(57)【要約】【課題】共振器ジャイロスコープ（１０）の回転速度誤差を低減するための方法および装置が提示される。【解決手段】ジャイロスコープ（１０）は、中空コア光ファイバコイル（２４）を有するリング共振器（２５）およびリング共振器（２５）に導き入れられる入射光線中に存在しうる迷光を低減するように選択および／または配向された光学素子を備える。共振器は、所定のモードを有する。光学素子のうちの１つは、入射光線の一部をファイバコイル（２４）の第１の端部（４１）に部分的に伝送し、入射光線の一部をフィルタ（２０）に部分的に伝送する。所定のモードを有する光は、ファイバコイル（２４）の第１の端部（４１）内に受光され、フィルタ（２０）は、対応するモードを有する入射光線の光を受光する。循環光線の伝送成分は、リング共振器（２５）の対向伝搬方向の共振ピークを示す。【選択図】図１
2008089594.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学式ジャイロスコープであって、
対向伝搬方向で光線を循環させるように構成された所定の光学モードを有し、中空コアおよび第１の端部と第２の端部を有する光ファイバコイルを備えるリング共振器と、
第１の光学素子であって、
入射光線を受け取り、
前記入射光線の一部を前記リング共振器の対向伝搬方向に伝送し、前記入射光線の前記一部は、前記光ファイバコイルの前記第１の端部および第２の端部のうちの１つに入るように構成された第１の光学素子と、
第２の光学素子であって、
前記第１の光学素子とともに、前記リング共振器の前記対向伝搬方向に、前記入射光線の前記一部に基づく循環光線の大半を送り、
前記光ファイバコイルの前記第１の端部および第２の端部のうちの一方において前記循環光線の伝送成分を導き出し、前記伝送成分は前記リング共振器の前記対向伝搬方向の共振ピークを示すように構成された第２の光学素子と、
前記第１の光学素子と前記第２の光学素子との間に結合されたフィルタとを備え、前記リング共振器は前記フィルタを介して前記所定の光学モードを有する前記入射光線の前記一部を受光するように構成されている光学式ジャイロスコープ。
【請求項２】
光学式ジャイロスコープであって、
所定のモードを有し、中空コア、第１の端部、および第２の端部を有する光ファイバコイルを備えるリング共振器と、
第１の入射光線の一部を、前記光ファイバコイルの前記第１の端部において前記中空コア内に送るように構成され、さらに第１の循環光線の第１の伝送成分を導き出すように構成されている第１の光学素子と、
第２の入射光線の一部を前記光ファイバコイルの前記第２の端部で前記中空コア内に送り込むように構成され、さらに、第２の循環光線の第２の伝送成分を導き出すように構成された第２の光学素子であって、前記第２の循環光線は前記所定のモードを有する前記第１の入射光線の前記一部から導き出され、前記第１の循環光線は前記所定のモードを有する前記第２の入射光線の前記一部から導き出されるように構成された第２の光学素子と、
第３の光学素子であって、
前記第１および第２の入射光線を受け取り、
前記第１の入射光線の前記一部を前記第１の光学素子に伝送し、
前記第２の入射光線の前記一部を前記第２の光学素子に伝送し、
前記第１および第２の光学素子とともに、前記リング共振器の第１の対向伝搬方向に前記第１の循環光線の大半を送り、
前記第１および第２の光学素子とともに、前記リング共振器の第２の対向伝搬方向に前記第２の循環光線の大半を送るように構成された第３の光学素子とを備える光学式ジャイロスコープ。
【請求項３】
所定のモードおよび対向伝搬方向を有するリング共振器の回転速度を検出する方法であって、
第１および第２の入射光線を第１の光学素子に送るステップと、
前記第１および第２の入射光線のそれぞれから非モード整合光部分を除去するステップと、
前記リング共振器の前記所定のモードと整合する前記第１の入射光線の一部を、前記リング共振器の第１の対向伝搬方向に送るステップと、
前記リング共振器の前記所定のモードと整合する前記第２の入射光線の一部を、前記リング共振器の第２の対向伝搬方向で前記中空コア光ファイバコイル内に送り込むステップと、
前記第１の入射光線から導き出される第１の循環光線、および前記第２の入射光線から導き出される第２の循環光線から透過成分を検出するステップと、
前記第１および第２の循環光線の前記透過成分から、前記回転速度を表す周波数偏移を決定するステップとを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、ジャイロスコープシステムに関するものであり、より具体的には、ナビゲーションシステムおよび姿勢制御装置で使用する回転センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ジャイロスコープは、回転速度または回転軸の周りの角速度の変化を測定するためにこれまで使用されてきた。基本的な従来の光ファイバジャイロスコープ（ＦＯＧ）は、光源、ビーム発生装置、およびある領域を取り囲むビーム発生装置に結合された光ファイバのコイルを備える。ビーム発生装置は、時計回り（ＣＷ）方向に、また光ファイバの芯にそって反時計回り（ＣＣＷ）方向に伝搬する光線をコイルに送る。ＦＯＧの多くは、ファイバの堅いガラス芯にそって光を伝送するガラスを用いた光ファイバを利用する。２つの対向伝搬する（例えば、ＣＷおよびＣＣＷ）ビームは、回転する閉じた光路の周りを伝搬しながら異なる光路長を辿り、２つの光路長の差は、回転速度に比例する。
【０００３】
共振方式光ファイバジャイロスコープ（ＲＦＯＧ）では、対向伝搬光線は、望ましくは単色光（例えば、単一周波数）であり、コイルを通過した光をその向きを変えて再びコイルに戻す（つまり、光を循環させる）、ファイバカプラなどの装置を使用することで、対向伝搬光線を複数巻き光ファイバコイルのファイバ内に循環させ、このコイル状ファイバ内に複数回通す。ビーム発生装置は、共振コイルの共振周波数を観測できるように対向伝搬光線のそれぞれの周波数を変調し、および／または偏移する。コイルを通るＣＷおよびＣＣＷ光路のそれぞれに対する共振周波数は、建設的干渉条件に基づいており、このため、異なる回数でコイルを横切ったすべての光波は、コイル内の任意の地点で建設的に干渉する。この建設的干渉の結果、波長λの光波は、往復共振器光路長が波長の整数倍に等しい場合に「共振状態」であると呼ばれる。コイルが回転すると、時計回りおよび反時計回りの伝搬に対し異なる光路長が生じて、共振器のそれぞれの共振周波数間に偏移が発生し、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ビームの周波数とＣＣＷビームの周波数の差をチューニングすることにより測定できるこの周波数差が、回転速度を示す。
【０００４】
ＲＦＯＧでは、光ファイバのガラス物質は、ＣＷおよびＣＣＷ光路の共振周波数を偏移する効果をもたらし、そのため、正しい回転が示されなかったり、回転速度の測定が不正確であったりする可能性がある。回転速度測定の精度を低下させるガラス媒質に起因する異常は、非線形カー効果、誘導ブリリュアン散乱、偏光誤差、およびレーリー後方散乱誤差から発生しうる。これらの誤差の発生メカニズムは、例えば、温度に対する望ましくない敏感さを引き起こす環境にも左右される。反射鏡を使用して、対向伝搬光線をコイル内で複数回循環させることができるが、この方法では、典型的には、鏡からコイルに移るときに発生する損失により信号対雑音比が低下する。
【０００５】
非線形カー効果は、ＲＦＯＧ内部の高い単色光強度が光ファイバ内のガラスの屈折率を変化させる場合に生じる。例えば、ＣＷビームとＣＣＷビームの強度の不整合が、数度／時間のオーダーで観測周波数偏移に対しバイアスを誘発することがある。誘導ブリリュアン散乱（ＳＢＳ）は、ファイバ共振器の高いフィネスに関連する高光度光がガラス繊維内にレーザー発振または誘導放出を引き起こすときに発生し、この散乱は、一般的に、共振周波数の測定に大きな不安定性をもたらす。偏光誘発誤差は、一方の光ファイバから隣接する光ファイバへ、または同じファイバ内で、光を第２の偏光モードに入射結合するファイバカプラに由来する場合がある。第２の偏光モードは、共振し、回転を測定するために使用される偏光モードの共振直線形に非対称性をもたらす可能性がある。第２の偏光モードの周波数がＣＷおよびＣＣＷビームの場合と同じであるとしても、振幅は異なることがあり、そのため、ＣＷおよびＣＣＷビームの共振周波数の、回転の影響を受ける観測結果を超える、異なる観測結果が得られる。ＣＷおよびＣＣＷビームの共振周波数のそれぞれに対する共振中心の決定は、回転速度測定に直接的な影響を及ぼすため、偏光誘発誤差はＲＦＯＧの精度を大幅に制限する可能性がある。レーリー後方散乱誤差は、共振器ジャイロスコープのドリフトレートの要因となりうる。ファイバ内のガラスからの、またはファイバの欠陥による後方散乱光が、循環する光線に干渉し、これにより著しいドリフトレート誤差が生じることがある。
【０００６】
ＲＦＯＧにおいて発生する回転速度測定の精度を低下させる異常はほかにもある。反射モードでは、リング共振器は、共振器の所定の状態と整合する状態を有する光の一部を反射する。この所望の状態の光の部分は、反射される部分であり、その周波数と共振器の共振周波数との同調がずれるほど大きくなる。共振時、反射される部分は最小であり、このため、光ファイバコイルを通るＣＷおよびＣＣＷ光路のそれぞれに対する共振周波数は、共振器に入らない光を監視することにより検出される。したがって、共振は、「共振ディップ」として観測されるが、それは、観測される光は、共振器が共振状態に近くない場合よりも共振状態に近い場合に少ないからである。すでに述べたように、対向伝搬光線のそれぞれの連続する再循環により、共振周波数のところで建設的干渉が発生し、共振直線形を持つ共振ディップの中心は、共振周波数を示す。共振周波数をより正確に示すためには、確定的な対称的共振ディップを有することが望ましい。このために、共振器は、所定の状態で光を循環させるように設計するとよい（例えば、ＴＥＭ００−Ｓは自由空間共振器内で最低次数の空間モードおよび垂直偏光を有する光の状態を表す）。
【０００７】
特に、共振器から反射された整合状態にある全光波は（例えば、モード整合反射波）は、２つの電界波を含み、１つは、共振器の入口にある鏡またはカプラから直に反射され（例えば、モード整合ゼロパス波）、もう１つは、共振器内で循環した光から誘導される（例えば、モード整合循環波）。モード整合循環波は、共振器コイル内を進行し、共振器入口から外に返された光を含む（例えば、ファイバカプラまたは鏡を介して）。モード整合循環波の振幅は、典型的には、コイル内を循環する光波の振幅の数分の１である。この分数は、カプラまたは鏡の透過係数により決まる。最終的結果として、整合状態にある全光波の電界は、モード整合ゼロパス波とモード整合循環波の重ね合わせとなる。全モード整合反射波の強度は、検出の対象であるモード整合ゼロパス波とモード整合循環波との間の干渉により決めることができる。
【０００８】
入射波の周波数が共振周波数から実質的にずれた場合、モード整合循環波が誘導される波の振幅は実質的にゼロであるため、モード整合循環波の振幅は実質的にゼロである。そのため、共振器から反射された光は、モード整合ゼロパス波のみからなり、したがって、全モード整合循環波は、最大強度を有する。これは、モード整合循環波がモード整合ゼロパス波に破壊的に干渉しないので正しい。共振の近くでは、共振器内を循環する光は、著しく増大し、したがって、モード整合循環波の光も、同様に、著しく増大し、その後、モード整合ゼロパス波に破壊的に干渉し、全モード整合反射波内に観測されるディップを生じる。さらに、共振中心では、共振器内を循環する光は、最大値に達し、したがって、モード整合循環波の光は、最大となり、この最大値で、モード整合ゼロパス波との最大の破壊的干渉を発生し、全モード整合反射波内に観測されたディップの底を生じる。この理想的なケースでは、モード整合状態の光の共振ディップだけが対称的である。つまり、入射周波数をディップのいずれかの側に少しずらすと、全モード整合反射波強度が比例して増大する。実際、共振中心を正確に測定するために対称的な直線形が一般的に必要である。
【０００９】
もっぱら整合状態にある、またはもっぱら望ましい入射光成分に含まれる、光エネルギーは、回転感知に理想的な対称的共振ディップを生じる。しかし、実用上の問題のせいで、共振器への入射で光エネルギーが制約され、実質的にモード整合状態にならないことがある。例えば、入射波中のある種の非共振の望ましくない迷光（例えば、共振器の偏光モードまたは空間モードにおいて適切に整合していない光）が、存在することがあり、これは、共振器から反射され、上述の全モード整合反射状態における光に干渉しうる。光の付加的成分は、望ましい光と干渉することにより、非対称的共振ディップを生じ、このため、共振中心の検出で誤差を生じることがある。そのため、共振ディップの対称性は、必ずしも限定はしないが、１）望ましくない偏光状態または２）共振器内の光の高次空間モードと重なる空間分布を持つ入射光線から共振器への光のいずれかを有する共振器への入射光線中の残留発射光成分を含む、複数の要因の影響を受けることがある。これらは両方とも、典型的には、共振器の入射のところで入射光状態または励振状態が不完全であるため生じる。残留発射光成分は、所望の光成分が共振に近い場合には共振器内で共振しえないが、この残留光は、所望の光成分から生じる共振ディップの観測される形状に悪影響を及ぼすことがある。
【００１０】
共振器のモードは、特定の電界の横方向電界分布および共振したときに共振器を通して毎回往復の後に共振器内のそれぞれの縦方向位置（例えば、伝搬軸にそって）のところに再現する偏光状態を指す。共振器は、通常、光空間通信システムと光ファイバ導波路の両方を備えているため、共振器のモードは、両方の媒体の光伝搬特性に基づくが、ファイバ内のいくつかの地点での共振器モードの空間分布は、典型的には、ファイバの空間モード、または一般的に、ファイバの複数のモードの重ね合わせである。好ましいケースでは、ファイバの軸にそって置かれたいくつかの点における最低の損失および最高の性能に関して、共振器モードの空間分布は、実質的にファイバの最低次の空間モードの空間分布である（例えば、ファイバの長さにそって伝搬しながらそれ自体保存する分布）。
【００１１】
励振状態における非共振残留光成分からの干渉に加えて、共振器内の光の高次の空間モードは、共振するか、または共振状態に近く、回転感知に使用されるモードに対する共振ディップの見かけの形状を変化させうる。例えば、光の高次の空間モードが共振すると、回転感知に使用される望ましいモードの共振直線形に近いディップがさらに発生しうる。さらに、第２の偏光状態も共振するか、または共振状態に近く、回転感知に使用される他の偏光モードに対する共振ディップの形状を変化させうる。これらの付加的なディップが共振周波数に関連する共振ディップの近くに位置するか、または共振周波数に関連する共振ディップ上に重ね合わされる場合に、共振周波数に関連する共振ディップの観測された形状は、変更されうる。すでに述べているように、共振を励起することなく、共振器の偏光モードまたは空間モードにおいて適切に整合されていない入射光は、回転感知に使用されるモードの共振ディップの形状を歪ませうる。
【００１２】
望ましくない偏光状態または共振器の高次の空間モード成分のいずれかを有する励振状態にある非モード整合残留光からの干渉は、共振中心の同定を複雑なものとし、共振周波数および回転速度の決定を不正確にする可能性がある。ＣＷおよびＣＣＷビームの共振周波数のそれぞれに対する共振中心の決定は、回転速度測定に直接的な影響を及ぼし、ＲＦＯＧの精度を大幅に制限する。
【００１３】
複数のメカニズムにより、入射光偏光状態に欠陥が生じ、このため、共振器入口のところでモード整合していない迷光の成分が発生しうる。これは、光源偏光状態のふらつきから生じるか、または共振器入口に光を当てるために使用される光学素子内の複屈折に起因する光の交差結合により生じうる。共振器内の光は、好ましい状態が意図した状態からわずかにずれるように他の偏光状態に結合できるため、共振器内の好ましい状態は正確に知りえない。ときどき、入射状態を正確に制御しても、非モード整合状態である程度の光を発生しうるが、それは、この光が、共振器モードの光と正確に整合しないことがあるからである。複数のメカニズムにより光ファイバ共振器内で光が望ましくない偏光状態に結合され、意図された状態でずれを生じうる。光は、ファイバカプラなどの再循環装置内で、またはコイル自体において交差結合されうる。光は、さらに、望ましくないことに光の成分が望ましくない偏光状態にある場合に光ファイバ内に送り込まれたときに、共振器の第２の偏光状態を励起するか、または共振器の第２の偏光状態に結合しうる。これは、温度または応力の変動に起因する、共振器内のファイバの偏光状態に生じうるバラツキにより悪化し、そのため、共振器の偏光状態への繰り返し光発射がより困難になる可能性がある。光線が元々第１の偏光モードでＲＦＯＧのコイル内に引き入れられる場合であっても、光ファイバには、光を第２の偏光モードに結合する１つまたは複数の欠陥がありうる。
【００１４】
精度に影響を及ぼすおそれのある誤差発生メカニズムが発生することに加えて、従来のＲＦＯＧは、特に小規模なＲＦＯＧについては、大量生産に見合わない法外なコストがかかりうる。従来のＲＦＯＧは、複数のディスクリートコンポーネント（例えば、光源、ビーム発生器、コイルなど）のアセンブリであり、それぞれのコンポーネント、およびそのようなコンポーネントを組み立てるための関連するコストを伴う。小規模な用途では、ＲＦＯＧを組み立てることに関連するコストは、一般に、それぞれのディスクリートコンポーネントを小型化し、小型化されたディスクリート光学コンポーネントを整列するためのコストが増大するとともに増える。
【００１５】
したがって、共振非対称誤差を低減する小規模なナビゲーショングレードの用途用に共振器ジャイロスコープを備えることが望ましい。それに加えて、非線形カー効果、誘導ブリリュアン散乱、偏光誤差、および従来の光ファイバに基づくファイバ共振器ジャイロスコープに関連する曲げ損失に起因する不正確さを最低限に抑えつつ、共振器ジャイロスコープ内の共振器非対称誤差を低減するため方法を提示することが望ましい。さらに、本発明の他の望ましい特徴および特性は、付属の図面およびこの背景技術と併せて、本発明の以下の詳細な説明および付属の請求項を読むことで明らかになるであろう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
共振非対称誤差を低減しながら、光学式ジャイロスコープの回転速度を決定するための装置および方法が提示される。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
例示的な一実施形態では、中空コアと第１および第２の端部とを有する光ファイバコイル、第１の光学素子、第２の光学素子、および第１の光学素子と第２の光学素子との間に結合されたフィルタを備えるリング共振器を具備する光学式ジャイロスコープが提示される。リング共振器は、所定の光学モードを有する。第１の光学素子は、入射光線を受け取り、リング共振器の対向伝搬方向に入射光線の一部を伝送するように構成されている。入射光線の一部は、光ファイバコイルの第１の端部と第２の端部のうちの一方に入る。第２の光学素子は、第１の光学素子と併せて、リング共振器の対向伝搬方向に循環光線の大半を送り、光ファイバコイルの第１の端部および第２の端部の一方で循環光線の伝送成分を導き出すように構成される。循環光線は、入射光線の一部に基づく。この伝送成分は、リング共振器の対向伝搬方向の共振ピークを示す。リング共振器は、フィルタを介して所定の光学モードを有する入射光線の部分を受光するように構成される。
【００１８】
例示的な他の実施形態では、中空コアと第１および第２の端部とを有する光ファイバコイル、第１、第２、および第３の光学素子を備えるリング共振器を具備する光学式ジャイロスコープが提示される。リング共振器は、所定のモードを有する。第１の光学素子は、第１の入射光線の一部を光ファイバコイルの第１の端部のところの中空コア内に送り込むように構成され、さらに、第１の循環光線の第１の伝送成分を導き出すように構成されている。第２の光学素子は、第２の入射光線の一部を光ファイバコイルの第２の端部のところの中空コア内に送り込むように構成され、さらに、第２の循環光線の第２の伝送成分を導き出すように構成されている。第２の循環光線は、所定のモードを有する第１の入射光線の一部から導き出される。第１の循環光線は、所定のモードを有する第２の入射光線の一部から導き出される。第３の光学素子は、第１および第２の入射光線を受け取り、第１の入射光線の一部を第１の光学素子に伝送し、第２の入射光線の一部を第２の光学素子に伝送し、第１および第２の光学素子と併せて、第１の循環光線の大半をリング共振器の第１の対向伝搬方向に送り、第１および第２の光学素子と併せて、第２の循環光線の大半をリング共振器の第２の対向伝搬方向に送るように構成される。
【００１９】
例示的な他の実施形態では、中空コア光ファイバコイルおよびモードを有するリング共振器の回転速度を検出するための方法が提示される。この方法は、第１および第２の入射光線を第１の光学素子に当てるステップと、第１および第２の入射光線のそれぞれから非モード整合光を除去するステップと、そのモードと整合する第１の入射光線の一部をリング共振器の第１の対向伝搬方向で中空コア光ファイバコイル内に送り込むステップと、そのモードと整合する第２の入射光線の一部をリング共振器の第２の対向伝搬方向で中空コア光ファイバコイル内に送り込むステップと、第１および第２の循環光線から透過成分を検出するステップと、透過成分から回転速度を表す周波数偏移を決定するステップとを含む。第１の循環光線は、第１の入射光線から導き出され、第２の循環光線は、第２の入射光線から導き出される。
【００２０】
本発明は、以下では、図面とともに説明され、類似の番号は類似の要素を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の以下の詳細な説明は、本質的に例にすぎず、発明または発明の応用および使用を限定することを意図していない。さらに、本発明の背景技術、または本発明の以下の詳細な説明で提示されている理論により束縛されることも意図していない。
【００２２】
本発明は、共振非対称誤差を低減する共振器ジャイロスコープ、および共振器ジャイロスコープの動作時に発生しうる共振非対称誤差を低減しながら共振器ジャイロスコープを動作させる方法である。例示的な一実施形態では、共振器ジャイロスコープは、必ずしも限定はしないが、リング共振器、１つまたは複数の反射鏡、および１つまたは複数の光検出器を備える。共振器ジャイロスコープのコンポーネントは、光が光検出器に到達する前に両方向（例えば、時計回り（ＣＷ）および反時計回り（ＣＣＷ））でリング共振器内の迷光（例えば、非モード整合光）をフィルタにより除去する（例えば、空間フィルタ、偏光などにより除去する）ように対称型アーキテクチャとして構成される。迷光が（複数の）光検出器に当たるのを減らすか、またはまったく当たらないようにすることにより、低減された共振非対称と偏り誤差で伝送モードの共振直線形を検出し、共振器ジャイロスコープの回転速度をより正確に示すようにすることができる。
【００２３】
次に図面を参照すると、図１は、本発明の他の例示的な実施形態による図１に示されている共振器ジャイロスコープ１０のブロック図である。共振器ジャイロスコープ１０は、光線（例えば、それぞれＣＷ入射光線およびＣＣＷ入射光線）を合成する波長可変光源１２、１４（例えば、波長可変レーザー）、端部４１、４３を備える中空コア光ファイバコイル２４を有するリング共振器２５、光ファイバ２４の端部４３、４１を介して光源１２、１４からＣＷおよびＣＣＷ光線の一部を光ファイバ２４の中空コア内に導き入れる反射鏡３６、３８、反射鏡３６、３８の間に配置されたフィルタ２０、および共振器２５からリターンビームを受け取る光検出器１６、１８を備える。この例示的な実施形態では、フィルタ２０および反射鏡３６は連動し、共振器２５内の循環光線からの非モード整合光を最小にするか、または完全になくす。さらに、光検出器１６、１８は、伝送モードで動作し、迷光（例えば、共振器２５の好ましいまたは所定のモードとモード整合していない光）が光検出器１６、１８に当たるのが妨げられるようにフィルタ２０と並べて配置される。共振器ジャイロスコープ１０は、追加の鏡およびビームスプリッタ（図に示されていない）を備え、これにより、光源１２、１４からの光線の伝搬先を共振器２５にし、共振器２５からの光を光検出器１６、１８に向けることができる。さらに、共振器ジャイロスコープ１０は、光検出器１６、１８によりサンプリングされた共振直線形のフィルタ処理、増幅、分析などを行うための信号処理電子回路（例えば、ＣＭＯＳ電子回路、図には示されていない）を備えることができる。
【００２４】
光ファイバコイル２４は、複数の巻きであり、これにより領域を取り囲む。反射鏡３６、３８は合わさって、共振器２５内に再循環器４０を形成し、光ファイバコイル２４の一端から発した光をファイバコイル２４の他端に再導入して、光が光ファイバコイル２４中を何回も伝搬するようにする（例えば、ＣＷおよびＣＣＷ循環光線）。フィルタ２０および中空コア光ファイバコイル２４の端部４３、４１は、所定のモード（例えば、空間モード、偏光モードなど）の光を受光するが、非モード整合光を実質的に除去し、これにより、反射鏡３８に当たり、光検出器１８、１６により検出される共振直線形に望ましくない影響を及ぼす可能性のある迷光（例えば、非モード整合光）の量を著しく低減する。
【００２５】
サニャク効果を適用することにより、共振器ジャイロスコープ１０は、共振器ジャイロスコープ１０の軸Ａの周りの回転速度を感知する。光検出器１８、１６、およびその後の信号処理電子回路は、それぞれＣＷおよびＣＣＷ循環光線に対する共振直線形の共振中心を検出し、検出された共振中心の間の周波数偏移に基づいて共振器２５の対向伝搬方向のそれぞれに関連する共振周波数を決定する。周波数偏移は、光学式ジャイロスコープ１０の回転速度を決定するために使用される。例えば、第１の光線（例えば、ＣＷビーム）は、周波数ｆ０を有し、共振器２５内に導き入れられる。回転感知のため、ＣＷビームの周波数ｆ０は、ＣＷ方向の共振器２５の共振周波数に同調される（例えば、光源１２の周波数を同調することにより）。ＣＣＷビームの周波数をＣＣＷ方向の共振器２５の共振中心周波数と揃えるために、光源１４の周波数ｆ０＋Δｆを介して第２の光線（例えば、ＣＣＷビーム）の周波数が同調される。
【００２６】
例示的な一実施形態では、光源１２、１４のそれぞれは、レーザーダイオード３２（例えば、Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔレーザーダイオード）、１つまたは複数の外部反射体、およびレーザーダイオード３２により発生する光線の周波数を変調し、同調し、さらにその強度を制御するための電子駆動装置３０を有する外部空洞半導体レーザーである。光源１２、１４は、さらに、周波数選択素子および集束レンズまたは素子を備え、空間に関して望ましい出力において単一の所定の周波数を有する狭線幅光線を発生することができる。第１の波長可変レーザー１２により発生する光線は、周波数ｆ０に同調され、第２の波長可変レーザー１４により発生する光線は、周波数ｆ０＋Δｆに同調される。２つのレーザー周波数の間の相対的周波数ドリフトおよびジッタは、好ましくは、周波数偏移の精度および安定性、したがって回転速度、測定結果への影響を最低限に抑えるか、または影響を及ぼさないレベルまで実質的に最小にされる。これは、電子式サーボを使用してビート周波数を回転速度に比例する波長可変の安定したオフセットにロックするレーザー周波数安定化技術により実現できる。波長可変光源１２、１４のそれぞれが、対応する発生した光線を正弦波周波数変調することができる。
【００２７】
他の実施形態では、共振器２５は、さらに、共振器２５の共振周波数を変調するため圧電変換器（ＰＺＴ）ハブ２３を備えることができる。一実施形態では、光ファイバコイル２４は、ＰＺＴハブ２３、そのためＰＺＴハブ２３の直径を取り囲み、ＰＺＴハブ２３は、所定の変調周波数で光ファイバコイル２４を正弦波的に伸長する。再循環器４０は、光線（例えば、ＣＷおよびＣＣＷ入射光線）を中空コアに導き入れ、光線の一部を光ファイバコイル２４に通して循環させる。再循環器４０は、光ファイバコイル２４の一端から発した光をファイバコイル２４の他端に再導入して、光が光ファイバコイル２４中を何回も伝搬するようにする。他の実施形態では、ＰＺＴハブ２３は、共振器２５から省かれており、再循環器４０は、変調された入射光線（例えば、波長可変レーザー１２、１４により変調された光線）を光ファイバコイル２４の中空コア内に導き入れ、変調された光線の一部を光ファイバコイル２４に通して循環させる。
【００２８】
リング共振器２５は、入力（例えば、反射鏡３６）のところでＣＷおよびＣＣＷ入射光線を受け取り、これらの入射光線の一部を循環させ、リング共振器２５の入力のところで入射光線および循環光線から得られる成分の組み合わせから導き出される反射光成分を出力する。説明の便宜上、入射光線という用語は、リング共振器２５に送られる光を意味し、循環光線という用語は、光ファイバコイル２４を少なくとも１回通過したリング共振器２５の光ファイバコイル２４内を進行する光を意味する。
【００２９】
第１の反射鏡３６は、光源１２、１４から変調された光線（例えば、ＣＷおよびＣＣＷ入射光線）を受け取り、ＣＣＷ入射光線の一部を光ファイバコイル２４の第１の端部４１内に部分的に伝送し、ＣＷ入射光線の一部をフィルタ２０に部分的に伝送する。第２の反射鏡３８は、フィルタ２０からのＣＷ入力光線の一部を光ファイバコイル２４の第２の端部４３に導き入れ、光ファイバコイル２４内を進行するＣＷおよびＣＣＷ光線から（損失を低く抑えて）伝送モード成分を導き出す。この例示的な実施形態ではフィルタ２０を備える再循環器４０は、光ファイバコイル２４の一端から発した光をファイバコイル２４の他端に再導入して、光が光ファイバコイル２４中を何回も伝搬するようにする。
【００３０】
フィルタ２０は、共振器２５のモードを定めるのを助ける所定の空間モードを有し、ＣＷ入射光線中の光の他の空間分布の光を除去しつつ、ＣＷ入射光線中で所定の空間モードを有する光をもっぱら受光する弁別フィルタを実現する。フィルタ２０は、さらに、必ずというわけではないが、共振器モードの偏光と整合していない光を除去することもできる。例示的な一実施形態では、フィルタ２０は、光ファイバコイル２４と実質的に同じ光学特性を有する中空コア光ファイバの一セグメントである。この実施例では、フィルタ２０のモードは、共振器２５のモードと実質的に同じであり、フィルタ２０の好ましいモードの空間分布は、強く閉じ込められているため、フィルタ２０は、共振器２５のモードに整合する光を受光する。この受光された光は、フィルタ２０のモードとモード整合しており、また共振器２５のモードともモード整合しており、このモードで伝搬するが、迷光（例えば、フィルタ２０のモードとも共振器２５のモードとも整合しない光）は、反射鏡３８に当たり、光検出器１８に当たり、その後中空コア光ファイバコイル２４の第２の端部４３に入ることが妨げられる。
【００３１】
光源１４により発生するＣＣＷ入射光線は、反射鏡３６により中空コア光ファイバコイル２４の第１の端部４１に部分的に伝送され、中空コア光ファイバコイル２４の第１の端部４１は、共振器２５の所定の（例えば、望まれている）モードを励起するＣＣＷ入射光線の光を受光するが、その一方で、共振器２５のこのモードで励起しないＣＣＷ入射光線の他の光を除去する。この受光された光は、共振器２５のモードにモード整合し、このモードで伝搬するが、迷光は、光ファイバコイル２４の第１の端部４１に入り、最終的に光検出器１６に入ることが妨げられる。
【００３２】
そのため、中空コア光ファイバコイル２４の端部４１、４３から出現し、反射鏡３８に当たる光は、共振器２５のモードにモード整合し、このモードで伝搬するが、迷光（例えば、非モード整合光）は、フィルタ２０と中空コア光ファイバコイル２４の第１の端部４１とにより反射鏡３８および検出器１８、１６に当たることが妨げられる。
【００３３】
中空コア光ファイバ２４の端部４１、４３が再循環器４０に結合されている状態で、反射鏡３６、３８は、ＣＷおよびＣＣＷ光線の一部を光ファイバコイル２４に通して循環させる。例えば、第１の反射鏡３６は、光ファイバコイル２４の第１の端部４１からのＣＷ循環光線をフィルタ２０に送り、これはＣＷ循環光線を第２の反射鏡３８に送り、第２の反射鏡３８は、ＣＷ循環光線を光ファイバコイル２４の第２の端部４３に送る。第２の反射鏡３８は、光ファイバコイル２４の第２の端部４３からのＣＣＷ循環光線をフィルタ２０に送り、これはＣＣＷ循環光線を第１の反射鏡３６に送り、第１の反射鏡は、ＣＣＷ循環光線を光ファイバコイル２４の第１の端部４１に送る。
【００３４】
反射鏡３８は、光ファイバコイル２４内を進行するＣＷおよびＣＣＷ光線から（損失を低く抑えて）伝送モード成分を導き出す。伝送モード成分は、リング共振器２５のＣＷおよびＣＣＷ共振に同調された入射光線のサンプルに基づいており、リング共振器２５の出力（例えば、反射鏡３８）のところで循環光線をサンプリングすることにより実質的に単独で導き出される。リング共振器２５は、リング共振器２５内で循環している光からリング共振器２５の出力のところで循環光線の成分（つまり、伝送モード成分）を部分的に伝送するように構成される。そのため、伝送される光、つまり伝送モード成分は、本来は、リング共振器２５の所定のモード（例えば、中空コア光ファイバコイル２４およびフィルタ２０のモード）と適切に整合している入射光から導き出される。
【００３５】
例示的な一実施形態では、図１に示されているリング共振器構成は、リング共振器２５の内部で循環する光のサンプリングを行い、リング共振器２５の単一偏光モード（例えば、Ｓ偏光およびＰ偏光から選択される）および／または好ましい空間モード（例えば、通常は最低次のモード）と整合する伝送モード成分（つまり、リング共振器２５内で循環する光の）を送ることができる。循環光線の成分は、リング共振器２５内にも残り、これらの一部は、リング共振器２５の入力における反射ビーム成分に含まれる。反射ビーム成分は、共振器２５内の循環光から減少する光の一部と鏡３６のところで反射され、ファイバコイル２４内で伝搬することを妨げられる、共振器２５の入力に適切にモード整合されていない光を含む入射光との重ね合わせである。
【００３６】
第２の反射鏡３８は、リング共振器２５内で循環する光の１つの偏光モード（例えば、Ｓ偏光およびＰ偏光のうちの１つから選択される）に有利な伝送モードを持つように選択することができる。伝送モード成分は、リング共振器２５内で循環する光から導き出され、そのため、本質的に、所望の偏光状態および共振器２５内で伝搬し、共振するようにされた空間モードからなる。第２の反射鏡３８は、これらの伝送モード成分を光検出器１６、１８に伝送する。
【００３７】
光検出器１６、１８は、ＣＷおよびＣＣＷ循環光線の一部をサンプリングし、光検出器１６、１８はそれぞれ、ＣＷおよびＣＣＷ循環光線に関連する共振直線形を分析するための付加回路（例えば、ＣＭＯＳベースの共振追跡回路）に結合される。光検出器１６、１８は、リング共振器２５内で循環する光の対向伝搬方向（例えば、ＣＷおよびＣＣＷ）のそれぞれの伝送モード成分から共振ピークを検出し、共振ピークの中心は、特定の対向伝搬方向の共振周波数に対応する。ＣＷ方向の共振周波数とＣＣＷ方向の共振周波数との間の周波数偏移は、共振器ジャイロスコープ１０の回転速度を示す。例示的な一実施形態では、ＣＭＯＳ電子回路は、光源１２、１４に結合され、共振器２５の共振周波数に対する光の周波数の閉ループ追跡に影響を及ぼす。
【００３８】
ＣＷ方向またはＣＣＷ方向のいずれかの共振中心周波数を測定するために、標準的な同期検出技術が使用される。それぞれの入射光線は、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、光検出器１８、１６により測定された共振直線形にわたってそれぞれの入射ビーム周波数をディザリングする。例えば、光検出器１８、１６に結合された付加回路（例えば、ＣＭＯＳ電子回路）は、それぞれ周波数ｆｍおよびｆｎで光検出器１８、１６の出力を復調し、ＣＷおよびＣＣＷ循環光線の光出力により示される共振中心を測定することができる。共振直線形の線中心、つまり共振中心において、光検出器１８および１６は、それぞれ基本周波数ｆｍおよびｆｎの最小出力を検出する。入射ビーム周波数（例えば、ｆ０＋Δｆまたはｆ０）が共振状態からずれている場合、周波数ｆｍおよびｆｎの誤差信号は、光検出器により感知され、それぞれのビーム周波数を共振器２５のそれぞれの共振周波数に同調させるために使用される。ＣＷビームの周波数は、光源１２の周波数ｆ０を変えることにより同調され、ＣＣＷビームの周波数は、光源１４の周波数偏移Δｆを変化させるフィードバックループを介して、ｆ０＋Δｆが共振器２５のＣＣＷ共振周波数と整合するように調整される。
【００３９】
ｆ０がＣＷ方向で共振器２５の共振周波数からずらされた場合、ＣＷ入射光線からのエネルギーは、光ファイバ内に入らず、光エネルギーは、第１の反射鏡３６のところで反射される。ｆ０がＣＷ方向で共振器２５の共振周波数に同調された場合、ＣＷビームのモード整合部分は、共振器２５との空間および偏光整合モードを有する光ファイバコイル２４に入り、次いで、反射鏡３８に当たったＣＷビームは最大出力、つまり、共振ピークになるので、共振中心が示される。同様に、ＣＣＷ循環光線についても、ＣＣＷ入射光線が共振器２５との空間および偏光整合モードを有するＣＣＷ方向の共振器２５の共振周波数に同調されたときにＣＣＷ循環光線のモード整合部分のエネルギーが光ファイバコイル２４内に入り、次いで反射鏡３８に当たるＣＣＷビームは最大出力を発する。
【００４０】
回転がない場合、ＣＷおよびＣＣＷ方向の共振器２５の内部のＣＷおよびＣＣＷビームの往復光路長は、それぞれ、実質的に等しい。そのため、Δｆは、０に調整される。回転が存在する場合、往復光路長は、ＣＷ方向とＣＣＷ方向とで異なり、２つの方向において回転速度に比例する共振周波数差を生じる。ＣＷ共振を追跡するために周波数ｆ０を同調させ、ＣＣＷ共振中心を追跡するために周波数Δｆを同調させることにより、回転速度が決定される。
【００４１】
共振器ジャイロスコープ１０は、第２の光源１４を同調させることによりΔｆだけ周波数偏移された第２の光波を供給するが、代わりに、単一の光源を使用することができる。例えば、単一光源からの光出力は、２つの入射ビームを形成するように分割できる。この実施例では、この２つの入射ビームのうちの１つは、周波数シフターを使って周波数偏移される。周波数偏移を実行する２つの方法は、第２の光源を使用することなく、音響光学的周波数シフターの使用、およびセロダイン変調波形を用いた位相変調器の使用を含む、後者の方法では、セロダイン波形は、鋸波である。相対的に純粋な周波数偏移を適用するために、鋸波の位相偏移の振幅は２πの整数倍に設定され、鋸波は、その周期と比較したときに、かなり短い帰線時間を有する。例示的な一実施形態では、周波数偏移は、位相ランプを入射光線（例えば、ＣＷまたはＣＣＷビーム）に適用するセロダイン法を使用して実行される。位相変調器（図に示されていない）を連続的線形位相ランプにより駆動することで、位相ランプの勾配に比例する周波数偏移が得られる。位相高さ２π、周波数Δｆの鋸波では、連続的ランプと実質的に同等の結果が得られ、鋸波周波数（Δｆ）は、回転が存在する場合にＣＣＷ共振を追跡するように調節される。周波数シフター（図に示されていない）は、鋸波帰線時間が波形周期に比較して実質的に短い場合に比較的純粋な周波数偏移を適用することができる。回転の反対方向では、位相ランプの極性は反転される。
【００４２】
ＣＷおよびＣＣＷビームは、極端に低い曲げ損失を有する中空コアバンドギャップ光ファイバを通して伝搬し、コイル２４は、本発明の一利点であるコンパクトなジャイロスコープを形成できるように、実質的に小さな領域の周りに巻き数が多いのが好ましい。例えば、コイル２４は、直径１センチメートルの円周に光ファイバを約２０〜４０回巻くとことができる。中空コア光ファイバは、典型的には、ガラスを用いており、プラスチック製の外側ジャケットと中空の内部コアを持つ。中空コア光ファイバでは、再循環器４０から注入された光は、大半は、コアにそって自由空間（例えば、空気中または真空中）を横断し、光の光学エネルギーの約数パーセント以下のみが、中空コアを囲むファイバのガラス壁に含まれる。光エネルギーの大半は、光ファイバの中空コアにそって自由空間を横切るため、再循環器４０と中空コア光ファイバとの間の変わり目は、完全に近い屈折率整合を有しており、再循環器４０に、損失および引力的偏光特性の低い高反射率レーザーミラーが使用可能である。中空コアファイバは、従来のファイバのコア内のガラス媒質の特性に一般的に関連する回転測定誤差を著しく低減、またはまったくなくすのに適している。
【００４３】
最も好ましい中空ファイバ特性は、低損失、小さな曲げ半径、高信頼性、最小数の空間モード（例えば、理想的には空間モードは１つ）、および最大の偏光保存度である。空間モードの場合、ファイバ内で光の異なる空間分布を有するモード（例えば、高次のモード）の励起の結果生じる損失および二次の望ましくない共振を最小にすることが好ましい。これらの二次共振の励起は、回転、したがって回転速度誤差を測定するために使用される主要なＣＷおよびＣＣＷ共振の直線形の見かけのひずみをもたらしうる。また、ファイバの中空コアを囲む壁の表面上または壁内に光が分布しうる、表面モードなどのファイバ内の他の種類の空間モード分布を最小にすることも好ましい。この場合、表面モードの励起は、光損失、スプリアス誤差、過剰雑音、またはドリフトを引き起こしうる。
【００４４】
再循環器４０は、さらに、共振器２５内で循環する光の望ましい偏光状態の損失を最小限に抑えながら望ましくない偏光状態を有する光ファイバコイル２４から出現する光を低減する少なくとも１つの偏光ユニット（図に示されていない）を備えることができる。偏光ユニットは、望ましい偏光状態（例えば、Ｓ偏光）の光を光ファイバコイル２４内に反射して実質的に高い度数（例えば、約９５％以上）にし、望ましくない偏光状態（例えば、Ｐ偏光）の光を共振器２５から通過させ（例えば、望ましくない偏光状態の光を共振器２５内で再循環している光から除去し）て実質的に高い度数にする。再循環器４０は、光ファイバコイル２４の端部から出る光を受け取る／反射する単一の偏光ユニットを備えるか、または光ファイバコイル２４のそれぞれの端部から出る光を別々に受け取る／反射する２つまたはそれ以上の偏光ユニットのネットワークを備えることができる。
【００４５】
例示的な一実施形態では、偏光ユニットは、偏光ユニットの主表面（例えば、光ファイバコイル２４から出る光を受け取る表面）に当たる光についてブルースター入射角（例えば、約５６°）を有し、そこで、Ｓ偏光は、実質的に高い度数で反射され、Ｐ偏光は、実質的に高い度数でリング共振器２５から取り出される。この例示的な実施形態では、偏光ユニットは、好ましくは、このブルースター入射角で光ファイバコイル２４の端部から出る光を受け取る。偏光ユニットの一実施例は、コーティング（例えば、誘電体コーティングの積層）を有するガラス基板を備える薄膜偏光子であるが、偏光感度を有するさまざまな他の反射装置が使用可能である。中空コア光ファイバに関連して、望ましい偏光を有する光ファイバコイル２４内で循環する光が、中空コアファイバから自由空間内に伝搬し、次いで偏光ユニットにより反射された場合に、光の損失は著しく低くされうる。さらに、光の偏光状態を実質的に保持する中空コアファイバ、または高複屈折中空コア光ファイバを使用することにより、光ファイバ内の光の偏光状態は、偏光ユニットにより反射された光の偏光状態に関して配向され、保持されうる。そのため、望ましい偏光状態に関連する損失は、最小にされ、望ましくない偏光状態の共振の大きさにより生じる回転速度測定の誤差も最小にされうる。さらに、中空コアファイバを使用すると、望ましい偏光状態と望ましくない残留偏光状態との間の安定した共振周波数分離を可能にする複屈折と温度との依存関係を著しく低減される。その結果、中空コアファイバを使用すると、さまざまな環境条件に関して回転速度の誤差が低減される。導光中空コアファイバは、フォトニック結晶ファイバ構造内の光学バンドギャップ効果を介して実現することができ、これはバンドギャップファイバと呼ばれることが多い。
【００４６】
この例示的な実施形態では、共振器ジャイロスコープ１０のコンポーネントのいくつか（例えば、光源１２、１４、反射鏡３６、３８、光検出器１６、１８、およびＣＭＯＳ電子回路）は、シリコンオプティカルベンチ３４上に形成または実装される。例えば、反射鏡３６、３８は、シリコンオプティカルベンチ３４上に実装され、光ファイバ２４の端部４１、４３は、シリコンオプティカルベンチ３４に結合される（例えば、シリコンオプティカルベンチ３４上に形成されたＶ字型溝を介して）。共振器ジャイロスコープ１０は、シリコンオプティカルベンチ３４に関して説明されているが、必ずしも限定はしないがシリコン、シリコンオンインシュレータ、ＩｎＧａＡｓＰなどを含むさまざまな基板が使用可能である。小型オプティカルベンチ技術を使用することで、さまざまな精密光学構造をシリコンオプティカルベンチ３４の表面上にエッチングするか、または形成することができ、外部光学コンポーネントをシリコンオプティカルベンチ３４の表面上に精密に実装するか、またはシリコンオプティカルベンチ３４上に形成することができる。シリコンオプティカルベンチ３４の基層の上のほうに追加の材料層が形成されうる。説明を簡単にするために、基板という用語は、基板の基層の上に形成されうる追加の材料層を含む。
【００４７】
図２は、本発明の例示的な他の実施形態による共振器ジャイロスコープ５０のブロック図である。共振器ジャイロスコープ５０は、ＣＷおよびＣＣＷ入射光線をそれぞれ合成する波長可変光源１２、１４、図１に示されている端部４１、４３を備える中空コア光ファイバコイル２４を有するリング共振器５８、ＣＷおよびＣＣＷ入射光線を受け取るための第１の反射鏡５２、光ファイバ２４の端部４３、４１を介して第１の反射鏡５２からのＣＷおよびＣＣＷ入射光線の一部を光ファイバ２４の中空コア内に導き入れるための第２および第３の反射鏡５６、５４、およびリング共振器５８からの循環ビーム（例えば、ＣＷ循環光線（ＣＷＴ）およびＣＣＷ循環光線（ＣＣＷＴ）の伝送成分）をサンプリングする、図１に示されている、光検出器１８、１６を備える。この例示的な実施形態では、反射鏡５２、５４、および５６は、光学特性を有するように選択され、リング共振器５８内の循環光からの非モード整合光を最小にするか、またはまったくなくし、非モード整合光が光検出器１８、１６に届くのを最小にするか、またはまったくなくすように配向される。
【００４８】
共振器ジャイロスコープ５０は、追加の鏡およびビームスプリッタ（図に示されていない）を備え、これにより、波長可変レーザー１２、１４からの光線の伝搬先をリング共振器５８にし、リング共振器５８からの光を光検出器１６、１８に向けることができる。さらに、共振器ジャイロスコープ５０は、光検出器１６、１８によりサンプリングされた共振直線形のフィルタ処理、増幅、分析などを行うための信号処理電子回路（例えば、ＣＭＯＳ電子回路、図には示されていない）を備えることができる。  共振器ジャイロスコープ５０のコンポーネントのいくつか（例えば、光源１２および１４、反射鏡５２、５４、および５６、光検出器１６および１８）も、シリコンオプティカルベンチ上に形成されうる。
【００４９】
リング共振器５８は、入力（例えば、反射鏡５２）のところでＣＷおよびＣＣＷ入射光線を受け取り、これらの入射光線の一部を循環させ、リング共振器５８の入力のところで、入射光線および循環ビームからの成分の組み合わせから導き出される反射光成分（ＣＷＲおよびＣＣＷＲ）を出力する。伝送モード成分（ＣＷＴおよびＣＣＷＴ）は、リング共振器５８のＣＷおよびＣＣＷ共振に同調された入射光線の一部から導き出された循環光線のサンプルに基づいており、リング共振器５８の出力（例えば、反射鏡５４、５６）のところで循環ビームをサンプリングすることにより実質的に単独で導き出される。リング共振器５８は、リング共振器５８内で循環している光からリング共振器５８の出力のところで循環光線の成分（つまり、伝送モード成分）を部分的に伝送するように構成される。そのため、伝送される光、つまり伝送モード成分は、本来は、リング共振器５８の所定のモードと適切に整合している入射光から導き出される。
【００５０】
例示的な一実施形態では、リング共振器構成は、リング共振器５８の内部で循環する光のサンプリングを行い、リング共振器５８の単一偏光モード（例えば、Ｓ偏光およびＰ偏光から選択される）および／またはリンク共振器５８の好ましい空間モード（例えば、通常は最低次のモード）と整合するリング共振器５８の好ましいモードで循環する光からの伝送モード成分（ＣＷＴおよびＣＣＷＴ）を送ることができる。循環光線の成分は、リング共振器５８内にも残り、これらの一部は、リング共振器５８の入力（例えば、鏡５２）における反射ビーム成分（ＣＷＲおよびＣＣＷＲ）に含まれる。反射ビーム成分（ＣＷＲおよびＣＣＷＲ）は、リング共振器５８内の循環光から減少する光の一部と鏡５２のところで反射され、ファイバコイル２４内で伝搬することを妨げられる、共振器２５の入力に適切にモード整合されていない入射光を含む入射光との重ね合わせである。
【００５１】
反射鏡５２から反射鏡５６、５４に伝送されるＣＷおよびＣＣＷ入射光線の一部は、わずかな量の迷光（例えば、非モード整合光）を含みうる。この場合、反射鏡５４、５６は、ＣＷおよびＣＣＷ入射光線の一部に含まれうる迷光成分をファイバコイル２４へ向けるか、または共振器２５から外へ伝送するが、いずれにせよ、光検出器１８、１６から離れる方向に意図的に送られる。しかし、共振器２５と非モード整合である光は、共振器モードとは整合せず、したがって、ファイバコイル２４内のいくつかの地点でのファイバコイル２４の所定のモードと類似している、共振２５の所定のモードに入ることを妨げられる。そのため、入射光線内の著しい量の迷光（例えば、非モード整合光）は、検出器配置と反射鏡配置（例えば、反射鏡５２とともに、反射鏡５４、５６の配向）により除去される（例えば、検出されなくなる）。光検出器１６、１８に届く迷光の量が減少することで、従来の共振器構成における光検出器により検出することができる共振直線形非対称の望ましくない効果が低減するか、またはなくなる。
【００５２】
さらに、反射鏡５４、５６は、リング共振器５８内で循環する光の１つの偏光モード（例えば、Ｓ偏光およびＰ偏光のうちの１つから選択される）に有利な伝送モードを持つように選択することができる。伝送モード成分は、リング共振器５８内で循環する光から導き出され、そのため、本質的に、所望の偏光状態および共振器５８内で伝搬し、共振するようにされた空間モードからなる。反射鏡５４は、ＣＷ循環光線の伝送モード成分（ＣＷＴ）を光検出器１８に伝送し、反射鏡５６は、ＣＣＷ循環光線の伝送モード成分（ＣＣＷＴ）を光検出器１６に伝送する。反射鏡５２が最初に入射光線中の非モード整合光の大半を反射し、反射鏡５４および５６がともに、その後、残りの迷光が光検出器１８および１６から離れる方向に向かうように構成されている場合、光検出器１８、１６に届く循環光線の伝送モード成分内に存在しうる共振直線形非対称は、著しく低減される。
【００５３】
図３は、本発明の例示的な一実施形態による共振器ジャイロスコープの回転速度を検出する方法１００の流れ図である。共振器ジャイロスコープは、リング共振器、中空コアファイバコイル、およびリング共振器に基づく所定のモード（例えば、偏光モード、空間モード、１つまたは複数のモードの組み合わせなど）を有する。第１および第２の入射光線（例えば、ＣＣＷおよびＣＷ入射光線）は、ステップ１０５で示されているように、第１の光学素子（例えば、反射鏡３６、および反射鏡５２）などの、リング共振器の入力に送られる。非モード整合光は、ステップ１１０で示されているように、第１および第２の入射光線のそれぞれから除去される。リング共振器のモード（例えば、空間モードおよび／または偏光モード）を有する第１および第２の入射光線中の光は、リング共振器内に受光される。
【００５４】
例示的な一実施形態では、反射鏡３６は、ＣＣＷ入射光線の一部を中空コア光ファイバコイル２４の一端４１に部分的に伝送し、ＣＷ入射光線の一部をフィルタ２０に部分的に伝送する。フィルタ２０は、所定の空間モードを有し、所定の空間モードを有するＣＷ入射光線の光を受光するが、その一方で反射鏡３６からのＣＷ入射光線の光の他の空間分布内の光を除去する。フィルタ２０は、光ファイバコイル２４と実質的に同じ光学特性を有する中空コア光ファイバの一セグメントであってよい。フィルタ２０のモードは、強く閉じ込められ、またフィルタ２０のモードは、共振器２５内のいくつかの地点における共振器２５のモードと実質的に同じであるため、フィルタ２０は、共振器２５のモードに整合する光を受光するが、迷光が反射鏡３８に当たるのを妨げる。反射鏡３８は、次いで、フィルタ２０からこの受光された光をファイバコイル２４の端部４３に導き入れる。
【００５５】
他の例示的な実施形態では、反射鏡５２は、リング共振器５８の入力に適切にモード整合されていないＣＷおよびＣＣＷ入射光線の光を反射し、この光がファイバコイル２４内部で伝搬するのを妨げる。反射鏡５４、５６にそれぞれ伝送されるＣＣＷおよびＣＷ入射光線の一部は、わずかな量の迷光（例えば、非モード整合光）を含みうる。反射鏡５４および５６は、ＣＣＷおよびＣＷ入射光線の一部に含まれうる迷光成分を光検出器１８、１６から離れる方向に、またファイバコイル２４の端部４１、４３から離れる方向に送る。
【００５６】
第１の入射光線の一部（つまり、モード整合部分）は、ステップ１１５で示されているように、リング共振器の第１の対向伝搬方向で中空コア光ファイバコイル内に受光される。例えば、ＣＷ入射光線のモード整合部分は、反射鏡３８により光ファイバコイル２４の中空コアの端部４３内に送られる。他の実施例では、ＣＷ入射光線のモード整合部分は、反射鏡５６により光ファイバコイル２４の中空コアの端部４３内に送られる。第１の入射光線のこの部分は、共振器のモードと整合している。第２の入射光線のモード整合部分は、ステップ１２０で示されているように、リング共振器の第２の対向伝搬方向で中空コア光ファイバコイル内に受光される。例えば、リング共振器２５の所定のモードを励起する反射鏡３６から伝送されるＣＣＷ入射光線の光は、中空コア光ファイバコイル２４の端部４１により受光されるが、この所定のモードで励起しないＣＣＷ入射光線の光は、ファイバコイル２４の端部４１のところで除去される。他の実施例では、リング共振器５８の所定のモードを励起する中空コア光ファイバコイル２４の端部４３内に反射鏡５４により送られるＣＣＷ入射光線の光は、ファイバコイル２４の端部４３により受光される。
【００５７】
伝送モード成分は、ステップ１２５で示されているように、第１および第２の循環光線から検出される。第１の循環光線（例えば、ＣＷ循環光線）は、リング共振器のモードとモード整合している第１の入射光線（例えば、ＣＷ入射光線）の光から導き出され、第２の循環光線（例えば、ＣＣＷ循環光線）は、リング共振器のモードとモード整合している第２の入射光線（例えば、ＣＣＷ入射光線）の光から導き出される。例えば、ＣＷ入射光線のモード整合部分は、ＣＷ方向に中空コア光ファイバ２４内を循環し、ＣＷ循環光線を出力し、ＣＣＷ入射光線のモード整合部分は、ＣＣＷ方向に中空コア光ファイバ２４内を循環し、ＣＣＷ循環光線を出力する。
【００５８】
周波数偏移は、第１および第２の循環光線の伝送モード成分から、ステップ１３０で示されているように検出される。周波数偏移は、回転速度に直接比例する。
共振器ジャイロスコープ１０および５０の潜在的な利点は、限定はしないが、安価で小型のパッケージに収めた高精度回転センサを実現できること、共振器がきつく数回巻いた長さ数メートル未満のファイバを有し、低損失であること、リング共振器内で光を循環させるために光ファイバカプラではなく高反射率鏡を使用すること、重要コンポーネントがシリコンオプティカルベンチ上に実装されているレーザーがコンパクトで、安定していること、ジャイロスコープ誤差を助長しうるシリカファイバ中の非線形効果が最小限に抑えられること、光ファイバコイル２４への変わり目で生じる光の損失を実質的に低減すること、光の透過性をほとんど、またはまったく変えずに、非常にきつく（例えば、鉛筆の径程度に）巻いて輪にした光ファイバコイルを形成することができることを含む。
【００５９】
例示的な一実施形態では、共振器ジャイロスコープ１０および５０は、電子回路と光学系を一体化したシリコンベースのマイクロオプティカルベンチ上に構成され、これらの電子回路と光学系の間の効率的で使いやすく機械的に安定しているインターフェイスを備える。形状が１０ミクロンと小さい小型光学コンポーネントをシリコン表面上に実装することで、光波が自由空間内を進行している可能性があるとしても、大きなバルク光学系をなくすことができる。レーザーダイオードおよびその周波数を安定化するための外部素子も、シリコンオプティカルベンチの上面に実装されうる。この例示的な実施形態では、レーザーダイオードおよび関係する周波数同調コンポーネントは、オプティカルベンチ上に実装されうる。外部空洞レーザーのいくつかの特徴は、シリコンチップ上に配置されるか、または直接形成されうる。共振器ジャイロスコープ１０および５０は、徐々にスペクトル幅が狭くなるレーザーを使用して、信号対雑音比精度を改善する。そのため、従来のいくつかのレーザーダイオードでは過剰に広い線幅を採用し、したがって外部空洞内にそのようなレーザーを入れることによりこの線幅を狭める必要性が生じる。これは、高反射率鏡を基板上に形成するか、または配置し、レーザーダイオードをこのような鏡の間に挿入することにより、シリコン基板上にコンパクトに実装することができる。こうして、コンパクトな外部空洞を有する線幅の狭いレーザーダイオードが生産できる。
【００６０】
さらに、レーザーダイオードは、好ましくは単一周波数の光を放射する。周波数選択素子を外部空洞内に挿入して、望ましくない放射周波数の損失を増やし、レーザーが単一中心波長のみで線幅の狭い光を放射するようにすることができる。使用できる周波数選択素子は数多くある。例えば、周波数選択素子は、基板上に形成もしくは配置された小型グレーティング、またはグレーティング上に形成または配置されたエタロンとすることができる。共振器ジャイロスコープの他の特徴は、シリコン基板上に実現することができる。例えば、鏡再循環器は、表面上に配置、形成、もしくはエッチングすることができ、正確に形成され、位置決めされたＶ字型溝内にファイバを置くことによりファイバに揃えることができる。さらに、平面リソグラフィプロセスを使用して表面上に検出器を置くための実装特徴を配置することで、共振器出力ビームに合わせて検出器の位置決めを正確に行うことができる。それとは別に、検出器は、波長約１．３μｍもしくは約１．５μｍで検出器が動作するゲルマニウムなどのドーパントでシリコンをドープすることにより表面上に形成されうる。レーザーダイオードは、ハイブリッド技術を使用してドープＩｎＧａＡｓＰ層をシリコン上に成長させる方法などにより、シリコンプラットフォーム上に集積化することができる（例えば、二次基板を使用することで、シリコン表面上にドープＩｎＧａＡｓＰ層を形成しやすくなる）。これらの技術を使用することにより、シリコンプラットフォーム内に光学系を加工し、それにより、電子回路と一体化することができる。
【００６１】
共振器ジャイロスコープ１０および５０は、例えば、ただし限定はしないが、航空機、陸上車、潜水艦、衛星、水上艦のナビゲーションなどの慣性誘導を必要とする用途を含む、さまざまな用途に適している。それに加えて、共振器ジャイロスコープ１０および５０向けに想定された比較的小さな形状であれば、例えば、限定はしないが、小型ロボット、兵士用の靴、および小規模な衛星を含む、非常に小さなプラットフォーム上で実用的に使用することが可能である。
【００６２】
本発明の前記詳細な説明では、少なくとも１つの実施例が提示されたが、膨大な数の変更形態が存在することは理解されるであろう。また、１つまたは複数の実施例は、例にすぎず、本発明の範囲、適用性、または構成をいかなる形でも限定することは意図されていないことも理解されるであろう。むしろ、前記の詳細な説明は、当業者にとって、本発明の例示的な実施形態を実装するための重宝な指針となるであろう。付属の請求項において述べられているように、本発明の範囲から逸脱することなく例示的な実施形態において説明されている要素の機能および配置にさまざまな変更が加えられることは理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の例示的な一実施形態による共振器ジャイロスコープのブロック図である。
【図２】本発明の例示的な他の実施形態による共振器ジャイロスコープのブロック図である。
【図３】本発明の例示的な一実施形態による共振器ジャイロスコープの回転速度を検出する方法の流れ図である。
【符号の説明】
【００６４】
１０  共振器ジャイロスコープ
１２、１４  波長可変光源
１６、１８  光検出器
２０  フィルタ
２３  ＰＺＴハブ
２４  中空コア光ファイバコイル
２５  リング共振器
３４  シリコンオプティカルベンチ
３６、３８  反射鏡
４０  再循環器
４１、４３  端部
５０  共振器ジャイロスコープ
５２  第１の反射鏡
５４  第３の反射鏡
５６  第２の反射鏡
５８  リング共振器
【図１】
2008089594.tif 000003
【図２】
2008089594.tif 000004
【図３】
2008089594.tif 000005
【外国語明細書】
2008089594000001.pdf