８に後方反射されるのを防ぐように構成される。光学構成要素１４０、１４４は光学アイソレーターとすることができ、それにより、光を一方向にだけ送信することが可能になり、光が後方反射するのを防ぐ。
【００２４】
第３の光学構成要素１４２が出力結合器１２０と光学検出器１２４との間に配置される。第３の光学構成要素１４２は、ＣＷ光学信号がリングキャビティー１０２に後方反射されるのを防ぐように構成される。第４の光学構成要素１４６が出力結合器１２２と光学検出器１２６との間に配置される。光学構成要素１４６は、ＣＣＷ光学信号がリングキャビティー１０２に後方反射されるのを防ぐように構成される。光学構成要素１４２、１４６も光学アイソレーターとすることができる。
【００２５】
後方反射によって引き起こされる回転速度誤差を分類し、特徴付けるために、いくつかの起こり得る後方反射位置が、図１において、白抜きの、又は塗潰された小さな丸と共に曲がった矢印によって示される。曲がった矢印は、後方反射の方向を指示する。白抜きの丸を有する矢印（たとえば、４１、５１及び６１）は、最初に受けた反射について、ＣＷ光１０６をＣＣＷ方向に反射する点を表示する。塗潰された丸を有する矢印（たとえば、４２、５２及び６２）は、最初に受けた反射について、ＣＣＷ光１１０をＣＷ方向に反射する点を表示する。反射点４１及び４２は、リングキャビティー内に位置する。反射点５１及び５２はそれぞれ、アイソレーター１４４と入力結合器１１８との間の光学入力経路上、及びアイソレーター１４０と入力結合器１１６との間の光学入力経路上に位置する。反射点６１及び６２はそれぞれ、アイソレーター１４２と出力結合器１２０との間の光学出力経路上、及びアイソレーター１４６と出力結合器１２２との間の光学出力経路上に位置する。上記の反射点は、ジャイロスコープ性能を劣化させる可能性がある、ＲＦＯＧ光学経路内で起こり得る反射点の例である。
【００２６】
図１はＲＦＯＧの一実施形態のための全体的な構成を示すが、他の実施形態では、ＣＷ及びＣＣＷ光波をリングキャビティー内に及び／又はリングキャビティー外に入力結合及び／又は出力結合する機能は、少ない数の結合器によって実施することができる。
【００２７】
たとえば、図２は、別の実施形態によるＲＦＯＧ２００を示しており、そのＲＦＯＧは光ファイバーコイルのような共振器光学リングキャビティー２０２を含む、ＲＦＯＧ１００と同様の構成要素を含む。レーザー２０４がＣＷ光波２０６を生成し、レーザー２０８がＣＣＷ光波２１０を生成する。また、ＲＦＯＧ２００は、ＣＷ光波２０６を変調するための光学位相変調器２１２、及びＣＣＷ光波２１０を変調するための光学位相変調器２１４も含む。光学入力結合器２１６が各ＣＷ光波をリングキャビティー２０２に結合するように構成され、光学入力結合器２１８が、各ＣＣＷ光波をリングキャビティー２０２に結合するように構成される。
【００２８】
ＲＦＯＧ２００は、ＣＷ光波及びＣＣＷ光波の両方をリングキャビティー２０２から外部に結合する単一の出力結合器２２０を有する。ＲＦＯＧ２００は、リングキャビティー２０２から各ＣＷ出力光波を受信するための、光検出器のような光学検出器２２４と、リングキャビティー２０２から各ＣＣＷ出力光波を受信するための、光検出器のような光学検出器２２６とをさらに備える。光学検出器２２４は、出力結合器２２０から各ＣＣＷ出力光波を受信する。光学検出器２２６は、出力結合器２２０から各ＣＷ出力光波を受信する。
【００２９】
ＣＷ光の場合に、光学アイソレーター２４０が、光がレーザー２０４に後方反射されるのを防ぎ、光学アイソレーター２４６が、光がリングキャビティー２０２に後方反射されるのを防ぐ。同様に、ＣＣＷ光の場合に、光学アイソレーター２４４が、光がレーザー２０８に後方反射されるのを防ぎ、光学アイソレーター２４２が、光がリングキャビティー２０２に後方反射されるのを防ぐ。また、ＲＦＯＧ２００は、ＲＦＯＧ１００について上記で説明されたような付加的なエレクトロニクスデバイスも備えることができる。
【００３０】
図３は、代替の実施形態によるＲＦＯＧ３００を示しており、そのＲＦＯＧは、光学リングキャビティー３０２を含む、ＲＦＯＧ２００と同様の構成要素を含む。レーザー３０４がＣＷ光波３０６を生成する。レーザー３０８がＣＣＷ光波３１０を生成する。光学位相変調器３１２が、ＣＷ光波３０６を変調するように構成され、光学変調器３１４が、ＣＣＷ光波３１０を変調するように構成される。
【００３１】
ＲＦＯＧ３００は、ＣＷ及びＣＣＷ光の両方をリングキャビティー３０２内に結合する単一の光学入力結合器３１６を有する。光学出力結合器３２０が、リングキャビティー３０２からのＣＷ光波を光学検出器３２４に結合するように構成される。光学出力結合器３２２が、リングキャビティー３０２からのＣＣＷ光波を光学検出器３２６に結合するように構成される。
【００３２】
ＣＷ光の場合に、光学アイソレーター３４０が、光がレーザー３０４に後方反射されるのを防ぎ、光学アイソレーター３４２が、光がリングキャビティー３０２に後方反射されるのを防ぐ。同様に、ＣＣＷ光の場合に、光学アイソレーター３４４が、光がレーザー３０８に後方反射されるのを防ぎ、光学アイソレーター３４６が、光がリングキャビティー３０２に後方反射されるのを防ぐ。また、ＲＦＯＧ３００は、ＲＦＯＧ１００について上記で説明されたような付加的なエレクトロニクスデバイスも備えることができる。
【００３３】
図４は、さらなる実施形態によるＲＦＯＧ４００を示す。ＲＦＯＧ４００は、光学リングキャビティー４０２と、ＣＷ光波４０６を生成するレーザー４０４と、ＣＣＷ光波４１０を生成するレーザー４０８とを備える。光学位相変調器４１２が、ＣＷ光波４０６を変調するように構成され、光学位相変調器４１４が、ＣＣＷ光波４１０を変調するように構成される。
【００３４】
図４に示されるように、光学サーキュレーターのような第１の方向性光学構成要素４１６が、レーザー４０４からのＣＷ光波４０６をリングキャビティー４０２に向けるように構成される。第１の光学結合器４１８が、光学構成要素４１６から受信されたＣＷ光波４０６をリングキャビティー４０２内に結合するように構成される。第２の方向性光学構成要素４２０が、レーザー４０８からのＣＣＷ光波４１０をリングキャビティー４０２に向けるように構成される。第２の光学結合器４２２が、光学構成要素４２０から受信されたＣＣＷ光波４１０をリングキャビティー４０２内に結合するように構成される。
【００３５】
また、光学結合器４１８は、リングキャビティー４０２からのＣＣＷ光波４１０を光学構成要素４１６に結合するように構成され、光学構成要素４１６はさらに、そのＣＣＷ光波を光学検出器４２４に向ける。同じく、光学結合器４２２は、リングキャビティー４０２からのＣＷ光波４０６を光学構成要素４２０に結合するように構成され、光学構成要素４２０はさらに、そのＣＷ光波を光学検出器４２６に向ける。
【００３６】
方向性光学構成要素４１６、４２０が光学サーキュレーターとして実装されるとき、光はサーキュレーターを通って一方向にのみ伝搬する。たとえば、図４に示されるように、光学サーキュレーター（４１６、４２０）によって、光はポート１からポート２に伝搬し、ポート２からポート３に伝搬できるようになる。他の全ての伝搬方向（たとえば、ポート３からポート２、ポート２からポート１及びポート３からポート１）は概ね遮断されるか、又は大きく減衰する。光学サーキュレーターは、光が光学キャビティー又はレーザーに後方反射されるのも防ぐ。
【００３７】
図１に戻ると、ＲＦＯＧ１００について示される反射点は一般的に、一方向のみからの光波（ＣＷ、ＣＣＷのいずれか）を反射するものと仮定される。他の構成では、図２に示されるＲＦＯＧ２００内の点４０のように、単一の反射点が、ＣＷ及びＣＣＷ両方の光波を反射できる場合もある。そのような反射点は、互いに位置が重なり合う２つの反射点と見なすことができる。図１〜図４において示されるような、１つの白抜きの丸の反射点及び１つの塗潰された丸の反射点を含む任意の一対の反射点（又は両方向において光を反射する単一の点）は、二重後方反射タイプの回転速度誤差を引き起こす可能性がある。
【００３８】
二重反射構成例を示すために、図１の点６１及び４２が、二重反射の場合のそのような一対の反射点を形成すると仮定することができる。レーザー１０４から放射される光がＣＷ方向においてリングキャビティー１０２内に結合される。その光はリングキャビティー１０２内で循環し、出力結合器１２０によって外部に結合され、検出器１２４に達する。その光は、第１の後方反射点６１に達し、結合器１２０が双方向性であることから、その光のごく一部がＣＣＷ方向においてリングキャビティー１０２に後方結合される。この反射された光はＣＣＷ方向において循環し、その一部が点４２によってＣＷ方向に後方反射される。この二重反射ビームは、ＣＷ主信号ビーム１０６と共に、リングキャビティー１０２から検出器１２４に結合される。２つのビーム間の干渉によって、ＣＷ共振周波数を検知するための信号に変動が生じる。
【００３９】
同様の解析によって、同じ一対の反射点（たとえば、６１及び４２）によって、ＣＣＷ共振周波数を検知する場合にも信号に変動が生じることがわかっている。ＣＷ及びＣＣＷ方向の正味の共振周波数差の誤差は、二重反射によって引き起こされる絶対回転速度誤差を決定する。個々のＣＷ及びＣＣＷ方向の回転速度誤差は相殺することができ、これによって、ＲＦＯＧ出力から生成される正味の回転速度誤差ははるかに小さくなる。ＣＷ及びＣＣＷ回転速度誤差を実効的に相殺する方法のための理論的解析がこれ以降に説明される。
【００４０】
二重反射の事例を形成することができるいくつかの例示的な構成がある。たとえば、第１の構成では、両方の反射点がリングキャビティー内にある（たとえば、図１における点４１及び４２）。第２の構成では、一方の反射点がリングキャビティー内にあり、他方の点が入力、出力いずれかのビーム経路上にある（たとえば、点５１及び４２、点６１及び４２、点４１及び５２、並びに点４１及び６２）。第３の構成では、両方の反射点がリングキャビティーの外部にある（たとえば、点５１及び５２、点５１及び６２、点６１及び５２、並びに点６１及び６２）。
【００４１】
光学経路内に光学アイソレーター又はサーキュレーターが存在することに起因して、リングキャビティー外部にある反射点は、図１〜図４において示される全ての実施形態において、入力／出力結合器とアイソレーター／サーキュレーターとの間にのみ存在すると仮定される。リングキャビティー外部にある他の点からの反射はアイソレーター又はサーキュレーターによって大きく減衰する。
【００４２】
実際の状況では、複数の反射点が存在し、複数の二重反射構成を形成する。そのような実際の状況の理論的解析は非常に複雑になる可能性がある。以下では、簡単にするために、２つの反射点だけを含む事例が取り扱われ、その解析からの結論を用いて、本発明の実施形態が正当であることを証明する。しかしながら、その方法及び実施形態は、さらに複雑な反射構成の場合にも利用できることは理解されたい。
【００４３】
以下の理論的解析において説明を簡単にするために、アルファベット文字を用いて、図１における光学経路内の位置をラベル付けする。ＣＷ光入力／出力結合点は全て「１」を付され、ＣＣＷ点は「２」を付され、図１におけるアルファベット文字に続く。たとえば、ＣＷ（ＣＣＷ）入力光は点Ａ１（Ａ２）において開始し、点Ｂ１（Ｂ２）において共振器に結合され、点Ｃ１（Ｃ２）において共振器から外部に結合され、検出器Ｄ１（Ｄ２）に達する。ＣＷ光のための第１の反射点は文字「Ｐ」を付され、第２の反射点は文字「Ｑ」を付される。ＣＣＷビームの場合、第１の反射点は「Ｑ」であり、第２は「Ｐ」である。具体的には、図１の「Ｐ」及び「Ｑ」は、両方の反射点が点４１及び４２においてリングキャビティー内部にあるときの第１の構成の二重反射を示す。
【００４４】
特定の構成のための各二重反射光学経路は、光伝搬の方向を指示する矢印によって接続される経路上の一連の点によって示すことができる。たとえば、図１に示される第１の構成における二重反射ＣＷ及びＣＣＷ光は、以下のように表すことができる。
【００４５】
【数１】
【００４６】
及び
【００４７】
【数２】
【００４８】
上記の式（１）及び（２）において、１つの点から別の点まで伝搬する光は、矢印によって指示される。矢印上の「＋」符号及び「−」符号はそれぞれ、ＣＷ方向及びＣＣＷ方向を指示する。矢印上の「＋」及び「−」符号の右側に整数ｍ、ｌ、ｎがあるとき、それは、指示された方向において光が整数分だけ循環することを意味する。矢印上の「Ｉｎ」及び「Ｏｕｔ」は、その光が入力経路上にあるか、出力経路上にあるかを指示する。
【００４９】
たとえば、式（１）は、ＣＷ光がＡ１からＢ１に入力し、ＣＷ方向においてＢ１からＰに伝搬し、その後、ＣＷ方向においてｌ回だけ循環し、点Ｐに戻り、その後、Ｐによって反射され、ＣＣＷ方向においてＰからＱまで伝搬し、その後、ＣＣＷ方向においてｍ回だけ循環し、Ｑに戻り、その後、Ｑによって反射され、ＣＷ方向においてＱからＣ１まで伝搬し、その後、ＣＷ方向においてｎ回だけ循環し、Ｃ１に戻り、最後に、共振器から外部の検出器Ｄ１に結合されると解釈することができる。ｍ、ｌ、ｎは二重反射を伴う特定の光学経路を記述するための負ではない任意の整数とすることができる。整数０は、光がリングキャビティー内で循環しないことを意味する。
【００５０】
共振器内で異なる回数のラウンドトリップを受けた数多くの光波場（後方反射されるか否か）は、ＲＦＯＧリングキャビティーにおいて循環することに起因して、光検出器において重なり合う。ジョーンズ行列表記を用いて光波伝搬を記述するとき、検出器における全ての二重反射ＣＷ光場の総和は以下の式によって表すことができる。
【００５１】
【数３】
【００５２】
ただし、たとえば、ジョーンズ行列ＭＡ１Ｂ１は点Ａ１からＢ１までの伝搬を記述し、行列ＭＱ−ｍは点Ｑから点ＱまでのＣＣＷ方向における光の循環を記述する。これらのジョーンズ行列は、光学経路の偏光交差結合、損失及び複屈折特性を記述する。簡単にするために、ここで、１つの偏光モードのみが仮定される場合には、全ての行列を複素数に変形することができ、上記の式は以下の形に整理し直される。
【００５３】
【数４】
【００５４】
ここで、κは、１つ又は複数のラウンドトリップを含むことなく、二重反射を通しての入力から出力までの伝達係数であり（すなわち、κは右括弧の値である）、λはリングキャビティーラウンドトリップ振幅伝達係数であり、φＳは、回転速度が０でないことに起因するサニャック位相である。
【００５５】
主ビーム（二重反射を含まない）は以下のように表される。
【００５６】
【数５】
【００５７】
ただし、χは反射を含まない入力ポートから出力ポートまでの伝達係数である。二重反射ＣＷ光場ＥＣＷ＿２Ｒと主信号場ＥＣＷ＿ｍとの干渉は、ＣＷ回転速度誤差の大きな一因である。この回転速度誤差を計算するために、信号の変調及び復調が、モデルによって考慮に入れられなければならない。ωｍの角周波数及びＭラジアンの位相振幅を用いる正弦波位相変調後に、検出器における主信号光場のν−高調波周波数成分は、以下の式によって与えられる。
【００５８】
【数６】
【００５９】
ただし、Ｊνは第一種のν次ベッセル関数であり、ωｃはレーザービームの中心角周波数であり、ηはリングキャビティーラウンドトリップ伝達係数であり、ΔｆはＨｚ単位のレーザー線幅であり、τはリングキャビティーラウンドトリップ時間である。同様に、検出器における二重反射場のｗ−高調波周波数成分は以下の式によって表すことができる。
【００６０】
【数７】
【００６１】
主信号のｗ周波数成分とν周波数成分との間のビートに起因する角周波数（ｗ−ν）ωｍにおける主信号強度は以下のように導出される。
【００６２】
【数８】
【００６３】
Ｅｗ＿２ＲとＥν＿ｍとの間のビートに起因する周波数（ｗ−ν）ωｍにおける、反射によって引き起こされる誤差信号強度は以下のようになる。
【００６４】
【数９】
【００６５】
ただし、Ｚｗν＿ｍ及びＺｗν＿ｒはそれぞれ、最後のステップにおいて式（８）及び（９）を簡単にするために用いられる。ｗ−ν＝１の条件を満たす全ての取り得る項にわたる総和が、変調周波数ωｍにおける最後の主信号を生成する。
【００６６】
【数１０】
【００６７】
同様に、ωｍにおける二重反射によって引き起こされる誤差信号は以下のように計算することができる。
【００６８】
【数１１】
【００６９】
復調される全ての同相及び直交信号は、回転速度誤差を計算するためのＩ（ωｍ）＝Ｉｍ（ωｍ）＋Ｉｒ（ωｍ）の式に含まれる。ＣＷ及びＣＣＷ回転速度誤差は、上記と同じようにして計算することができ、正味の回転速度誤差は、一方から他方を減算することによって得られる。
【００７０】
上記で導出された数式を用いて、二重反射によって引き起こされるＲＦＯＧ回転速度誤差を定量化することができる。図５Ａは、自由スペクトル領域単位におけるキャビティー共振周波数からのレーザー周波数偏移の関数として、式（１０）を用いて計算される復調主信号の一例を示すグラフである。理想的には、すなわち、二重反射を含まない場合には、レーザー周波数が共振中心に同調するときに、主信号は０である。リングキャビティー内に二重反射が存在する場合、図５Ｂ、図５Ｃ及び図５Ｄのグラフにおいて示されるように、共振中心において、式（１１）を用いて計算される、０でない復調誤差信号が存在する。この誤差信号は不安定であり、主光波と誤差光波との間の相対的な位相変化に応じて、その符号及び大きさが変化する。ファイバー長が変化する結果として（たとえば、温度変動によって引き起こされる）、主信号波と反射誤差波との間に相対的な位相変化が生じることになる。図５Ｂ、図５Ｃ及び図５Ｄは、３つの異なる相対位相（０度、９０度及び１５０度）における誤差信号を例示的に示しており、二重反射によって引き起こされる不安定を示す。
【００７１】
ＣＷ及びＣＣＷの個々のビームの大きな信号変動は、測定される回転速度の大きな変動を必ずしも意味しない場合がある。ＲＦＯＧがＣＷ及びＣＣＷ共振周波数測定に関して高い対称性を有する、すなわち、リングキャビティーの高い対称性、ＣＷ及びＣＣＷ光ビーム並びに位相変調の同一特性等を有する場合には、ＣＷ及びＣＣＷ回転速度誤差の相殺効果があるため、正味の回転速度誤差を非常に小さくすることができる。図６Ａのグラフは、ジャイロスコープが２５度／ｈｒの例示的な速度において回転しているときに、（主光波と反射誤差光波との間の）相対的な位相変化の関数として個々のＣＷ及びＣＣＷ回転速度誤差変動をプロットする。ＣＷ及びＣＣＷ信号はそれぞれ、リングキャビティー内の二重反射の存在に起因して、大きな回転速度誤差変動（〜１５度／ｈｒピーク・ツー・ピーク）を示す。しかしながら、ＣＷ及びＣＣＷ信号の減算後に、測定された回転速度は、ＣＷとＣＣＷとの間の完全な対称性に起因して、図６Ｂに示されるように非常に小さな回転速度誤差（０．０００４度／ｈｒピーク・ツー・ピーク）を有する。図６Ｂに示される小さな残留回転速度誤差変動は、ＣＷ及びＣＣＷ方向における反射光波の伝搬について、０でない回転が引き起こす非対称性によって生じる。回転速度が０である場合には、この残留回転速度誤差変動は消失することになる。
【００７２】
対称なＲＦＯＧの二重反射タイプの回転速度誤差の相殺効果をさらに示すために、図７Ａのグラフは、他の全てのＣＷ及びＣＣＷパラメーターが同一であるときに、ＣＣＷ位相変調周波数とＣＷ位相変調周波数との比の関数として、正味のピーク・ツー・ピーク回転速度誤差変動の依存性を示す。ＣＷ及びＣＣＷ位相変調周波数が同一であるとき（図７Ａの中心における１の比によって指示される）、有効な相殺が生じることが明らかである。図７Ｂのグラフは、ＣＣＷ位相変調振幅とＣＷ位相変調振幅との比に対するピーク・ツー・ピーク回転速度誤差変動の同様の依存性を示す。完全な回転速度誤差の相殺は、ＣＷ及びＣＣＷ変調周波数並びに振幅が同一であるときに達成することができる。
【００７３】
図８のグラフは、ＣＷ及びＣＣＷ変調周波数が潜在的に異なるときに、変調振幅を調整することによって回転速度誤差を相殺するためのシミュレーション結果を示す。変調周波数が同一でない場合に、最小のピーク・ツー・ピーク回転速度誤差は１から離れた変調振幅比によって得ることができるが、その残留回転速度誤差は、完全に相殺する場合（変調周波数及び変調振幅がいずれも同一であるとき）よりも著しく高い。
【００７４】
位相変調周波数及び変調振幅に加えて、他の光ビーム特性も回転速度誤差相殺効果に影響を与える場合がある。たとえば、ＣＷ光とＣＣＷ光との間に線幅差があると、回転速度誤差相殺が不完全になる可能性がある。ＣＣＷレーザー線幅とＣＷレーザー線幅との比の関数としての回転速度誤差の依存性が、図９のグラフにおいてプロットされる。ＣＷ及びＣＣＷレーザーが同一の線幅を有するときに、優れた相殺が生じる。しかしながら、図９を図７Ａ及び図７Ｂと比較することによって、レーザー線幅差に対する実効的な回転速度誤差相殺の感度が、変調周波数／変調振幅に対する感度よりもはるかに低いことが明らかである。ＣＷ及びＣＣＷのレーザー線幅の１０％の差は、０．００５度／ｈｒのピーク・ツー・ピーク回転速度誤差を引き起こすが、一方、変調周波数／振幅差の１０％の差は、０．７度／ｈｒよりも大きな回転速度誤差を引き起こす可能性がある。
【００７５】
上記の解析及びモデル化は、二重反射によって引き起こされる回転速度誤差を相殺する実効的な方法を提供する。図１０は、そのような例示的な方法を示す流れ図である。最初に、ＣＷ及びＣＣＷビームの伝搬に対して高い対称性を有するＲＦＯＧリングキャビティーが構築される（ブロック５１０）。光学経路内のいずれにおいても後方反射をできる限り回避し、低減することに注意を払うべきである。次に、回転速度誤差相殺効果を改善するために、ＣＷ及びＣＣＷ光ビームに対して、レーザー線幅、電力、位相変調振幅及び周波数等の同一の（又は概ね同一の）パラメーターが選択される（ブロック５２０）。次のステップにおいて、ピーク・ツー・ピーク回転速度誤差を測定するために、ＲＦＯＧにキャビティー長変調が適用される（ブロック５３０）。次のステップにおいて、これらの回転速度誤差を用いて、ＣＷ又はＣＣＷパラメーターのうちの少なくとも一方を調整して、キャビティー長を変調しながら、観測されるピーク・ツー・ピーク回転速度誤差を最小限に抑える（ブロック５４０）。それでもピーク・ツー・ピーク回転速度誤差が要件よりも大きい場合には、ＲＦＯＧは、キャビティー長変調をオンにして動作し続けることができる（ブロック５５０）。たとえば、ピーク・ツー・ピーク回転速度誤差が所定のしきい値よりも大きい場合には、キャビティー長変調を適用して、平均化を通して回転速度誤差を除去することができる。
【００７６】
キャビティー内の反射を低減するために、第１のステップ（ブロック５１０）に戻ることが必要な場合があるか、又はＣＷ及びＣＣＷ回転速度誤差相殺を改善するために、パラメーター調整過程（ブロック５４０）を繰り返すことが必要な場合がある。先行するステップにおいて、回転速度誤差が要件より小さくなる等、ピーク・ツー・ピーク回転速度誤差が仕様の範囲内に抑制されると、ＲＦＯＧのキャビティー長変調をオフにすることができるか（ブロック５６０）、又は構成要素及び運用コストを削減するために、ジャイロスコープから取り外すことができる。
【００７７】
本発明は、その不可欠な特徴から逸脱することなく、他の具体的な形で具現することもできる。記述される実施形態は、あらゆる点において、例示にすぎず、限定するものと見なされるべきではない。それゆえ、本発明の範囲は、これまでの説明によってではなく、添付の特許請求の範囲によって示される。特許請求の範囲の均等の意味及び範囲内に入る全ての変更が、特許請求の範囲内に包含されるべきである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共振器光ファイバージャイロスコープであって、
共振器光学リングキャビティーと、
前記リングキャビティーと光学的に通信し、該リングキャビティーに伝送される時計回り光学信号を生成するように構成される第１の光源と、
前記リングキャビティーと光学的に通信し、該リングキャビティーに伝送される反時計回り光学信号を生成するように構成される第２の光源と、
前記第１の光源及び前記リングキャビティーと光学的に通信する第１の光学構成要素であって、前記時計回り光学信号が前記第１の光源に後方反射されるのを防ぐように構成される、第１の光学構成要素と、
前記第２の光源及び前記リングキャビティーと光学的に通信する第２の光学構成要素であって、前記反時計回り光学信号が前記第２の光源に後方反射されるのを防ぐように構成される、第２の光学構成要素と、
前記リングキャビティーに光学的に結合される第１の光学検出器と、
前記リングキャビティーに光学的に結合される第２の光学検出器と、
を備える、共振器光ファイバージャイロスコープ。
【請求項２】
前記第１の光源からの前記時計回り光学信号を前記リングキャビティー内に結合するように構成される第１の入力結合器と、
前記第２の光源からの前記反時計回り光学信号を前記リングキャビティー内に結合するように構成される第２の入力結合器と、
前記リングキャビティーからの前記時計回り光学信号を前記第１の光学検出器に結合するように構成される第１の出力結合器と、
前記リングキャビティーからの前記反時計回り光学信号を前記第２の光学検出器に結合するように構成される第２の出力結合器と、
前記第１の出力結合器と前記第１の光学検出器との間に配置される第３の光学構成要素であって、前記時計回り光学信号が前記リングキャビティーに後方反射されるのを防ぐように構成される、第３の光学構成要素と、
前記第２の出力結合器と前記第２の光学検出器との間に配置される第４の光学構成要素であって、前記反時計回り光学信号が前記リングキャビティーに後方反射されるのを防ぐように構成される、第４の光学構成要素と、
をさらに備える、請求項１に記載の共振器光ファイバージャイロスコープ。
【請求項３】
前記第１の光学構成要素、前記第２の光学構成要素、前記第３の光学構成要素及び前記第４の光学構成要素はそれぞれ光学アイソレーターを含む、請求項３に記載の共振器光ファイバージャイロスコープ。
【請求項１】
共振器光ファイバージャイロスコープであって、
共振器光学リングキャビティーと、
前記リングキャビティーと光学的に通信し、該リングキャビティーに伝送される時計回り光学信号を生成するように構成される第１の光源と、
前記リングキャビティーと光学的に通信し、該リングキャビティーに伝送される反時計回り光学信号を生成するように構成される第２の光源と、
前記第１の光源及び前記リングキャビティーと光学的に通信する第１の光学構成要素であって、前記時計回り光学信号が前記第１の光源に後方反射されるのを防ぐように構成される、第１の光学構成要素と、
前記第２の光源及び前記リングキャビティーと光学的に通信する第２の光学構成要素であって、前記反時計回り光学信号が前記第２の光源に後方反射されるのを防ぐように構成される、第２の光学構成要素と、
前記リングキャビティーに光学的に結合される第１の光学検出器と、
前記リングキャビティーに光学的に結合される第２の光学検出器と、
を備える、共振器光ファイバージャイロスコープ。
【請求項２】
前記第１の光源からの前記時計回り光学信号を前記リングキャビティー内に結合するように構成される第１の入力結合器と、
前記第２の光源からの前記反時計回り光学信号を前記リングキャビティー内に結合するように構成される第２の入力結合器と、
前記リングキャビティーからの前記時計回り光学信号を前記第１の光学検出器に結合するように構成される第１の出力結合器と、
前記リングキャビティーからの前記反時計回り光学信号を前記第２の光学検出器に結合するように構成される第２の出力結合器と、
前記第１の出力結合器と前記第１の光学検出器との間に配置される第３の光学構成要素であって、前記時計回り光学信号が前記リングキャビティーに後方反射されるのを防ぐように構成される、第３の光学構成要素と、
前記第２の出力結合器と前記第２の光学検出器との間に配置される第４の光学構成要素であって、前記反時計回り光学信号が前記リングキャビティーに後方反射されるのを防ぐように構成される、第４の光学構成要素と、
をさらに備える、請求項１に記載の共振器光ファイバージャイロスコープ。
【請求項３】
前記第１の光学構成要素、前記第２の光学構成要素、前記第３の光学構成要素及び前記第４の光学構成要素はそれぞれ光学アイソレーターを含む、請求項３に記載の共振器光ファイバージャイロスコープ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図５Ｄ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図５Ｄ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−４７７２７（Ｐ２０１２−４７７２７Ａ）
【公開日】平成２４年３月８日（２０１２．３．８）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１１−１４２３１８（Ｐ２０１１−１４２３１８）
【出願日】平成２３年６月２７日（２０１１．６．２７）
【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２４年３月８日（２０１２．３．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４２３１８（Ｐ２０１１−１４２３１８）
【出願日】平成２３年６月２７日（２０１１．６．２７）
【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）】
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