自由空間共振器を備える光ジャイロおよび慣性回転速度を感知する方法
【課題】従来型光ファイバに基づくファイバ共振器ジャイロに関連する非線形カー効果、誘導ブリリュアン散乱、偏光誤差、および曲げ損失による不正確さを最小限に抑える低コスト、回転速度の測定精度を低下させる誤差機構の効果を低減する、光ジャイロの回転速度を感知する方法および装置を提供する。
【解決手段】空気または真空の自由空間光経路を有する共振器を使用して、軸の周りのリング共振器の回転速度を感知する。リング共振器は、基板３０と、基板上に形成または配置された反射器２０、２２、２４、２６とを備える。反射器は閉光路３９を有し、第１および第２の光ビームのそれぞれを閉光路の相異なる逆伝播方向に向けるように構成される。第１および第２の光ビーム周波数のそれぞれが、光ビームが閉光路内を循環している伝播方向の共振器の共振周波数に同調される。
【解決手段】空気または真空の自由空間光経路を有する共振器を使用して、軸の周りのリング共振器の回転速度を感知する。リング共振器は、基板３０と、基板上に形成または配置された反射器２０、２２、２４、２６とを備える。反射器は閉光路３９を有し、第１および第２の光ビームのそれぞれを閉光路の相異なる逆伝播方向に向けるように構成される。第１および第２の光ビーム周波数のそれぞれが、光ビームが閉光路内を循環している伝播方向の共振器の共振周波数に同調される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にジャイロシステムに関し、より詳細には、ナビゲーションシステムおよび姿勢制御で使用される回転センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ジャイロは、回転軸の周りの回転速度または角速度の変化を測定するのに使用されている。基本的な従来型光ファイバジャイロ（ＦＯＧ）は、光源と、ビーム生成装置と、エリアを取り囲む、ビーム生成装置に結合された光ファイバのコイルとを含む。ビーム生成装置は、光ビームをコイルに伝送し、光ビームは、光ファイバのコアに沿って時計回り（ＣＷ）方向および反時計回り（ＣＣＷ）方向に伝播する。多くのＦＯＧは、ファイバの固体ガラスコアに沿って光を伝達するガラスベースの光ファイバを使用する。この２つの逆伝播（例えばＣＷとＣＣＷ）ビームは、回転閉光路の周りを伝播する間の経路長が異なり、この２つの経路長の差は回転速度に比例する。
【０００３】
共振器光ファイバジャイロ（ＲＦＯＧ）では、望ましくは、各逆伝播光ビームは単色（例えば、単一周波数）であり、光ファイバコイルの複数のターンを循環し、ファイバカップラなどの、コイルを通過した光を再びコイルに戻す（すなわち光を循環させる）装置を使用して、コイルを複数回通過する。ビーム生成装置は、共振コイルの共振周波数を観測できるように、各逆伝播光ビームの周波数を変調および／またはシフトする。コイルを通るＣＷ経路およびＣＣＷ経路のそれぞれについての共振周波数は、コイルを異なる回数だけ通過したすべての光波がコイル内の任意の地点で強め合う干渉を行うような、ビームの強め合う干渉条件に基づく。この強め合う干渉の結果として、ラウンドトリップ共振器経路長が波長の整数倍に等しいとき、波長λを有する光波が「共振中」であると呼ばれる。コイルの回転により、時計回りの伝播と反時計回りの伝播に対して異なる波長が生み出され、したがって共振器のそれぞれの共振周波数間のシフトが生み出され、回転による閉光路の共振周波数偏移と整合するようにＣＷビームおよびＣＣＷビーム周波数を同調させることによって測定することができるような周波数差は、回転速度を示す。
【０００４】
ＲＦＯＧでは、光ファイバのガラス材料が、ＣＷおよびＣＣＷ経路の共振周波数をシフトさせる可能性があり、したがって誤った回転の表示が生成され、または回転速度の測定が不正確となる。反射ミラーを使用してコイル中の逆伝播光ビームを複数回循環させることができるが、これは通常、ミラーからコイルへの遷移時に生成される損失により、信号対雑音比を低下させる。非線形カー効果、誘導ブリリュアン散乱、および偏光誤差により、回転速度の測定精度を低下させる追加の異常が生成される可能性がある。これらの誤差機構はまた、環境の影響を受けやすく、例えば望ましくない温度感度を引き起こす。
【０００５】
非線形カー効果は、ＲＦＯＧ内部の高単色光出力が光ファイバ内のガラスの屈折率を変化させるときに生じる。ＣＷおよびＣＣＷビームの強度の不整合は、観測される周波数偏移に関する数度／時程度の偏りを誘発する可能性がある。誘導ブリリュアン散乱（ＳＢＳ）は、ファイバ共振器での高フィネスに関連する高強度がガラス繊維でレイジングまたは誘導放射を引き起こすときに生じ、これが一般に、共振周波数の測定における大きな不安定性を促進する。偏光誘導誤差は、ある光ファイバから隣接する光ファイバに、または同一のファイバ内で、光を偶然に第２の偏光モードに結合させるファイバカップラから生じる可能性がある。第２の偏光モードは、回転を測定するのに使用される偏光モードの共振線形中の非対称性を生み出すように共振する可能性がある。第２の偏光モードの周波数がＣＷビームとＣＣＷビームについて同一であったとしても、振幅が異なる可能性があり、したがって、回転の効果以上の、異なるＣＷおよびＣＣＷビームの共振周波数の観測を引き起こす。ＣＷおよびＣＣＷビームの各共振周波数についての共振中心の決定は回転速度測定に直接影響を及ぼすので、偏光誘導誤差はＲＦＯＧの精度を極度に制限し得る。
【０００６】
精度に影響を及ぼす可能性のある誤差機構に直面することに加えて、従来型ＲＦＯＧは、小規模のＲＦＯＧでは特に、大量生産に対してはコストが非常に高い可能性がある。従来型ＲＦＯＧは複数の構成要素（例えば、光源、ビームジェネレータ、コイルなど）のアセンブリであり、それは、各構成要素についての関連するコストと、そのような構成要素を組み立てるための関連するコストとを有する。小規模応用例では、ＲＦＯＧを組み立てることに関連するコストは一般に、各構成要素を小型化し、小型化した光構成要素を位置合せするコストの上昇と共に上昇する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、コストが低く、大量生産に適したハイグレード光ジャイロを提供することが望ましい。より具体的には、従来型光ファイバに基づくファイバ共振器ジャイロに関連する非線形カー効果、誘導ブリリュアン散乱、偏光誤差、および曲げ損失による不正確さを最小限に抑える低コスト光ジャイロを提供することが望ましい。さらに、回転速度の測定精度を低下させる誤差機構の効果を低減する、光ジャイロの回転速度を感知する方法を提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
空気または真空の自由空間光経路を有する共振器を使用して、軸の周りのリング共振器の回転速度を感知する方法および装置が提供される。例示的実施形態では、リング共振器は、基板と、基板上の閉光路を有する１組の反射面とを有する。１組の反射面は、第１および第２の光ビームのそれぞれを閉光路の相異なる逆伝播方向に向けるように構成される。第１および第２の光ビームのそれぞれは、閉光路で循環するときに共振周波数を有する。
【０００９】
別の例示的実施形態では、光ジャイロが、少なくとも１つの基板と、基板上の、第１および第２の光ビームを生成するように構成されたビームジェネレータと、基板上の、閉光路を有する１組の反射面と、基板上の、第１の逆伝播方向の第１の共振周波数および第２の逆伝播方向の第２の共振周波数を検出するように構成されたセンサと、センサに結合され、第１の共振周波数と第２の共振周波数との間の差に基づいて光ジャイロの回転速度を求めるように構成されたプロセッサとを備える。１組の反射面は、第１および第２の光ビームのそれぞれの一部を閉光路の相異なる逆伝播方向で循環させるように構成される。第１および第２の光ビームのその一部のそれぞれは、閉光路で循環するときに共振周波数を有する。
【００１０】
別の例示的実施形態では、基板上に形成されたリング共振器の回転速度を感知する方法が提供される。この方法は、基板上の反射器の組で、自由空間を通じて閉光路に沿って第１および第２の逆伝播光ビームを循環させるステップと、リング共振器で光伝播の第１の逆伝播方向の第１の共振周波数を生成するステップと、リング共振器で光伝播の第２の逆伝播方向の第２の共振周波数を生成するステップと、第１の共振周波数と第２の共振周波数との間の周波数偏移を測定するステップとを含む。周波数偏移は回転速度を示す。 さらに、添付の図面およびこの発明の背景と共に行われる後続の発明の詳細な説明および添付の特許請求の範囲から、本発明のその他の望ましい機能および特徴が明らかとなるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下の図面と共に本発明を以下で説明する。図面では、同様の番号は同様の要素を示す。
【００１２】
以下の本発明の詳細な説明は、例示的な性質のものに過ぎず、本発明または本発明の応用例および用途を限定するものではない。さらに、前述の発明の背景または以下の発明の詳細な説明で提示されるどんな理論にも制約されるものではない。
【００１３】
ここで図面を参照すると、図１は、本発明の例示的実施形態による光ジャイロ１０の分解組立図である。光ジャイロ１０は、第１の基板３０と、第１の基板３０上に形成され、閉光路３９を有する共振器１４と、第１の基板３０上に形成された信号処理電子回路３４（例えば信号プロセッサ）と、信号処理電子回路に結合された第２の基板３２とを備える。第１の基板３０、共振器１４、および信号処理電子３４を第１の光ベンチ２９と総称する。基板３０、３２はシリコン、シリコンオンインシュレータなどでよい。ミニチュア光ベンチ技法を使用して、基板３０、３２と一体化すべき様々な精密光学構造を基板３０、３２の表面上にエッチングまたは形成することができる。さらに、外部光学構成要素を基板３０、３２の表面上に正確に取り付けることができ、あるいは基板３０、３２または基板３０、３２のベース層の上の追加の材料層上に形成することができる。光ジャイロ１０の各構成要素は、（例えば基板３０、３２上にエッチングまたは形成することによって）基板３０、３２の中または上に一体化することができ、あるいは基板３０、３２上に形成し、または取り付けることができる。議論を簡単にするために、基板という用語は、基板のベース層の上に形成することのできる追加の材料層を含む。
【００１４】
第２の光ベンチ３１は第２の基板３２上に基づき、必ずしも限定はされないが、第２の基板３２と、光ビームを生成するレーザ３８と、レーザ３８から受け取った光ビームから２つの光ビームを生成し、その２つの光ビームを共振器１４および光センサ３５に向けるミニチュア光学素子３６、３７（例えばミラー反射器）とを含む。第２の光ベンチ３１は、例えば、限定ではないが、共振器１４と第２の光ベンチ３１の構成要素（例えば光センサ３５）との間に光ビームをさらに向ける光学素子を含む他の光学素子および導波路を含むことができる。代替実施形態では、第２の光ベンチ３１上に組み込まれた機能の一部またはすべてを直接第１の基板２０上に取り付け、または形成することができ、したがって第１および第２の光ベンチが単一基板上で組み合わされる。
【００１５】
ミニチュア光学素子３６、３７から光ビームを受けた後、以下でより詳細に説明するように、共振器１４は、エリアを取り囲むように閉光路３９に沿って２つの光ビームを各逆伝播方向（例えば時計回り（ＣＷ）方向と反時計回り（ＣＣＷ）方向）に向ける。サニャック効果の適用により、光ジャイロ１０は、光ジャイロ１０の軸の周りの回転速度を感知する。例えば、光センサ３５は、ＣＷおよびＣＣＷ光ビームに関する共振線形の共振中心を検出し、信号処理電子回路プラットフォーム３４上のプロセッサが、検出した共振中心間の周波数偏移に基づいて、共振器１４の各逆伝播方向に関連する共振周波数を求め、光ジャイロ１０の回転速度を求める。
【００１６】
例示的実施形態では、共振器１４は、エリアを取り囲む矩形構成として基板３０にエッチングされ、または基板３０上に配置された４つの反射器２０、２２、２４および２６を備える。反射器２０、２２、２４および２６間の光ビームの経路は、真空または空気または気体である自由空間であり、それによって反射器２０、２２、２４、および２６間で光が受ける屈折率がほぼ１となる。４つの反射器を備える共振器１４を図示し、説明するが、共振器１４は、閉光路３９に沿って各逆伝播光ビームを向ける３つ以上の反射器を備えることができる。各反射器２０、２２、２４および２６は、閉光経路３９に沿って光ビームを向ける高反射性被覆を有する。例えば、共振器１４は、第１の光ビームを受け、第１の光ビームを反射器２４から反射器２０、反射器２６、反射器２２、そして反射器２４に戻るように向けることにより、閉光路３９に沿って第１の光ビームをＣＣＷ方向に向ける。共振器１４はまた、第２の光ビームを受け、第２の光ビームを反射器２４から反射器２２、反射器２６、反射器２０に、そして反射器２４に戻るように向けることにより、閉光路３９に沿って第２の光ビームをＣＷ方向に向ける。反射器２０、２２、２４、および２６のそれぞれの間では、閉光路３９に沿って、光ビームが自由空間を伝播し、したがって共振器１４は自由空間で閉光路３９に沿って各逆伝播光ビームを向ける。
【００１７】
反射器２０、２２、２４および２６、ならびに反射器２０、２２、２４、および２６間のビーム経路をエッチングし、形成し、または配置し、第１の基板３０の表面上に共振器１４を形成し、第２の光ベンチ３１上にレーザ３８およびミニチュア光学素子３６、３７を取り込み、第１の基板３０に信号処理電子回路３４を取り込むことにより、大量生産に理想的な、かなり小型で低コストのシリコン光ジャイロを製造することができる。基板および材料系はシリコンであることが好ましいが、適した特性を有するその他の材料（例えばアルミナ、窒化物、ＩＩＩ−Ｖ族元素、その他の耐火性材料など）を基板用に使用することができる。
【００１８】
図２は、本発明の例示的実施形態による光ジャイロ１０のブロック図である。光ジャイロ１０は、図１に示す共振器１４を備え、ビームジェネレータ１２、光センサ１６、および光センサ１６に結合された（例えば、第１の基板３０にあることができ、または図１に示す第１の基板３０上に取り付けられた別々の基板にあることのできる信号処理電子回路プラットフォーム３４上にある）プロセッサ１８をさらに備える。ビームジェネレータ１２は、閉光路３９に沿って各逆伝播方向（例えばＣＷ方向およびＣＣＷ方向）に伝播する光ビームを生成する。例示的実施形態では、ビームジェネレータ１２は、周波数ｆ０を有する光ビームを生成する同調可能光源１１（例えばレーザ）と、光源１１から光ビームを受け、光源からの光ビームを第１および第２の光ビーム（例えばＣＣＷ伝播光ビームおよびＣＷ伝播光ビーム）に分割するビームスプリッタ１３と、ビームスプリッタ１３から第１の光ビームを受け、第１の光ビームを変調する第１の波形変調器１５と、ビームスプリッタ１３から第２の光ビームを受け、第２の光ビームを変調する第２の波形変調器１９と、第１の波形変調器１５から第１の被変調光ビームを受け、第１の被変調光ビームの周波数をシフトする周波数シフタ１７とを備える。光源１１は、周波数安定性を有し、線幅がかなり狭く、出力能力が比較的高い単一周波数可同調レーザである。波形変調器１５、１９は、正弦波形を光ビームに導入することなどによって第１および第２の光ビームを周波数変調し、本明細書の以下により詳細に説明するように、検出した周波数偏移（Δｆ）に対する光ジャイロ１０の感度を向上するように特定の変調を選択することができる。第１の被変調光ビームおよび第２の被変調光ビームは、それぞれＣＣＷ方向およびＣＷ方向に伝播するように共振器１４に導入される。
【００１９】
別の例示的実施形態では、ビームジェネレータ１２は、ＣＣＷおよびＣＷ光ビームをそれぞれ合成し、光ビームを共振器１４に導入する第１および第２の可同調レーザを含む。この例示的実施形態では、第１のレーザで生成された光ビームが周波数ｆ０に同調され、第２のレーザで生成された光ビームが周波数ｆ０＋Δｆに同調され、それによって周波数シフタ１７が置き換えられる。この例では、２つのレーザ周波数間の相対周波数ドリフトおよびジッタは、周波数偏移、すなわち回転速度の測定値の精度および安定性を最小限に抑え、またはそれらに影響を及ぼさないレベルにまで実質上最小限に抑えられるべきである。このことは、電子サーボを使用してうなり周波数を可同調安定オフセット（回転速度に比例）にロックするようなレーザ周波数安定化技法によって実施することができる。ビームジェネレータ１２は、２つのレーザのそれぞれにそれぞれの周波数で正弦波周波数変調させるような直接ソース変調を有することが好ましく、それによって波形変調器１５、１９が置き換えられる。
【００２０】
回転感知のために、ＣＣＷビームの周波数ｆ０は、（例えば、レーザ１１の周波数を同調することによって）ＣＣＷ方向の共振器１４の共振振動に同調される。周波数シフタ１７は周波数Δｆを同調し、ＣＣＷビーム周波数をＣＣＷ方向の共振器１４の共振周波数に対する共振中心に整合させる。回転感知中、周波数シフタ１７は、光の光周波数をレーザ１１の光周波数からΔｆだけ周波数偏移し、周波数偏移後の光をＣＷ方向で共振器１４に向ける。周波数偏移を実施する２つの方法には、音響光学周波数シフタの使用と、セロダイン変調波形を有する位相変調器の使用が含まれる。前者の方法では、音響光学周波数シフタは、第１の基板３０上に形成または配置された音響光学デバイスでよい。後者の方法では、レーザ１１からのビームが基板上に形成された導波路に導入され、セロダイン信号で位相変調される。セロダイン波形は鋸波形である。比較的純粋な周波数偏移を適用するために、以下でより詳細に説明する鋸波形の位相のずれの振幅が、２πの整数倍に設定され、鋸波形は、その周期と比較したときにかなり高速なフライバック時間を有する。
【００２１】
閉光路３９の共振中心周波数をＣＷ方向またはＣＣＷ方向で測定するために、標準同期検出技法が使用される。各入力光ビーム（例えばＣＷビームおよびＣＣＷビーム）が正弦波位相変調され、したがってそれぞれ周波数ｆｍおよびｆｎで周波数変調され、光センサ１６で測定されたときに、共振線形にわたって各入力ビーム周波数がディザリングされる。例えば、光センサ１６に結合された追加の回路が、それぞれ周波数ｆｍおよびｆｎの光センサ１６の出力を復調し、ＣＷおよびＣＣＷビームの光出力で示される共振中心を測定することができる。共振線形の線中心、すなわち共振中心では、光センサ１６は、それぞれ基本周波数ｆｍおよびｆｎで最小出力を検出する。入力ビーム周波数（例えばｆ０＋Δｆまたはｆ０）が共振外れであるとき、それぞれ周波数ｆｍおよびｆｎの誤差信号が、光センサ１６で感知され、それぞれのビーム周波数を共振器１４のそれぞれの共振周波数に同調するのに使用される。ＣＣＷビームの周波数が、レーザの周波数ｆ０を変更することによって同調され、ＣＷビームの周波数が、周波数シフタの周波数偏移Δｆを変更するフィードバックループを介して調節され、その結果、ｆ０＋Δｆが、共振器１４のＣＷ共振周波数に整合する。
【００２２】
ｆ０＋ΔｆがＣＷ方向で共振器１４の共振周波数から離れて同調されるとき、ＣＷビームからのエネルギーは光センサ１６で最大強度を生成しない。ｆ０＋ΔｆがＣＷ方向で共振器１４の共振周波数に同調されるとき、ＣＷビームは最小出力すなわち共振ディップを有し、それによって共振中心を示す。ＣＣＷ光ビームについて同様に、ＣＣＷビームがＣＣＷ方向の共振器１４の共振周波数に同調されるとき、ＣＣＷビームのエネルギーが閉光路３９に進入する。
【００２３】
回転がない場合、共振器１４内部のＣＷおよびＣＣＷビームのそれぞれＣＷおよびＣＣＷ方向でのラウンドトリップ経路長はほぼ等しい。したがって、Δｆは周波数シフタ１７によってゼロに同調される。回転がある場合、ラウンドトリップ経路長は、ＣＷ方向とＣＣＷ方向の間で異なり、回転速度に比例するその２方向間の共振周波数差が生成される。ＣＣＷ共振を追跡するように周波数ｆ０を同調し、ＣＷ共振中心を追跡するように周波数Δｆを同調することにより、回転速度が求められる。例示的実施形態では、プロセッサ１８は、共振器１４の閉光路３９のその２方向間の共振周波数差に基づいて回転速度を求める。
【００２４】
光ジャイロ１０の好ましい例示的実施形態では、セロダイン方法を使用して周波数シフティングが得られ、それによって位相ランプが入力光ビーム（例えばＣＷおよびＣＣＷビーム）に加えられる。波形変調器１５、１９などの位相変調器を連続的かつ線形の位相ランプで駆動することにより、位相ランプの傾きに比例する周波数偏移を得ることができる。２πの位相高さおよび周波数Δｆを有する鋸波形は、連続的ランプとほぼ同等の結果を生成し、回転の存在下でＣＷ共振を追跡するように鋸波周波数（Δｆ）が調節される。前述のように、鋸波形フライバック時間が波形周期と比べてかなり高速であるとき、周波数シフタ１７は、比較的純粋な周波数偏移を適用することができる。
【００２５】
共振器１４に導入された光は自由空間（例えば空気または真空）を通過する。光エネルギーは共振器１４の閉光路に沿って自由空間を通過し、反射器２０、２２、２４、および２６に関して高反射率レーザミラーを使用することができるので、共振器１４内で光を循環させるのに、低損失かつ魅力的な偏光特性が得られる。共振器１４は、従来型光ファイバのコア内のガラス媒体の特性に一般に関連する回転測定誤差を著しく減衰させ、または完全に除去するのに適している。
【００２６】
図３は、本発明の例示的一実施形態による、有効エリア（Ａ）を取り囲む共振器４０の略図である。共振器４０は、ビームジェネレータ１２（図２）から閉光路４１に沿って有効エリアを囲むように共に入力光ビーム（例えばＣＷ光ビームまたはＣＣＷ光ビーム）を向ける複数の反射要素４２、４４、４６、４８、５０、５２、５４、５６を備える。第１の組の反射器４６、５０、５４、および５６は光ビームを第１のループに向け、第２の組の反射器４４、４８、５２、および４２は、光ビームを第２のループに向け、したがって同等のエリアＡを２度周回する。好ましくは、閉光路４１は、２以上のループを含み、ジャイロ１０がサニャック効果を介して回転に対して敏感となるようにエリアを取り囲む。さらに、ループという用語は、逆伝播光ビームのポインティングベクトルが絶対値で１８０度より大きい角度でその方向を変えるように逆伝播光ビームがたどる経路を指す。例えば、第１のループは、反射器４２から反射器４６、反射器５０、反射器５４、そして反射器５６への光ビームの伝播を含み、第２のループは、反射器５６から反射器４４、反射器４８、反射器５２、そして反射器４２への光ビームの伝播を含む。
【００２７】
この例示的実施形態では、図２に示す共振器１４と比較して、閉光路４１に沿った単一の探査中に有効エリアＡを取り囲む共振器４０の反射器の数が増加し、それによって共振器経路長が増大し、したがって光ジャイロの信号対雑音比が向上する。閉光路のパス長が増大すると共に、図２に示すような反射器が少ない場合に、光ビームで取り囲まれるエリアＡが実質上保持される。追加の反射器または反射面を追加して、共振器４０の閉光路の経路長をさらに増大させることができる。
【００２８】
図４は、本発明の例示的実施形態によるリング共振器の回転速度を感知する方法の流れ図である。この方法はステップ１００で始まる。図１および４を参照すると、ステップ１０５で、ＣＷおよびＣＣＷ光ビームが共振器１４の閉光路３９の周りを循環する。共振器１４は、ある反射器から次の反射器に自由空間を通じて閉光路３９に沿って逆伝播光ビームを循環させる。共振器１４のＣＷ方向に対応する第１の共振線形が、ステップ１１０でＣＷ光ビームを共振器に導入することによって生成され、光センサ３７で検出される。共振器１４のＣＣＷ方向に対応する第２の共振線形が、ステップ１１５でＣＣＷ光ビームを共振器に導入することによって生成され、光センサ３７で検出される。ステップ１２０で、信号処理電子回路３４は、共振器１４内の光伝播のＣＷおよびＣＣＷ方向に関する共振周波数を求め、共振器１４内の光伝播のＣＷ方向の共振周波数と、共振器１４内の光伝播のＣＣＷ方向の共振周波数との間の周波数偏移を求め、この周波数偏移がリング共振器の回転速度を示す。
【００２９】
光ジャイロ１０の利点には、限定はしないが、低コスト小型パッケージで約１ｄｅｇ／ｈｒのバイアスおよび約０．１ｄｅｇ／ｒｏｏｔ−ｈｒの角度ランダムウォーク（ＡＲＷ）を提供できること、非常に低損失である共振器、導波路を使用してリング共振器内で光を循環させる光カップラではなく、高反射率ミラーを使用すること、異なる基板材料を使用してシリコン光ベンチまたは光ベンチ上に取り付けることのできる、コンパクトで安定したレーザ構成要素、ソースから共振器に光を結合することが容易であること、光学系と同一のプラットフォームの信号処理電子回路とのインターフェースが容易であること、または電子回路を同一のプラットフォームに統合することが容易であること、ジャイロ誤差を促進する可能性のあるシリカファイバまたはその他の導波路材料中の非線形効果が除去されること、共振器１４への遷移地点での光損失が大幅に低減されること、光透過特性をほとんど、または全く変化させずに、光ビームを非常に密な（例えば鉛筆の直径）ループで循環できることが含まれる。
【００３０】
例示的一実施形態では、光ジャイロ１０が、シリコンベースの微小光ベンチ上に構成され、または電子回路と光学系を一体化し、両者の間の効率的で適切で自己整合され機械的に安定なインターフェースを提供するシリコンオンインシュレータ電気光学回路と共に構成される。スプリッタ１３および波形変調器１５、１９に関連するような光学的機能を、光ベンチの表面付近に位置する導波路に組み込むことができ、またはシリコンフィルム内に形成することができる。そのようなシリコンフィルムの光学的特性および電気的特性は互換であるので、信号処理回路および光検出素子もシリコン層に一体化することができ、共振器経路自体などの導波路ではなく自由空間を移動するのに光波が必要でああったとしても、わずか１０ミクロンほどのフィーチャサイズのミニチュア光学構成要素をシリコン面上に取り付けて、大型のバルク光学系をなくすことができる。レーザダイオードおよびその周波数を安定化させる外部要素をシリコン光ベンチの頂面に取り付けることもできる。この例示的実施形態では、レーザおよび関連する周波数同調構成要素を光ベンチ上に取り付けることができ、周波数シフティングのためにセロダイン方法を使用することにより、周波数シフタ用のシリコン導波路で一体化光位相変調器の使用が可能となる。マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）光学プリズムを、レーザまたは自由空間光学系からシリコン導波路内およびシリコン導波路外に光を向けることのできる高反射レーザプリズムとして使用することができる。断熱的に光を導波路に結合するテーパー構造または屈折率分布型構造の使用、または格子の使用など、自由空間光学系から導波路に光を結合するその他の方式を組み込むことができる。こうした技法の使用は、シリコンプラットフォームでの光学系の製造を可能にし、したがって電子回路との一体化を可能にする。
【００３１】
光ジャイロ１０は、限定はしないが、例えば、航空機、ランドビークル、潜水艦、衛星、水上艦船のナビゲーションなどの慣性誘導を必要とする応用例を含む様々な応用例に適している。さらに、光ジャイロ１０に対して想定されるサイズが比較的小さいことにより、限定はしないが、例えば、小型ロボット、個々の兵士の履物、小規模衛星を含む非常に小型のプラットフォーム上での実際的な使用が可能となる。
【００３２】
少なくとも１つの例示的実施形態を上記の発明の詳細な説明で提示したが、膨大な数の変形形態が存在することを理解されたい。例示的実施形態は例に過ぎず、本発明の範囲、適用可能性、または構成をどんな形でも限定するものではないことも理解されたい。むしろ、上記の詳細な説明は、本発明の例示的実施形態を実装するのに好都合なロードマップを当業者に与えるものとなる。添付の特許請求の範囲に記載の本発明の範囲から逸脱することなく、例示的実施形態で述べた要素の機能および構成に様々な変更を行えることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の例示的実施形態による光ジャイロの分解組立図である。
【図２】本発明の例示的実施形態による光ジャイロのブロック図である。
【図３】本発明の例示的一実施形態による共振器の略図である。
【図４】本発明の例示的実施形態によるリング共振器の回転速度を感知する方法の流れ図である。
【符号の説明】
【００３４】
１０ 光ジャイロ
１１ 光源
１２ ビームジェネレータ
１３ ビームスプリッタ
１４ 共振器
１５ 第１の波形変調器
１６ 光センサ
１７ 周波数シフタ
１８ プロセッサ
１９ 第２の波形変調器
２０、２２、２４、２６ 反射器
２９ 第１の光ベンチ
３０ 第１の基板
３１ 第２の光ベンチ
３２ 第２の基板
３４ 信号処理電子回路
３５ 光センサ
３６、３７ ミニチュア光学素子
３８ レーザ
３９ 閉光路
４０ 共振器
４２、４４、４６、４８、５０、５２、５４、５６ 反射要素
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にジャイロシステムに関し、より詳細には、ナビゲーションシステムおよび姿勢制御で使用される回転センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ジャイロは、回転軸の周りの回転速度または角速度の変化を測定するのに使用されている。基本的な従来型光ファイバジャイロ（ＦＯＧ）は、光源と、ビーム生成装置と、エリアを取り囲む、ビーム生成装置に結合された光ファイバのコイルとを含む。ビーム生成装置は、光ビームをコイルに伝送し、光ビームは、光ファイバのコアに沿って時計回り（ＣＷ）方向および反時計回り（ＣＣＷ）方向に伝播する。多くのＦＯＧは、ファイバの固体ガラスコアに沿って光を伝達するガラスベースの光ファイバを使用する。この２つの逆伝播（例えばＣＷとＣＣＷ）ビームは、回転閉光路の周りを伝播する間の経路長が異なり、この２つの経路長の差は回転速度に比例する。
【０００３】
共振器光ファイバジャイロ（ＲＦＯＧ）では、望ましくは、各逆伝播光ビームは単色（例えば、単一周波数）であり、光ファイバコイルの複数のターンを循環し、ファイバカップラなどの、コイルを通過した光を再びコイルに戻す（すなわち光を循環させる）装置を使用して、コイルを複数回通過する。ビーム生成装置は、共振コイルの共振周波数を観測できるように、各逆伝播光ビームの周波数を変調および／またはシフトする。コイルを通るＣＷ経路およびＣＣＷ経路のそれぞれについての共振周波数は、コイルを異なる回数だけ通過したすべての光波がコイル内の任意の地点で強め合う干渉を行うような、ビームの強め合う干渉条件に基づく。この強め合う干渉の結果として、ラウンドトリップ共振器経路長が波長の整数倍に等しいとき、波長λを有する光波が「共振中」であると呼ばれる。コイルの回転により、時計回りの伝播と反時計回りの伝播に対して異なる波長が生み出され、したがって共振器のそれぞれの共振周波数間のシフトが生み出され、回転による閉光路の共振周波数偏移と整合するようにＣＷビームおよびＣＣＷビーム周波数を同調させることによって測定することができるような周波数差は、回転速度を示す。
【０００４】
ＲＦＯＧでは、光ファイバのガラス材料が、ＣＷおよびＣＣＷ経路の共振周波数をシフトさせる可能性があり、したがって誤った回転の表示が生成され、または回転速度の測定が不正確となる。反射ミラーを使用してコイル中の逆伝播光ビームを複数回循環させることができるが、これは通常、ミラーからコイルへの遷移時に生成される損失により、信号対雑音比を低下させる。非線形カー効果、誘導ブリリュアン散乱、および偏光誤差により、回転速度の測定精度を低下させる追加の異常が生成される可能性がある。これらの誤差機構はまた、環境の影響を受けやすく、例えば望ましくない温度感度を引き起こす。
【０００５】
非線形カー効果は、ＲＦＯＧ内部の高単色光出力が光ファイバ内のガラスの屈折率を変化させるときに生じる。ＣＷおよびＣＣＷビームの強度の不整合は、観測される周波数偏移に関する数度／時程度の偏りを誘発する可能性がある。誘導ブリリュアン散乱（ＳＢＳ）は、ファイバ共振器での高フィネスに関連する高強度がガラス繊維でレイジングまたは誘導放射を引き起こすときに生じ、これが一般に、共振周波数の測定における大きな不安定性を促進する。偏光誘導誤差は、ある光ファイバから隣接する光ファイバに、または同一のファイバ内で、光を偶然に第２の偏光モードに結合させるファイバカップラから生じる可能性がある。第２の偏光モードは、回転を測定するのに使用される偏光モードの共振線形中の非対称性を生み出すように共振する可能性がある。第２の偏光モードの周波数がＣＷビームとＣＣＷビームについて同一であったとしても、振幅が異なる可能性があり、したがって、回転の効果以上の、異なるＣＷおよびＣＣＷビームの共振周波数の観測を引き起こす。ＣＷおよびＣＣＷビームの各共振周波数についての共振中心の決定は回転速度測定に直接影響を及ぼすので、偏光誘導誤差はＲＦＯＧの精度を極度に制限し得る。
【０００６】
精度に影響を及ぼす可能性のある誤差機構に直面することに加えて、従来型ＲＦＯＧは、小規模のＲＦＯＧでは特に、大量生産に対してはコストが非常に高い可能性がある。従来型ＲＦＯＧは複数の構成要素（例えば、光源、ビームジェネレータ、コイルなど）のアセンブリであり、それは、各構成要素についての関連するコストと、そのような構成要素を組み立てるための関連するコストとを有する。小規模応用例では、ＲＦＯＧを組み立てることに関連するコストは一般に、各構成要素を小型化し、小型化した光構成要素を位置合せするコストの上昇と共に上昇する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、コストが低く、大量生産に適したハイグレード光ジャイロを提供することが望ましい。より具体的には、従来型光ファイバに基づくファイバ共振器ジャイロに関連する非線形カー効果、誘導ブリリュアン散乱、偏光誤差、および曲げ損失による不正確さを最小限に抑える低コスト光ジャイロを提供することが望ましい。さらに、回転速度の測定精度を低下させる誤差機構の効果を低減する、光ジャイロの回転速度を感知する方法を提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
空気または真空の自由空間光経路を有する共振器を使用して、軸の周りのリング共振器の回転速度を感知する方法および装置が提供される。例示的実施形態では、リング共振器は、基板と、基板上の閉光路を有する１組の反射面とを有する。１組の反射面は、第１および第２の光ビームのそれぞれを閉光路の相異なる逆伝播方向に向けるように構成される。第１および第２の光ビームのそれぞれは、閉光路で循環するときに共振周波数を有する。
【０００９】
別の例示的実施形態では、光ジャイロが、少なくとも１つの基板と、基板上の、第１および第２の光ビームを生成するように構成されたビームジェネレータと、基板上の、閉光路を有する１組の反射面と、基板上の、第１の逆伝播方向の第１の共振周波数および第２の逆伝播方向の第２の共振周波数を検出するように構成されたセンサと、センサに結合され、第１の共振周波数と第２の共振周波数との間の差に基づいて光ジャイロの回転速度を求めるように構成されたプロセッサとを備える。１組の反射面は、第１および第２の光ビームのそれぞれの一部を閉光路の相異なる逆伝播方向で循環させるように構成される。第１および第２の光ビームのその一部のそれぞれは、閉光路で循環するときに共振周波数を有する。
【００１０】
別の例示的実施形態では、基板上に形成されたリング共振器の回転速度を感知する方法が提供される。この方法は、基板上の反射器の組で、自由空間を通じて閉光路に沿って第１および第２の逆伝播光ビームを循環させるステップと、リング共振器で光伝播の第１の逆伝播方向の第１の共振周波数を生成するステップと、リング共振器で光伝播の第２の逆伝播方向の第２の共振周波数を生成するステップと、第１の共振周波数と第２の共振周波数との間の周波数偏移を測定するステップとを含む。周波数偏移は回転速度を示す。 さらに、添付の図面およびこの発明の背景と共に行われる後続の発明の詳細な説明および添付の特許請求の範囲から、本発明のその他の望ましい機能および特徴が明らかとなるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下の図面と共に本発明を以下で説明する。図面では、同様の番号は同様の要素を示す。
【００１２】
以下の本発明の詳細な説明は、例示的な性質のものに過ぎず、本発明または本発明の応用例および用途を限定するものではない。さらに、前述の発明の背景または以下の発明の詳細な説明で提示されるどんな理論にも制約されるものではない。
【００１３】
ここで図面を参照すると、図１は、本発明の例示的実施形態による光ジャイロ１０の分解組立図である。光ジャイロ１０は、第１の基板３０と、第１の基板３０上に形成され、閉光路３９を有する共振器１４と、第１の基板３０上に形成された信号処理電子回路３４（例えば信号プロセッサ）と、信号処理電子回路に結合された第２の基板３２とを備える。第１の基板３０、共振器１４、および信号処理電子３４を第１の光ベンチ２９と総称する。基板３０、３２はシリコン、シリコンオンインシュレータなどでよい。ミニチュア光ベンチ技法を使用して、基板３０、３２と一体化すべき様々な精密光学構造を基板３０、３２の表面上にエッチングまたは形成することができる。さらに、外部光学構成要素を基板３０、３２の表面上に正確に取り付けることができ、あるいは基板３０、３２または基板３０、３２のベース層の上の追加の材料層上に形成することができる。光ジャイロ１０の各構成要素は、（例えば基板３０、３２上にエッチングまたは形成することによって）基板３０、３２の中または上に一体化することができ、あるいは基板３０、３２上に形成し、または取り付けることができる。議論を簡単にするために、基板という用語は、基板のベース層の上に形成することのできる追加の材料層を含む。
【００１４】
第２の光ベンチ３１は第２の基板３２上に基づき、必ずしも限定はされないが、第２の基板３２と、光ビームを生成するレーザ３８と、レーザ３８から受け取った光ビームから２つの光ビームを生成し、その２つの光ビームを共振器１４および光センサ３５に向けるミニチュア光学素子３６、３７（例えばミラー反射器）とを含む。第２の光ベンチ３１は、例えば、限定ではないが、共振器１４と第２の光ベンチ３１の構成要素（例えば光センサ３５）との間に光ビームをさらに向ける光学素子を含む他の光学素子および導波路を含むことができる。代替実施形態では、第２の光ベンチ３１上に組み込まれた機能の一部またはすべてを直接第１の基板２０上に取り付け、または形成することができ、したがって第１および第２の光ベンチが単一基板上で組み合わされる。
【００１５】
ミニチュア光学素子３６、３７から光ビームを受けた後、以下でより詳細に説明するように、共振器１４は、エリアを取り囲むように閉光路３９に沿って２つの光ビームを各逆伝播方向（例えば時計回り（ＣＷ）方向と反時計回り（ＣＣＷ）方向）に向ける。サニャック効果の適用により、光ジャイロ１０は、光ジャイロ１０の軸の周りの回転速度を感知する。例えば、光センサ３５は、ＣＷおよびＣＣＷ光ビームに関する共振線形の共振中心を検出し、信号処理電子回路プラットフォーム３４上のプロセッサが、検出した共振中心間の周波数偏移に基づいて、共振器１４の各逆伝播方向に関連する共振周波数を求め、光ジャイロ１０の回転速度を求める。
【００１６】
例示的実施形態では、共振器１４は、エリアを取り囲む矩形構成として基板３０にエッチングされ、または基板３０上に配置された４つの反射器２０、２２、２４および２６を備える。反射器２０、２２、２４および２６間の光ビームの経路は、真空または空気または気体である自由空間であり、それによって反射器２０、２２、２４、および２６間で光が受ける屈折率がほぼ１となる。４つの反射器を備える共振器１４を図示し、説明するが、共振器１４は、閉光路３９に沿って各逆伝播光ビームを向ける３つ以上の反射器を備えることができる。各反射器２０、２２、２４および２６は、閉光経路３９に沿って光ビームを向ける高反射性被覆を有する。例えば、共振器１４は、第１の光ビームを受け、第１の光ビームを反射器２４から反射器２０、反射器２６、反射器２２、そして反射器２４に戻るように向けることにより、閉光路３９に沿って第１の光ビームをＣＣＷ方向に向ける。共振器１４はまた、第２の光ビームを受け、第２の光ビームを反射器２４から反射器２２、反射器２６、反射器２０に、そして反射器２４に戻るように向けることにより、閉光路３９に沿って第２の光ビームをＣＷ方向に向ける。反射器２０、２２、２４、および２６のそれぞれの間では、閉光路３９に沿って、光ビームが自由空間を伝播し、したがって共振器１４は自由空間で閉光路３９に沿って各逆伝播光ビームを向ける。
【００１７】
反射器２０、２２、２４および２６、ならびに反射器２０、２２、２４、および２６間のビーム経路をエッチングし、形成し、または配置し、第１の基板３０の表面上に共振器１４を形成し、第２の光ベンチ３１上にレーザ３８およびミニチュア光学素子３６、３７を取り込み、第１の基板３０に信号処理電子回路３４を取り込むことにより、大量生産に理想的な、かなり小型で低コストのシリコン光ジャイロを製造することができる。基板および材料系はシリコンであることが好ましいが、適した特性を有するその他の材料（例えばアルミナ、窒化物、ＩＩＩ−Ｖ族元素、その他の耐火性材料など）を基板用に使用することができる。
【００１８】
図２は、本発明の例示的実施形態による光ジャイロ１０のブロック図である。光ジャイロ１０は、図１に示す共振器１４を備え、ビームジェネレータ１２、光センサ１６、および光センサ１６に結合された（例えば、第１の基板３０にあることができ、または図１に示す第１の基板３０上に取り付けられた別々の基板にあることのできる信号処理電子回路プラットフォーム３４上にある）プロセッサ１８をさらに備える。ビームジェネレータ１２は、閉光路３９に沿って各逆伝播方向（例えばＣＷ方向およびＣＣＷ方向）に伝播する光ビームを生成する。例示的実施形態では、ビームジェネレータ１２は、周波数ｆ０を有する光ビームを生成する同調可能光源１１（例えばレーザ）と、光源１１から光ビームを受け、光源からの光ビームを第１および第２の光ビーム（例えばＣＣＷ伝播光ビームおよびＣＷ伝播光ビーム）に分割するビームスプリッタ１３と、ビームスプリッタ１３から第１の光ビームを受け、第１の光ビームを変調する第１の波形変調器１５と、ビームスプリッタ１３から第２の光ビームを受け、第２の光ビームを変調する第２の波形変調器１９と、第１の波形変調器１５から第１の被変調光ビームを受け、第１の被変調光ビームの周波数をシフトする周波数シフタ１７とを備える。光源１１は、周波数安定性を有し、線幅がかなり狭く、出力能力が比較的高い単一周波数可同調レーザである。波形変調器１５、１９は、正弦波形を光ビームに導入することなどによって第１および第２の光ビームを周波数変調し、本明細書の以下により詳細に説明するように、検出した周波数偏移（Δｆ）に対する光ジャイロ１０の感度を向上するように特定の変調を選択することができる。第１の被変調光ビームおよび第２の被変調光ビームは、それぞれＣＣＷ方向およびＣＷ方向に伝播するように共振器１４に導入される。
【００１９】
別の例示的実施形態では、ビームジェネレータ１２は、ＣＣＷおよびＣＷ光ビームをそれぞれ合成し、光ビームを共振器１４に導入する第１および第２の可同調レーザを含む。この例示的実施形態では、第１のレーザで生成された光ビームが周波数ｆ０に同調され、第２のレーザで生成された光ビームが周波数ｆ０＋Δｆに同調され、それによって周波数シフタ１７が置き換えられる。この例では、２つのレーザ周波数間の相対周波数ドリフトおよびジッタは、周波数偏移、すなわち回転速度の測定値の精度および安定性を最小限に抑え、またはそれらに影響を及ぼさないレベルにまで実質上最小限に抑えられるべきである。このことは、電子サーボを使用してうなり周波数を可同調安定オフセット（回転速度に比例）にロックするようなレーザ周波数安定化技法によって実施することができる。ビームジェネレータ１２は、２つのレーザのそれぞれにそれぞれの周波数で正弦波周波数変調させるような直接ソース変調を有することが好ましく、それによって波形変調器１５、１９が置き換えられる。
【００２０】
回転感知のために、ＣＣＷビームの周波数ｆ０は、（例えば、レーザ１１の周波数を同調することによって）ＣＣＷ方向の共振器１４の共振振動に同調される。周波数シフタ１７は周波数Δｆを同調し、ＣＣＷビーム周波数をＣＣＷ方向の共振器１４の共振周波数に対する共振中心に整合させる。回転感知中、周波数シフタ１７は、光の光周波数をレーザ１１の光周波数からΔｆだけ周波数偏移し、周波数偏移後の光をＣＷ方向で共振器１４に向ける。周波数偏移を実施する２つの方法には、音響光学周波数シフタの使用と、セロダイン変調波形を有する位相変調器の使用が含まれる。前者の方法では、音響光学周波数シフタは、第１の基板３０上に形成または配置された音響光学デバイスでよい。後者の方法では、レーザ１１からのビームが基板上に形成された導波路に導入され、セロダイン信号で位相変調される。セロダイン波形は鋸波形である。比較的純粋な周波数偏移を適用するために、以下でより詳細に説明する鋸波形の位相のずれの振幅が、２πの整数倍に設定され、鋸波形は、その周期と比較したときにかなり高速なフライバック時間を有する。
【００２１】
閉光路３９の共振中心周波数をＣＷ方向またはＣＣＷ方向で測定するために、標準同期検出技法が使用される。各入力光ビーム（例えばＣＷビームおよびＣＣＷビーム）が正弦波位相変調され、したがってそれぞれ周波数ｆｍおよびｆｎで周波数変調され、光センサ１６で測定されたときに、共振線形にわたって各入力ビーム周波数がディザリングされる。例えば、光センサ１６に結合された追加の回路が、それぞれ周波数ｆｍおよびｆｎの光センサ１６の出力を復調し、ＣＷおよびＣＣＷビームの光出力で示される共振中心を測定することができる。共振線形の線中心、すなわち共振中心では、光センサ１６は、それぞれ基本周波数ｆｍおよびｆｎで最小出力を検出する。入力ビーム周波数（例えばｆ０＋Δｆまたはｆ０）が共振外れであるとき、それぞれ周波数ｆｍおよびｆｎの誤差信号が、光センサ１６で感知され、それぞれのビーム周波数を共振器１４のそれぞれの共振周波数に同調するのに使用される。ＣＣＷビームの周波数が、レーザの周波数ｆ０を変更することによって同調され、ＣＷビームの周波数が、周波数シフタの周波数偏移Δｆを変更するフィードバックループを介して調節され、その結果、ｆ０＋Δｆが、共振器１４のＣＷ共振周波数に整合する。
【００２２】
ｆ０＋ΔｆがＣＷ方向で共振器１４の共振周波数から離れて同調されるとき、ＣＷビームからのエネルギーは光センサ１６で最大強度を生成しない。ｆ０＋ΔｆがＣＷ方向で共振器１４の共振周波数に同調されるとき、ＣＷビームは最小出力すなわち共振ディップを有し、それによって共振中心を示す。ＣＣＷ光ビームについて同様に、ＣＣＷビームがＣＣＷ方向の共振器１４の共振周波数に同調されるとき、ＣＣＷビームのエネルギーが閉光路３９に進入する。
【００２３】
回転がない場合、共振器１４内部のＣＷおよびＣＣＷビームのそれぞれＣＷおよびＣＣＷ方向でのラウンドトリップ経路長はほぼ等しい。したがって、Δｆは周波数シフタ１７によってゼロに同調される。回転がある場合、ラウンドトリップ経路長は、ＣＷ方向とＣＣＷ方向の間で異なり、回転速度に比例するその２方向間の共振周波数差が生成される。ＣＣＷ共振を追跡するように周波数ｆ０を同調し、ＣＷ共振中心を追跡するように周波数Δｆを同調することにより、回転速度が求められる。例示的実施形態では、プロセッサ１８は、共振器１４の閉光路３９のその２方向間の共振周波数差に基づいて回転速度を求める。
【００２４】
光ジャイロ１０の好ましい例示的実施形態では、セロダイン方法を使用して周波数シフティングが得られ、それによって位相ランプが入力光ビーム（例えばＣＷおよびＣＣＷビーム）に加えられる。波形変調器１５、１９などの位相変調器を連続的かつ線形の位相ランプで駆動することにより、位相ランプの傾きに比例する周波数偏移を得ることができる。２πの位相高さおよび周波数Δｆを有する鋸波形は、連続的ランプとほぼ同等の結果を生成し、回転の存在下でＣＷ共振を追跡するように鋸波周波数（Δｆ）が調節される。前述のように、鋸波形フライバック時間が波形周期と比べてかなり高速であるとき、周波数シフタ１７は、比較的純粋な周波数偏移を適用することができる。
【００２５】
共振器１４に導入された光は自由空間（例えば空気または真空）を通過する。光エネルギーは共振器１４の閉光路に沿って自由空間を通過し、反射器２０、２２、２４、および２６に関して高反射率レーザミラーを使用することができるので、共振器１４内で光を循環させるのに、低損失かつ魅力的な偏光特性が得られる。共振器１４は、従来型光ファイバのコア内のガラス媒体の特性に一般に関連する回転測定誤差を著しく減衰させ、または完全に除去するのに適している。
【００２６】
図３は、本発明の例示的一実施形態による、有効エリア（Ａ）を取り囲む共振器４０の略図である。共振器４０は、ビームジェネレータ１２（図２）から閉光路４１に沿って有効エリアを囲むように共に入力光ビーム（例えばＣＷ光ビームまたはＣＣＷ光ビーム）を向ける複数の反射要素４２、４４、４６、４８、５０、５２、５４、５６を備える。第１の組の反射器４６、５０、５４、および５６は光ビームを第１のループに向け、第２の組の反射器４４、４８、５２、および４２は、光ビームを第２のループに向け、したがって同等のエリアＡを２度周回する。好ましくは、閉光路４１は、２以上のループを含み、ジャイロ１０がサニャック効果を介して回転に対して敏感となるようにエリアを取り囲む。さらに、ループという用語は、逆伝播光ビームのポインティングベクトルが絶対値で１８０度より大きい角度でその方向を変えるように逆伝播光ビームがたどる経路を指す。例えば、第１のループは、反射器４２から反射器４６、反射器５０、反射器５４、そして反射器５６への光ビームの伝播を含み、第２のループは、反射器５６から反射器４４、反射器４８、反射器５２、そして反射器４２への光ビームの伝播を含む。
【００２７】
この例示的実施形態では、図２に示す共振器１４と比較して、閉光路４１に沿った単一の探査中に有効エリアＡを取り囲む共振器４０の反射器の数が増加し、それによって共振器経路長が増大し、したがって光ジャイロの信号対雑音比が向上する。閉光路のパス長が増大すると共に、図２に示すような反射器が少ない場合に、光ビームで取り囲まれるエリアＡが実質上保持される。追加の反射器または反射面を追加して、共振器４０の閉光路の経路長をさらに増大させることができる。
【００２８】
図４は、本発明の例示的実施形態によるリング共振器の回転速度を感知する方法の流れ図である。この方法はステップ１００で始まる。図１および４を参照すると、ステップ１０５で、ＣＷおよびＣＣＷ光ビームが共振器１４の閉光路３９の周りを循環する。共振器１４は、ある反射器から次の反射器に自由空間を通じて閉光路３９に沿って逆伝播光ビームを循環させる。共振器１４のＣＷ方向に対応する第１の共振線形が、ステップ１１０でＣＷ光ビームを共振器に導入することによって生成され、光センサ３７で検出される。共振器１４のＣＣＷ方向に対応する第２の共振線形が、ステップ１１５でＣＣＷ光ビームを共振器に導入することによって生成され、光センサ３７で検出される。ステップ１２０で、信号処理電子回路３４は、共振器１４内の光伝播のＣＷおよびＣＣＷ方向に関する共振周波数を求め、共振器１４内の光伝播のＣＷ方向の共振周波数と、共振器１４内の光伝播のＣＣＷ方向の共振周波数との間の周波数偏移を求め、この周波数偏移がリング共振器の回転速度を示す。
【００２９】
光ジャイロ１０の利点には、限定はしないが、低コスト小型パッケージで約１ｄｅｇ／ｈｒのバイアスおよび約０．１ｄｅｇ／ｒｏｏｔ−ｈｒの角度ランダムウォーク（ＡＲＷ）を提供できること、非常に低損失である共振器、導波路を使用してリング共振器内で光を循環させる光カップラではなく、高反射率ミラーを使用すること、異なる基板材料を使用してシリコン光ベンチまたは光ベンチ上に取り付けることのできる、コンパクトで安定したレーザ構成要素、ソースから共振器に光を結合することが容易であること、光学系と同一のプラットフォームの信号処理電子回路とのインターフェースが容易であること、または電子回路を同一のプラットフォームに統合することが容易であること、ジャイロ誤差を促進する可能性のあるシリカファイバまたはその他の導波路材料中の非線形効果が除去されること、共振器１４への遷移地点での光損失が大幅に低減されること、光透過特性をほとんど、または全く変化させずに、光ビームを非常に密な（例えば鉛筆の直径）ループで循環できることが含まれる。
【００３０】
例示的一実施形態では、光ジャイロ１０が、シリコンベースの微小光ベンチ上に構成され、または電子回路と光学系を一体化し、両者の間の効率的で適切で自己整合され機械的に安定なインターフェースを提供するシリコンオンインシュレータ電気光学回路と共に構成される。スプリッタ１３および波形変調器１５、１９に関連するような光学的機能を、光ベンチの表面付近に位置する導波路に組み込むことができ、またはシリコンフィルム内に形成することができる。そのようなシリコンフィルムの光学的特性および電気的特性は互換であるので、信号処理回路および光検出素子もシリコン層に一体化することができ、共振器経路自体などの導波路ではなく自由空間を移動するのに光波が必要でああったとしても、わずか１０ミクロンほどのフィーチャサイズのミニチュア光学構成要素をシリコン面上に取り付けて、大型のバルク光学系をなくすことができる。レーザダイオードおよびその周波数を安定化させる外部要素をシリコン光ベンチの頂面に取り付けることもできる。この例示的実施形態では、レーザおよび関連する周波数同調構成要素を光ベンチ上に取り付けることができ、周波数シフティングのためにセロダイン方法を使用することにより、周波数シフタ用のシリコン導波路で一体化光位相変調器の使用が可能となる。マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）光学プリズムを、レーザまたは自由空間光学系からシリコン導波路内およびシリコン導波路外に光を向けることのできる高反射レーザプリズムとして使用することができる。断熱的に光を導波路に結合するテーパー構造または屈折率分布型構造の使用、または格子の使用など、自由空間光学系から導波路に光を結合するその他の方式を組み込むことができる。こうした技法の使用は、シリコンプラットフォームでの光学系の製造を可能にし、したがって電子回路との一体化を可能にする。
【００３１】
光ジャイロ１０は、限定はしないが、例えば、航空機、ランドビークル、潜水艦、衛星、水上艦船のナビゲーションなどの慣性誘導を必要とする応用例を含む様々な応用例に適している。さらに、光ジャイロ１０に対して想定されるサイズが比較的小さいことにより、限定はしないが、例えば、小型ロボット、個々の兵士の履物、小規模衛星を含む非常に小型のプラットフォーム上での実際的な使用が可能となる。
【００３２】
少なくとも１つの例示的実施形態を上記の発明の詳細な説明で提示したが、膨大な数の変形形態が存在することを理解されたい。例示的実施形態は例に過ぎず、本発明の範囲、適用可能性、または構成をどんな形でも限定するものではないことも理解されたい。むしろ、上記の詳細な説明は、本発明の例示的実施形態を実装するのに好都合なロードマップを当業者に与えるものとなる。添付の特許請求の範囲に記載の本発明の範囲から逸脱することなく、例示的実施形態で述べた要素の機能および構成に様々な変更を行えることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の例示的実施形態による光ジャイロの分解組立図である。
【図２】本発明の例示的実施形態による光ジャイロのブロック図である。
【図３】本発明の例示的一実施形態による共振器の略図である。
【図４】本発明の例示的実施形態によるリング共振器の回転速度を感知する方法の流れ図である。
【符号の説明】
【００３４】
１０ 光ジャイロ
１１ 光源
１２ ビームジェネレータ
１３ ビームスプリッタ
１４ 共振器
１５ 第１の波形変調器
１６ 光センサ
１７ 周波数シフタ
１８ プロセッサ
１９ 第２の波形変調器
２０、２２、２４、２６ 反射器
２９ 第１の光ベンチ
３０ 第１の基板
３１ 第２の光ベンチ
３２ 第２の基板
３４ 信号処理電子回路
３５ 光センサ
３６、３７ ミニチュア光学素子
３８ レーザ
３９ 閉光路
４０ 共振器
４２、４４、４６、４８、５０、５２、５４、５６ 反射要素
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板（３０）と、
前記基板上の、閉光路（３９）を有し、第１および第２の光ビームのそれぞれを前記閉光路の異なる逆伝播方向に向けるように構成され、前記第１および第２の光ビームのそれぞれが、前記閉光路で循環したときに共振周波数を有する１組の反射面（２０、２２、２４、２６）と、
を備える第１および第２の光ビームを循環させるリング共振器。
【請求項２】
前記１組の反射面は、前記基板上の複数のミラー反射器を備え、前記複数のミラー反射器のそれぞれは、自由空間を通じて前記閉光路に沿うように第１および第２の光ビームを向けるように構成される、請求項１に記載のリング共振器。
【請求項３】
前記閉光路は表面エリアを取り囲み、少なくとも２つのループを有し、前記１組の反射面は、
前記第１の光ビームを前記閉光路に沿って第１の逆伝播方向に向け、
前記第２の光ビームを前記閉光路に沿って第２の逆伝播方向に向けるように構成される、請求項１に記載のリング共振器。
【請求項４】
前記１組の反射面は前記基板上の複数のミラー反射器を有し、前記複数のミラー反射器の第１のサブセットは、前記第１および第２の光ビームのそれぞれを前記閉光路に沿って第１のループに向けるように構成され、前記複数のミラー反射器の第２のサブセットは、前記第１および第２の光ビームのそれぞれを前記閉光路に沿って第２のループに向けるように構成される、請求項３に記載のリング共振器。
【請求項５】
前記第１の光ビームの前記共振周波数は第１の逆伝播方向の共振周波数を示し、前記第２の光ビームの前記共振周波数は第２の逆伝播方向の共振周波数を示し、前記第１の逆伝播方向の前記共振周波数と前記第２の逆伝播方向の前記共振周波数の差は、リング共振器の回転速度に比例する、請求項１に記載のリング共振器。
【請求項６】
前記基板は、シリコン基板とシリコンオンインシュレータ基板の少なくとも一方から選択される、請求項１に記載のリング共振器。
【請求項７】
前記反射器の組は、前記基板に対するエッチングプロセスで形成され、前記反射器の組が高反射率被覆を有する、請求項１に記載のリング共振器。
【請求項８】
少なくとも１つの基板（３０、３２）と、
第１および第２の光ビームを生成するように構成された、前記少なくとも１つの基板上のビームジェネレータ（１２）と、
前記少なくとも１つの基板上の閉光路（３９）を有し、前記第１および第２の光ビームのそれぞれの一部を前記閉光路の異なる逆伝播方向に循環するように構成され、前記第１および第２の光ビームの前記一部のそれぞれが、前記閉光路で循環したときに共振周波数を有する、１組の反射面と、
前記第１の逆伝播方向の第１の共振周波数および前記第２の逆伝播方向の第２の共振周波数を検出するように構成された、前記少なくとも１つの基板上のセンサ（１６）と、
前記センサに結合され、前記第１の共振周波数と前記第２の共振周波数との間の差に基づいて光ジャイロの回転速度を求めるように構成された、プロセッサ（１８）と、
を備える光ジャイロ。
【請求項９】
前記基板上の１組の反射面により、自由空間を通じて閉光路に沿って第１および第２の逆伝播光ビームを循環させるステップ（１０５）と、
前記リング共振器の光伝播の第１の逆伝播方向の第１の共振周波数を生成するステップ（１１０）と、
前記リング共振器の光伝播の第２の逆伝播方向の第２の共振周波数を生成するステップ（１１５）と、
前記第１の共振周波数と前記第２の共振周波数との間の回転速度を示す周波数偏移を測定するステップ（１２０）と、
を含む基板上に形成されたリング共振器の回転速度を感知する方法。
【請求項１０】
前記循環させるステップは、
前記第１および第２の逆伝播光ビームのそれぞれを、第１の組のミラー反射器により前記閉光路に沿って第１のループに向けるステップと、
前記第１および第２の逆伝播光ビームのそれぞれを、第２の組のミラー反射器により前記閉光路に沿って第２のループに向けるステップと
を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１】
基板（３０）と、
前記基板上の、閉光路（３９）を有し、第１および第２の光ビームのそれぞれを前記閉光路の異なる逆伝播方向に向けるように構成され、前記第１および第２の光ビームのそれぞれが、前記閉光路で循環したときに共振周波数を有する１組の反射面（２０、２２、２４、２６）と、
を備える第１および第２の光ビームを循環させるリング共振器。
【請求項２】
前記１組の反射面は、前記基板上の複数のミラー反射器を備え、前記複数のミラー反射器のそれぞれは、自由空間を通じて前記閉光路に沿うように第１および第２の光ビームを向けるように構成される、請求項１に記載のリング共振器。
【請求項３】
前記閉光路は表面エリアを取り囲み、少なくとも２つのループを有し、前記１組の反射面は、
前記第１の光ビームを前記閉光路に沿って第１の逆伝播方向に向け、
前記第２の光ビームを前記閉光路に沿って第２の逆伝播方向に向けるように構成される、請求項１に記載のリング共振器。
【請求項４】
前記１組の反射面は前記基板上の複数のミラー反射器を有し、前記複数のミラー反射器の第１のサブセットは、前記第１および第２の光ビームのそれぞれを前記閉光路に沿って第１のループに向けるように構成され、前記複数のミラー反射器の第２のサブセットは、前記第１および第２の光ビームのそれぞれを前記閉光路に沿って第２のループに向けるように構成される、請求項３に記載のリング共振器。
【請求項５】
前記第１の光ビームの前記共振周波数は第１の逆伝播方向の共振周波数を示し、前記第２の光ビームの前記共振周波数は第２の逆伝播方向の共振周波数を示し、前記第１の逆伝播方向の前記共振周波数と前記第２の逆伝播方向の前記共振周波数の差は、リング共振器の回転速度に比例する、請求項１に記載のリング共振器。
【請求項６】
前記基板は、シリコン基板とシリコンオンインシュレータ基板の少なくとも一方から選択される、請求項１に記載のリング共振器。
【請求項７】
前記反射器の組は、前記基板に対するエッチングプロセスで形成され、前記反射器の組が高反射率被覆を有する、請求項１に記載のリング共振器。
【請求項８】
少なくとも１つの基板（３０、３２）と、
第１および第２の光ビームを生成するように構成された、前記少なくとも１つの基板上のビームジェネレータ（１２）と、
前記少なくとも１つの基板上の閉光路（３９）を有し、前記第１および第２の光ビームのそれぞれの一部を前記閉光路の異なる逆伝播方向に循環するように構成され、前記第１および第２の光ビームの前記一部のそれぞれが、前記閉光路で循環したときに共振周波数を有する、１組の反射面と、
前記第１の逆伝播方向の第１の共振周波数および前記第２の逆伝播方向の第２の共振周波数を検出するように構成された、前記少なくとも１つの基板上のセンサ（１６）と、
前記センサに結合され、前記第１の共振周波数と前記第２の共振周波数との間の差に基づいて光ジャイロの回転速度を求めるように構成された、プロセッサ（１８）と、
を備える光ジャイロ。
【請求項９】
前記基板上の１組の反射面により、自由空間を通じて閉光路に沿って第１および第２の逆伝播光ビームを循環させるステップ（１０５）と、
前記リング共振器の光伝播の第１の逆伝播方向の第１の共振周波数を生成するステップ（１１０）と、
前記リング共振器の光伝播の第２の逆伝播方向の第２の共振周波数を生成するステップ（１１５）と、
前記第１の共振周波数と前記第２の共振周波数との間の回転速度を示す周波数偏移を測定するステップ（１２０）と、
を含む基板上に形成されたリング共振器の回転速度を感知する方法。
【請求項１０】
前記循環させるステップは、
前記第１および第２の逆伝播光ビームのそれぞれを、第１の組のミラー反射器により前記閉光路に沿って第１のループに向けるステップと、
前記第１および第２の逆伝播光ビームのそれぞれを、第２の組のミラー反射器により前記閉光路に沿って第２のループに向けるステップと
を含む、請求項９に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００７−１３９７８０（Ｐ２００７−１３９７８０Ａ）
【公開日】平成１９年６月７日（２００７．６．７）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２００６−３１１２２７（Ｐ２００６−３１１２２７）
【出願日】平成１８年１１月１７日（２００６．１１．１７）
【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１９年６月７日（２００７．６．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３１１２２７（Ｐ２００６−３１１２２７）
【出願日】平成１８年１１月１７日（２００６．１１．１７）
【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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