(57)【要約】      （修正有）【課題】剛体光導波路共振器を有する光周波数コム誘導ブリュアン散乱ジャイロスコープのためのシステムおよび方法を提供する。【解決手段】システムは、多重周波数光フィールドを含む光周波数コムを生成するように構成された光源と、光源に結合された剛体光導波路共振器であって、光周波数コムから生成された再循環光周波数コムが、剛体光導波路共振器の周囲を第１方向に伝搬し、剛体光導波路内に、少なくとも１つのＳＢＳ周波数成分を含むＳＢＳ光フィールドを生成し、再循環光周波数コムの１つ以上の光周波数成分が、剛体光導波路共振器の共振ピーク上にロックされる、剛体光導波路共振器と、誘導ブリュアン散乱光フィールドと再循環光周波数コムとの間における周波数差の関数として変化する光うなり信号を生成するように構成された光ミキサとを含む。【選択図】図１
2016136143.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多重周波数光フィールドを含む光周波数コム（１０４、２０４）を生成するように構成された光源（１０３、２０３）と、
前記光源（１０３、２０３）に結合された剛体光導波路共振器（１０２、２０２）であって、前記光周波数コム（１０４、２０４）から生成された再循環光周波数コム（１０４ｂ、２０４ｂ）が、前記剛体光導波路共振器（１０２、２０２）の周囲を第１方向に伝搬し、前記剛体光導波路内に、少なくとも１つのＳＢＳ周波数成分を含む誘導ブリュアン散乱（ＳＢＳ）光フィールド（１０５、２０５）を生成し、前記再循環光周波数コム（１０４ｂ、２０４ｂ）の１つ以上の光周波数成分が、前記剛体光導波路共振器（１０２、２０２）の共振ピーク上にロックされる、剛体光導波路共振器（１０２、２０２）と、
前記誘導ブリュアン散乱光フィールド（１０５、２０５）と前記再循環光周波数コム（１０４ｂ、２０４ｂ）との間における周波数差の関数として変化する光うなり信号を生成するように構成された光ミキサ（１０９、２０９）と、
を含み、
前記剛体光導波路共振器（１０２、２０２）が、剛体基板（１０１、２０１）上に製作される、システム。
【請求項２】
回転を測定する方法（４００）であって、
再循環光周波数コム（１０４ｂ、２０４ｂ）を剛体光導波路共振器（１０２、２０２）を通じて第１方向に伝搬させるステップであって、前記再循環光周波数コム（１０４ｂ、２０４ｂ）が、少なくとも１つの周波数成分を含む誘導ブリュアン散乱（ＳＢＳ）光フィールド（１０５、２０５）を、前記第１方向とは反対の第２方向に誘導する、ステップと、
前記剛体光導波路共振器（１０２、２０２）から出射する前記再循環光周波数コム（１０４ｂ、２０４ｂ）を、前記剛体光導波路共振器（１０２、２０２）から出射する前記ＳＢＳ光フィールド（１０５、２０５）の一部と混合して、前記再循環光周波数コム（１０４ｂ、２０４ｂ）と前記ＳＢＳ光フィールド（１０５、２０５）との間における周波数差の関数である少なくとも１つの信号を生成するステップと、
前記少なくとも１つの信号に基づいて、回転速度を判定するステップと、
を含む、方法。
【請求項３】
請求項２記載のシステムまたは請求項２記載の方法において、前記剛体光導波路共振器（１０２、２０２）が、光学等級結晶基板上に形成される、方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
関連出願に対する相互引用
[0001]  本願は、２０１５年１月１４日に出願され、”OPTICAL FREQUENCY COMB STIMULATED BRILLOUIN SCATTERING GYROSCOPE WITH RIGID OPTICAL WAVEGUIDE RESONATOR”（剛体光導波路共振器を有する光周波数コム誘導ブリュアン散乱ジャイロスコープ）と題する米国仮特許出願第６２／１０３，１５８号の優先権および権利を主張する。この出願をここで引用したことにより、その内容全体が本願にも含まれるものとする。
【０００２】
[0002]  低コストで高性能のジャイロスコープが、ナビゲーション・システム、精密照準システム(precision point system)、および誘導システムのために求められている。共振型光ファイバ・ジャイロスコープのような受動式光共振型ジャイロスコープは、次世代のナビゲーション級ジャイロスコープの有望な候補であるジャイロスコープの一種である。受動式光共振型ジャイロスコープは、低コストで高い分解能を有する解決手段を提供する潜在的可能性を有する。受動式光共振型ジャイロスコープは、サニャック効果を使用して、共振器における慣性回転による共振周波数のずれ(shift)を測定するジャイロスコープであり、共振器は、この共振器内部におけるレーザ光生成に導く利得媒体を内蔵していない。しかしながら、受動式光共振型ジャイロスコープは、一般に、共振器外部に多数のレーザ源、および複雑なロッキング系統(locking schematics)、または光周波数シフタを含み、生産コストを著しく増大させる。回転速度の測定において高い感度を見込むことができるソリッド・コア光ファイバ共振器を使用すると、ファイバ共振コイル内部におけるレーザ光強度が、ジャイロスコープのファイバ共振器内部においてブリュアン散乱を生成するおそれがあり、ブリュアン散乱はジャイロスコープの性能を低下させる。更に、ファイバ共振コイルを製作するために使用される光ファイバは、比較的嵩張り、製作し巻回すのに費用がかかり、比較的高価な結合光学素子を必要とし、更に環境的要因による性能のばらつきが生ずる可能性がある。
【発明の概要】
【０００３】
[0003]  剛体光導波路共振器を有する光周波数コム誘導ブリュアン散乱ジャイロスコープのためのシステムおよび方法を提供する。一実施形態では、システムは、多重周波数光フィールド(multiple-frequency light field)を含む光周波数コムを生成するように構成された光源と、光源に結合された剛体光導波路共振器であって、光周波数コムから生成された再循環光周波数コムが、剛体光導波路共振器の周囲を第１方向に伝搬し、剛体光導波路内に、少なくとも１つのＳＢＳ周波数成分を含むＳＢＳ光フィールドを生成し、再循環光周波数コムの１つ以上の光周波数成分が、剛体光導波路共振器の共振ピーク上にロックされる、剛体光導波路共振器と、誘導ブリュアン散乱光フィールドと再循環光周波数コムとの間における周波数差の関数として変化する光うなり信号を生成するように構成された光ミキサとを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
[0004]  図面は実施形態例を描くに過ぎず、したがって範囲を限定するとは考えないことを理解した上で、添付図面の使用を通じて、更に具体的にそして詳細に実施形態例について説明する。
【図１】図１は、本開示において説明する一実施形態におけるジャイロスコープ・システムのブロック図である。
【図２】図２は、本開示において説明する一実施形態におけるジャイロスコープ・システムのブロック図である。
【図３】図３Ａ〜図３Ｃは、本開示において説明するある種の実施形態における、誘導ブリュアン散乱（ＳＢＳ）多重周波数光および光周波数コムの周波数を示す周波数図である。
【図４】図４は、本開示において説明する実施形態について回転速度を判定する方法の流れ図である。
【０００５】
[0009]  共通の慣例にしたがって、種々の説明する特徴は、同じ拡縮率で描かれるのではなく、実施形態例に関連がある具体的な特徴を強調するように描かれるものとする。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
[0010]  以下の詳細な説明において、その一部を形成する添付図面を参照する。添付図面では、具体的な実例となる実施形態を一例として示す。しかしながら、他の実施形態を利用してもよく、論理的、機械的、および電気的変更が行われてもよいことは理解されてしかるべきである。更に、図面および明細書において紹介する方法は、個々のステップを実行することができる順序を限定するように解釈してはならない。以下の詳細な説明は、したがって、限定的な意味で捕らえてはならない。
【０００７】
[0011]  本開示の実施形態は、共振型光ジャイロスコープを提供する。共振器は、剛体基板上に形成された、リソグラフ製作型導波路(lithographically fabricated waveguide)のような、剛体導波路を含む。本明細書において説明するシステムおよび方法は、更に、光周波数コムを生成する単一レーザ源を使用する、低コストで高性能のジャイロスコープも提供する。光周波数コムは、光導波路共振器の周囲を伝搬し、少なくとも１つの周波数成分が、光周波数コムとは反対方向に、光導波路共振器の周囲を逆伝搬する誘導ブリュアン散乱（ＳＢＳ）を生成するのに十分な振幅を有する。光周波数コムおよび誘導ブリュアン散乱の双方は、それらの特定伝搬方向に関連する光導波路共振器の共振周波数と一致する(match)ように制約を受ける。光周波数コムは、例えば、レーザ光源を制御するサーボ電子回路によって、第１方向（例えば、時計回りＣＷ方向）の共振にロックされる。生成されたＳＢＳ光周波数は、自動的に第２方向（例えば、反時計回りＣＣＷ方向）の共振となる。何故なら、レーザは、その性質によって、内部で共振する周波数においてのみ光を出力するからである。２つの反対方向における共振周波数の差は、ジャイロの回転速度についての情報を含む。光周波数コムの使用と、剛体光導波路共振器において意図的に生成されるＳＢＳ光フィールドとの組み合わせにより、２つの光源を必要とするシステムと比較すると、ナビゲーション級共振型光ジャイロスコープのコストを著しく低減することができる。特に、本明細書において説明するジャイロスコープの１つ以上の実施形態は、回転速度を検出するために、光周波数コムおよびＳＢＳ光から得られるうなり周波数信号を利用する。
【０００８】
[0012]  ＳＢＳ光は、剛体光導波路共振器を製作するために使用される材料に関連するブリュアン・シフトだけ周波数がシフトされるので（例えば、ＳｉＯ２において約１１ＧＨｚ）、ＳＢＳ光および光周波数コムは、必ずしも周波数が重複するとは限らない。光周波数コムおよびＳＢＳ光がジャイロ共振器において重複する周波数スペクトルを有さないと、ＣＷ波がＣＣＷ方向に後方散乱するとき、またはその逆のとき、光周波数コムおよびＳＢＳ光は互いに周波数ロックされなくなる。つまり、ジャイロスコープは、周知の後方散乱によって誘発されるロックイン(lock-in)効果を回避することができる。ロックイン効果は、多くのナビゲーション用途において使用される従来のリング・レーザ・ジャイロスコープ（ＲＬＧ）においてジャイロスコープの性能を低下させる。
【０００９】
[0013]  図１は、共振型光ジャイロスコープ１００のブロック図であり、単一レーザ光源１０３に結合された剛体光導波路共振器１０２を含む。一実施形態では、剛体光導波路共振器１０２は、剛体基板１０１上にリソグラフ製作型導波路を含む。ある実施形態では、基板１０１は、ＳｉＯ２または同様の光学等級(optical grade)の結晶基板を含むことができる。光導波路共振器１０２は、光が光導波路共振器１０２の周囲を時計回りおよび反時計回り方向の双方で伝搬できるように、環状に形成されればよい。光導波路共振器１０２には、集積光チップの一部として、剛体基板１０１上に、以下で論ずるような、他のコンポーネントが形成されてもよい。
【００１０】
[0014]  レーザ光源１０３は、ここでは光周波数コム１０４と呼ぶ、多重周波数光フィールドを生成する。代替実施形態では、レーザ光源１０３は、モード・ロック・レーザーまたは超連続光源を含んでもよく、および／または光周波数コム１０４は、光パラメトリック増幅、四波混合、光電変調、またはその他の技法を使用して、レーザ光源１０３によって生成されてもよい。光周波数コム１０４は、異なる光周波数において複数の光周波数成分を含み、その一部は、光導波路共振器１０２の共振周波数にロックすることができる。例えば、ある実施形態では、レーザ光源１０３からの光周波数コムの周波数成分が、サーボ電子回路１０６によって、共振器１０２の共振ピークにロックされるのでもよい。
【００１１】
[0015]  光周波数コム１０４の２つの隣接する成分間における周波数間隔は、光導波路共振器１０２の自由スペクトル領域の関数であり、直接これに関係する。例えば、この周波数間隔は、光導波路共振器の自由スペクトル領域の整数倍数または約数であることができる。ある実施形態では、レーザ光源１０３は、光導波路共振器１０２と同じ剛体基板１０１内に集積され、レーザ光源１０３によって生成される多重周波数光フィールドは、剛体基板１０１上の剛体導波路１０７（例えば、リソグラフ製作型導波路のような）を通じて光導波路共振器１０２にも伝えられる。即ち、このような実施形態では、レーザ光源１０３から光導波路共振器１０２までの光路全体が、光ファイバの長さには全く含まれず、剛体導波路によって設けられる。レーザ光源１０３、光ミキサ１０９、および速度出力１０８の内１つまたは全部が、図１に示すように、光導波路共振器１０２と同じ剛体基板１０１上に形成され、剛体導波路１０７によって相互接続されてもよい。
【００１２】
[0016]  光周波数コム１０４からの光は、共振器１０２に入射し、そしてそのエネルギの全部または一部が共振器１０２内に結合される。光周波数コム１０４のスペクトル成分の周波数間隔が自由スペクトル領域の整数倍数である場合、周波数成分の実質的に全てが高い効率で共振器１０２内に結合される。光周波数コム１０４が自由スペクトル領域の約数である場合、周波数成分の一部だけが高い効率で共振器１０２内に結合される。光周波数コム１０４から共振器内に結合された結合光エネルギは、共振器の周囲を多数回再循環して、共振器の共振条件の結果として再循環光周波数コム１０４ｂを形成する。再循環光周波数コム１０４ｂが光導波路共振器１０２内部を第１方向（例えば、図１に示すように時計回り方向）に伝搬するに連れて、再循環光周波数コム１０４ｂ内における複数の光周波数成分の内少なくとも１つが、光導波路共振器１０２内において誘導ブリュアン散乱（ＳＢＳ）光フィールド１０５を生成するのに十分な振幅を有することになる。ＳＢＳ光フィールド１０５は、ブリュアン・シフトだけ再循環光周波数コム１０４ｂからシフトされた少なくとも１つの周波数成分を有し、再循環光周波数コム１０４ｂとは反対方向に（例えば、図１に示すように反時計回り方向）、光導波路共振器１０２内を伝搬する。再循環光周波数コム１０４ｂと逆伝搬ＳＢＳ光フィールド１０５との間におけるブリュアン・シフトの大きさは、光導波路共振器１０２を製造するために使用された材料の関数となる。例えば、ある実施形態では、光周波数コム１０４の１つ以上の光周波数成分が、高い効率で共振器１０２内に結合されるので、再循環光周波数コム１０４ｂの１つ以上の光周波数成分は、ＳＢＳ光フィールド１０５を生成するのに十分なパワーを有することになる。ＳＢＳ光フィールド１０５は、これらが生成された元である再循環光周波数コム１０４ｂの１つ以上の光周波数成分から約１１ＧＨｚだけシフトされたＳＢＳ光周波数成分周波数を含む。これは、剛体基板１０１がＳｉＯ２を含む実施態様の場合である。光周波数コム１０４を生成する光源１０３は、本質的に、光導波路共振器１０２内に１つ以上の周波数を含む誘導ブリュアン散乱光フィールド１０５を生成するためのポンプ・レーザ源として機能する。光導波路共振器１０２は、サニャック効果のために、２つの相反する伝搬方向において、２組の異なる共振ピークを有する。誘導ブリュアン散乱場１０５は、ブリュアン利得が逆伝搬方向において共振器の共振ピークと重複する周波数において形成される。
【００１３】
[0017]  図３Ａは、レーザ光源１０３によって生成された光周波数コム１０４を結合することによって生成された再循環光周波数コム１０４ｂを構成する多数の光周波数成分３０５を示し、更に光導波路共振器１０２によって生成された逆伝搬ＳＢＳ光フィールド１０５を構成するＳＢＳ光周波数成分３０７も示す、実証的な例を示す。この特定的な例では、レーザ光源１０３は光周波数コム１０４を生成し、一方光周波数コム１０４は、異なる周波数において複数の光周波数成分３０５を有する再循環光周波数コム１０４ｂ（この図では３０４ａとして示す）を生成し、各成分は実質的に同じ振幅を有し、この振幅は、光導波路共振器１０２内に誘導ブリュアン散乱３０２ａを発生するのに十分大きい。更に、光周波数コム３０４ａの光周波数成分３０５の各々の間の周波数差は、自由スペクトル領域の整数倍数または約数に等しい。
【００１４】
[0018]  再循環光周波数コム３０４ａが光導波路共振器１０２の周囲を伝搬するに連れて、その光フィールドの多数の光周波数成分３０５が各々誘導ＳＢＳ光周波数成分３０７を生成し、導波路共振器内部に逆伝搬ＳＢＳ光フィールド３０２ａを形成する（即ち、光周波数コム３０４ａの伝搬方向とは反対である方向に、剛体導波路共振器の周囲を伝搬する）。各ＳＢＳ光周波数コンポーネント３０７は、ブリュアン・シフトによって、コム３０４ａのその関連する光周波数成分３０５（即ち、ＳＢＳ光周波数成分３０７を生成したコム３０４ａの光周波数成分３０５）から周波数がシフトされる。即ち、この例では、ＳＢＳ多重周波数光フィールド３０２ａは、ＳＢＳ多重周波数光フィールド３０２ａがブリュアン・シフトによって周波数シフトされることを除いて、再循環光周波数コム３０４ａの多重周波数光フィールドと同様となる。前述のように、ブリュアン・シフトの量は、光フィールドが伝搬する材料に依存する。尚、ある実施態様において、再循環光周波数コム３０４ａが可変振幅の光周波数成分３０５を有する場合、これらの光周波数成分の一部が、ＳＢＳ光フィールド３０２ａにおいて関連するＳＢＳ光周波数成分３０７を生成するのに十分なパワーがあり、他はそうでなくてもよいことは認められてしかるべきである。したがって、ある実施態様では、ＳＢＳ光フィールド２０３ａは、再循環光周波数コム３０４ａよりも少ない光周波数成分３０７を含むこともある。
【００１５】
[0019]  図１に示す実施形態では、ＳＢＳ光フィールド１０５の一部が、当業者には周知の結合メカニズムを介して光導波路共振器１０２から出射し、光ミキサ１０９に向かって伝搬する。また、光ミキサ１０９は、レーザ光源１０３によって生成された光周波数コム（１０４で示す）の一部も受光し、光周波数コム１０４をＳＢＳ光フィールド１０５と混合する。ある実施態様では、光周波数コム１０４は直接レーザ光源１０３の出力から供給され、一方他の実施態様では、光ミキサ１０９は、再循環光周波数コム１０４ｂおよびＳＢＳ光フィールド１０５双方の一部を光導波路共振器１０２から受光する。ある実施形態では、光周波数コム１０４あるいは再循環光周波数コム１０４ｂおよび／またはＳＢＳ光フィールド１０５が光ミキサ１０９まで辿る光路は、剛体導波路１０７によって設けられる。例えば、剛体導波路１０７は、光導波路共振器１０２と同じ剛体基板１０１上に形成された、リソグラフ製作型導波路であってもよい。
【００１６】
[0020]  光ミキサ１０９は、少なくとも１つの光周波数(frequency of light)を含むＳＢＳ光フィールド１０５、および光周波数コム１０４からまたは再循環光周波数コム１０４ｂからの多重周波数光フィールドを混合して、少なくとも１つのうなり周波数を含むうなり周波数信号１１０を形成する(create)。うなり周波数信号１１０は、光周波数コム１０４の光周波数成分、または再循環光周波数コム１０４ｂの一部と、ＳＢＳ光フィールドとの間の差の関数である１つまたは複数の周波数を有する信号成分を含む。次いで、光ミキサ１０９は、うなり周波数信号１１０を速度出力１０８に供給する。ある場合には、うなり周波数信号１１０は、多数のＦＳＲの多数のうなり周波数、および回転速度による周波数シフトを含む。第２の場合では、光周波数コム部分１０４または再循環光周波数コム１０４ｂの一部が濾波されて、前記部分が、元の光周波数コム１０４の１つの周波数成分のみを含み、１つのＳＢＳ周波数のみが選択的に生成される。この場合、うなり周波数信号１１０は、ゼロＦＲＳの１つの選択されたうなり音(beat note)、および回転速度による周波数シフトを含み、または整数個のＦＳＲの周波数の１つのビート音、および回転速度を含む。この場合、前記部分が１つの周波数のみを含み、光周波数コム（ＯＦＣ）は、オフセットが大きいうなり信号を、単なる回転誘発周波数シフトに、または小さい整数のＦＳＲの１つのうなり音に回転速度を加えたものにダウン・コンバートするのに役立つ。ＯＦＣを使用して１１ＧＨｚうなり信号を非常に低いうなり周波数にダウン・コンバートすると、信号対ノイズ比（ＳＮＲ）を高めるのにも役立つ。つまり、非常に安定なＯＦＣは、大きなＳＢＳ周波数オフセットを測定値から除去し、回転による小さな周波数シフトを一層測定し易くする。このように、回転による小さな周波数シフトは、直接測定のために分離され、大きなＳＢＳ周波数シフト（回転誘発周波数シフトの指示に測定誤差を付加する）と混合されない。速度出力１０８は、うなり周波数１１０に基づいて、ジャイロスコープ１００の回転速度を判定する。
【００１７】
[0021]  １つのレーザ光源１０３を使用して光周波数コム１０４を生成することが潜在的に可能なことにより、レーザ共振型ジャイロスコープ１００は低コストおよび高分解能の双方を提供することができる。ジャイロスコープ１００は、光周波数コム１０４と、光導波路共振器１０２内で生成される誘導ＳＢＳ光フィールド１０５との双方を使用して、回転速度情報を得る。また、誘導ＳＢＳ光フィールド１０５が回転速度情報を提供するために使用されるので、ジャイロスコープは、誘導ブリュアン散乱を抑制するメカニズムを含む必要がない。つまり、簡略化されたロックイン回避メカニズム、および回転速度を判定するための誘導ＳＢＳ光フィールド１０５の使用により、ジャイロスコープは、コストを削減して生産することができる。
【００１８】
[0022]  図２は、図１において説明したジャイロスコープ・システム１００の代替実施態様として機能するジャイロスコープ・システム２００を示すブロック図である。したがって、図１におけるエレメントについての説明およびオプション(option)は図２において同様の名称が付けられたエレメントにも該当し、その逆も成り立つ。ある種の実施形態では、システム２００は、レーザ光源２０３、剛体光導波路共振器２０２（例えば、剛体基板１０１上のリソグラフ製作型導波路であってもよい）、サーボ電子回路２０６、光ミキサ２０９、および速度出力２０８を含み、これらは、図１において説明した、レーザ光源１０３、光導波路共振器１０２、サーボ電子回路１０６、光ミキサ１０９、速度出力１０８と同等に機能する。このため、レーザ光源１０３、光導波路共振器１０２、サーボ電子回路１０６、光ミキサ１０９、および速度出力１０８の説明は、レーザ光源２０３、光導波路共振器２０２、サーボ電子回路２０６、光ミキサ２０９、および速度出力２０８にも当てはまる。たとえば、レーザ光源２０３、光ミキサ２０９、サーボ電子回路２０６、および速度出力２０８の内１つまたは全部は、図２に示すように、光導波路共振器２０２と同じ剛体基板２０１上に形成し、剛体導波路２０７によって相互接続することができる。
【００１９】
[0023]  図１におけるシステム１００と関係付けて説明したコンポーネントに対応するコンポーネントに加えて、システム２００は光フィルタ２２０も含む。光フィルタ２２０は、光源２０３によって精製される光周波数コム２０４を濾波して、その多重周波数光フィールドの周波数のスペクトルが、光導波路共振器２０２内において生成されるＳＢＳ光フィールド２０５のスペクトルに含まれる周波数と重複しないことを確保する。光フィルタ２２０は、図２に示すように、光導波路共振器２０２と同じ剛体基板１０１上に形成し、剛体導波路２０７によって相互接続することができる。
【００２０】
[0024]  光周波数コム２０４から結合された光の一部は、共振器２０２に結合され、再循環光周波数コム２０４ｂを形成する。再循環光周波数コム２０４ｂが光導波路共振器２０２内を第１方向（例えば、図２に示すように、時計回り方向）に伝搬するに連れて、コム２０４ｂ内における複数の光周波数成分の内少なくとも１つが、光導波路共振器２０２内に誘導ブリュアン散乱（ＳＢＳ）光フィールド２０５を生成するのに十分な強度を有することになる。ＳＢＳ光フィールド２０５は、ブリュアン・シフトだけ光周波数コム２０４ｂからシフトされた少なくとも１つの周波数成分を有し、再循環光周波数コムとは反対方向に（例えば、図２に示すように、反時計回り方向）光導波路共振器２０２内を伝搬する。再循環光周波数コム２０４ｂと逆伝搬ＳＢＳ光フィールド２０５との間におけるブリュアン・シフトの大きさは、光導波路共振器２０２を製造するために使用した材料に依存する。例えば、ある実施形態では、十分なパワーを有する光再循環周波数コム２０４ｂの１つ以上の光周波数コンポーネントが、再循環光周波数コム２０４ｂの１つ以上の光周波数成分から約１１ＧＨｚだけシフトされたＳＢＳ光周波数成分周波数を含むＳＢＳ光フィールド２０５を生成する。これは、剛体基板２０１がＳｉＯ２を含む実施形態の場合に該当する。光周波数コム２０４を生成する光源２０３は、本質的に、光導波路共振器２０２内において１つ以上の周波数を含む誘導ブリュアン散乱光フィールド２０５を生成するポンプ・レーザ源として機能する。光導波路共振器２０２は、サニャック効果により２つの相反する伝搬方向に２組の異なる共振ピークを有する。誘導ブリュアン散乱場２０５は、ブリュアン利得が逆伝搬方向において共振器の共振ピークと重複する周波数において形成される。
【００２１】
[0025]  再循環光周波数コム２０４およびＳＢＳ多重周波数光フィールド２０５の１つ以上の光周波数成分がそれらの周波数スペクトルにおいて重複し、１つの方向から他の方向に光後方散乱ができるとき、ジャイロスコープの共振器２０２における逆伝搬信号（２０４ｂ、２０５）を互いにロックすることができる。逆伝搬信号が互いにロックされると、実際の値がゼロでなくても、測定される回転速度はゼロになる。光フィルタ２２０は、同様の周波数を有する信号が光導波路共振器２０２内を逆方向に伝搬するのを防止するように、光周波数コム２０４の帯域幅を制限する。例えば、光導波路共振器のブリュアン・シフトが１１ＧＨｚである場合、光フィルタ２２０は、１１ＧＨｚシフトされたＳＢＳ光周波数成分の周波数が、光周波数コム２０４および再循環光周波数コム２０４ｂの非シフト光周波数成分と重複しないように、光源２０３によって生成される光周波数コム２０４を減衰させる。
【００２２】
[0026]  図３Ａは、光周波数コム３０４ａの成分３０５に関する光フィルタ２２０の通過帯域の図を３０６で示す。ある種の実施形態では、光周波数コム３０４ａを構成する多重周波数光フィールドの成分３０５の周波数、したがって再循環光周波数コムの周波数成分が、ＳＢＳ光フィールド３０２ａのある種の成分３０７の周波数と重複することもある。重複する周波数は、ジャイロスコープにロックインを生じさせ(exhibit)、ジャイロスコープの性能を低下させる。また、重複する周波数は、例えば、光後方散乱があるときに、ＣＷ伝搬波を共振器のＣＷ共振に正確にロックする能力を低下させる。重複する周波数を回避するために、光周波数コム３０４ａを構成する光フィールドが共振器に結合される前に、光周波数コム３０４ａを構成する多重周波数光フィールドを、光フィルタ２２０によって濾波することができる。光フィルタ２２０の通過帯域３０６は、光周波数コム３０４ａで構成される光フィールドの周波数スペクトルを減衰させ、こうしなければ、光周波数コム３０４ａはＳＢＳ光フィールド３０２ａにおける周波数と重複する。この場合、再循環周波数コムのスペクトルは、ＳＢＳ光フィールド３０２ａのスペクトルと重複しない。
【００２３】
[0027]  少なくとも１つの実施形態では、システム２００は自由スペクトル領域（ＦＳＲ）制御２１２も含む。自由スペクトル領域制御手段２１２は、図２に示すように、光導波路共振器２０２と同じ剛体基板２０１上に形成し、剛体導波路２０７によって相互接続することができる。前述のように、光周波数コム２０４は、光導波路共振器２０２の共振周波数にロックされた多重周波数光フィールドを含む。更に、光周波数コム２０４における周波数成分３０５は、光導波路共振器２０２の自由スペクトル領域の倍数または約数にしたがって、互いから離間される。システム２００の動作中、光導波路共振器２０２の自由スペクトル領域は、光導波路共振器２０２の環境に応じて変化する。例えば、光導波路共振器２０２が暖まるまたは冷えるに連れて、光導波路共振器２０２はそれに応じて膨張または収縮する可能性があり、このため光導波路共振器２０２の長さが変化する。光導波路共振器２０２の膨張および収縮、ならびにその結果生ずる光導波路共振器２０２の経路長変化のために、光導波路共振器２０２の自由スペクトル領域が変化する。変化する自由スペクトル領域のために、システム２００は、コム間隔制御２１２を含み、光周波数コム２０４によって生成される多重周波数光フィールドの周波数、または共振器の経路長を調節して、フィルタ２２０を通過する光周波数コム２０４によって生成される再循環光周波数コム２０４ｂの多重周波数光フィールドの周波数成分間の差が、光導波路共振器２０２の自由スペクトル領域の倍数または約数に等しくなるようにする。周波数間隔を調節して光導波路共振器２０２の自由スペクトル領域に一致させるために、自由スペクトル領域制御手段は光導波路共振器２０２および再循環光周波数コム２０４ｂに結合されている。自由スペクトル領域制御手段２１２は、光導波路共振器２０２からの再循環光周波数コム２０４ｂを含む出力を受け、周波数間の差が自由スペクトル領域の倍数または約数に一致するように、光周波数コム２０４（または共振器）に対して行う必要があるあらゆる調節を決定する。自由スペクトル領域制御手段２１２は、光導波路共振器２０２によって供給される信号に基づいて調節値を決定し、この調節値を光周波数コム２０４（または共振器）に、当業者には周知の方法およびシステムを使用して供給する。例えば、導波路の温度を、コムと両立する(compatible)自由スペクトル領域が得られる値に能動的に維持できるように、サーボ・システム２０６によってヒータを作動させることによって、共振器経路長を熱的に調節することができる。
【００２４】
[0028]  更に、少なくとも１つの実施態様では、１つ以上の任意の減衰器（２１４で示す）が、光ミキサ２０９による混合の前に、ＳＢＳ光フィールド２０５および再循環光周波数コム光フィールド２０４ｂの一部の一方または双方を、任意に光学的に減衰させる。減衰器２１４は、図２に示すように、光導波路共振器２０２と同じ剛体基板２０１上に形成し、剛体導波路によって相互接続することができる。減衰器２１４は、信号が混合および回転速度の判定に適した信号レベルにあることを確保することができる。代替実施形態では、ＳＢＳ光フィールド２０５が、濾波された光周波数コム２０４または光源２０３から直接生成された光周波数コム２０４を構成する多重周波数光フィールドと混合される場合、減衰器２１４は、光導波路共振器２０２によって生成されたＳＢＳ光フィールド２０５を減衰させる。
【００２５】
[0029]  図２に示す実施形態では、ＳＢＳ光フィールド２０５の一部が、当業者には周知の結合メカニズムを介して、光導波路共振器２０２から出射し、光ミキサ２０８に向かって伝搬する。光ミキサ２０９は、再循環光周波数コム（２０４ｂで示す）の一部も受光し、または光は、ＳＢＳ光フィールド２０５と同じスペクトル・コンテンツの再循環光周波数コム２０４ｂを含む。ある実施態様では、光周波数コム２０４はレーザ光源２０３の出力から直接供給され、一方他の実施態様では、光ミキサ２０９は、再循環光周波数コム２０４と、光導波路共振器２０２からのＳＢＳ光フィールド２０５の双方の一部を受光する。ある実施形態では、光周波数コム２０４および／または再循環光周波数コム２０４ｂおよび／またはＳＢＳ光フィールド２０５が光ミキサ２０９まで辿る光路は、剛体導波路２０７によって設けられる。例えば、剛体導波路２０７は、光導波路共振器２０２と同じ剛体基板２０１上に形成された、リソグラフ製作型導波路であってもよい。
【００２６】
[0030]  光ミキサ２０９は、少なくとも１つの光の周波数を含むＳＢＳ光フィールド２０５、および光周波数コム２０４または再循環光周波数コム２０４ｂからの多重周波数光フィールドを混合して、少なくとも１つのうなり周波数信号２１０を形成する。うなり周波数信号２１０は、光周波数コム２０４または再循環光周波数コム２０４ｂの光周波数成分と、ＳＢＳ光フィールド２０５との間の差の関数である周波数を有する信号成分を含む。次いで、光ミキサ２０９は、うなり周波数信号２１０を速度出力２０８に供給する。速度出力２０８は、うなり周波数２１０に基づいて、ジャイロスコープ２００の回転速度を判定する。
【００２７】
[0031]  図３Ｂは、レーザ光源（１０３、２０３）によって生成された再循環光周波数コム（１０４ｂ、２０４ｂ）を構成する多数の光周波数成分３０５、および光導波路共振器（１０２、２０２）によって生成された逆伝搬ＳＢＳ光フィールド（１０５、２０５）を構成するＳＢＳ光周波数成分３０７を図示する他の例を示す。この特定的な例では、レーザ光源（１０３、２０３）は光周波数コム（１０４、２０４）を生成し、一方光周波数コム（１０４、２０４）は、異なる周波数において複数の光周波数成分３０５を有する再循環光周波数コム（１０４ｂ、２０４ｂ）（この図では、３０４ｂで示す）を生成する。図３Ａにおける例と同様、図３Ｂにおいて、再循環光周波数コム３０４ｂの周波数成分３０５間の周波数差は、自由スペクトル領域の倍数または約数に等しい。
【００２８】
[0032]  ここで、レーザ光源（１０３、２０３）は、共振器２０２において誘導ブリュアン散乱（ＳＢＳ）を生成するのに十分大きな強度（即ち、振幅またはパワー）を有する再循環光周波数コム（３０３で示す）において１つの成分のみを有する多重周波数光フィールドを生成する。図３Ｂは、例えば、再循環光周波数コム３０４ｂのスペクトル内の中心周波数に成分３０３が位置付けられた例を示す。再循環光周波数コム３０４ｂの他の周波数成分３０５は、誘導ブリュアン散乱を生成するには不十分な強度を有する。再循環光周波数コム３０４ｂが光導波路共振器の周囲を伝搬するに連れて、光周波数成分３０３は、光導波路共振器（１０２、２０２）内に誘導ブリュアン散乱を生成する。ブリュアン散乱は、光導波路共振器の材料に関連するブリュアン・シフト（例えば、約１１ＧＨｚ）だけシフトされた中心光フィールド周波数成分３０３の周波数に等しい周波数において、ＳＢＳ光フィールド３０２ｂを形成する(create)。
【００２９】
[0033]  ある種の実施形態では、再循環光周波数コム３０４ｂで構成された多重周波数光フィールドの成分３０５が、ＳＢＳ光フィールド３０２ｂ内に含まれる周波数スペクトルと重複することもある。重複する周波数は、ジャイロスコープにロックインを生じさせ(exhibit)、ジャイロスコープの性能を低下させ、また、ＣＷ波コム周波数を光導波路共振器の周波数に所望通りに正確に調節する能力を低下させる可能性がある。重複する周波数の問題を回避するために、再循環光周波数コム３０４を構成する光フィールドの周波数成分は、周波数がブリュアン光フィールド３０２ｂの周波数よりも高くなるように構成されればよい。
【００３０】
[0034]  図３Ｃは、レーザ光源（１０３、２０３）によって生成された光周波数コム（１０４、２０４）によって生成された再循環光周波数コム（１０４ｂ、２０４ｂ）を構成する多数の光周波数成分３０５、および光導波路共振器（１０２、２０２）によって生成された逆伝搬ＳＢＳ光フィールド（１０５、２０５）を構成するＳＢＳ光周波数成分３０７を図示する他の例を示す。ある種の実施形態では、再循環光周波数コム３０４ｃを生成する光周波数コム（１０４、２０４）を生成するレーザ光源は、誘導ブリュアン散乱（ＳＢＳ）を生成するのに十分に大きな強度（即ち、振幅またはパワー）を有する光フィールド周波数成分３０３（例えば、再循環光周波数コム３０４ｃのスペクトル内における中心周波数に位置付けられる）を有する多重周波数光フィールドを生成し、一方再循環光周波数コム３０４ｂの他の周波数成分は、ブリュアン散乱を誘導するには不十分な強度を有する。図３Ａおよび図３Ｂにおける例と同様、図３Ｃにおいて、再循環光周波数コム３０４ｃの周波数成分間の周波数差は、自由スペクトル領域の倍数または約数に等しい。再循環光周波数コム３０４ｃを構成する多重周波数光フィールドが剛体光導波路共振器の周囲を伝搬するに連れて、中心周波数を有する中心光フィールド周波数成分３０３はＳＢＳを生成する。ブリュアン散乱は、光導波路共振器の材料に関連するブリュアン・シフト（例えば、約１１ＧＨｚ）だけシフトされた周波数において、ＳＢＳ光フィールド３０２ｃを形成する(create)。
【００３１】
[0035]  ある種の実施形態では、再循環光周波数コム３０４ｃを構成する多重周波数光フィールドの周波数が、ＳＢＳ光フィールド３０２ｃの周波数と重複することがある。重複する周波数は、光後方散乱が存在する場合、ジャイロスコープにロックインを生じさせ(exhibit)、周波数コム３０４ｃの周波数と共振器の共振周波数との間におけるロックの精度を低下させる可能性があり、ジャイロスコープの性能を低下させる。重複する周波数を回避するために、レーザによって放出される光周波数コムを構成する多重周波数光フィールドを通過帯域３０６（例えば、図２において光フィルタ２２０によって適用される場合を参照のこと）によって濾波して、剛体光導波路共振器２０２内を伝搬する再循環光周波数コム３０４ｃを形成することができる。光フィルタ２２０の通過帯域３０６は、レーザによって放出される光周波数コムの内、ＳＢＳ光フィールド３０２ｃのスペクトル内にある周波数と重複する周波数成分を排除する。
【００３２】
[0036]  図４は、光周波数コム誘導ブリュアン散乱（ＳＢＳ）ジャイロスコープにおいて回転情報を取り込む方法４００の流れ図である。代替実施態様では、以上で説明した共振型光ジャイロスコープ・システム１００または２００を使用して方法４００を実行することもできる。したがって、図１および図２に関して論じたエレメントについての説明およびオプションは、図４において論じられる、同様の名称のエレメントにも該当し、その逆も成り立つことが可能である。この方法は、４０２において開始し、剛体光導波路共振器を通って第１方向に再循環光周波数コムを伝搬させる。再循環光周波数コムは、少なくとも１つの周波数成分を含むＳＢＳ光フィールドを、第１方向とは反対である第２方向に誘導する。剛体光導波路共振器は、剛体基板上に製作され、一実施態様では、リソグラフ製作型導波路である。剛体基板は、ＳｉＯ２、シリコン、または同様の光学等級の結晶基板を含むことができる。先に論じたように、再循環光周波数コムという用語は、本明細書において使用する場合、多重周波数光フィールドを指す。光周波数コムの周波数成分は、剛体導波路共振器の共振ピークにロックされ、これは先に１０６または２０６に示したような、サーボ電子回路によって達成することができる。例えば、一実施態様では、１つの光源が、光周波数コムを構成する多重周波数光フィールドを生成する。この光周波数コムは共振器に結合され、再循環光周波数コムを形成する。この再循環光周波数コムは、光導波路共振器を時計回り方向に伝搬する。再循環光周波数コムを構成する光周波数成分の１つ以上は、少なくとも１つの周波数成分を有するＳＢＳ光フィールドを生成する。ＳＢＳ光フィールドは、光導波路共振器を通って、再循環光周波数コムとは反対の方向に伝搬する。更に、ＳＢＳ光フィールドの周波数成分（１つまたは複数）は、コム内における対応する周波数成分に関して、光導波路共振器を製作するために使用された材料に関連するブリュアン・シフトだけシフトされる。
【００３３】
[0037]  方法４００は、４０４に進み、剛体光導波路共振器から第１方向に出射した再循環光周波数コムの一部を、剛体光導波路共振器から第２方向に出射したＳＢＳ光フィールドの一部と混合して、少なくとも１つの信号を生成する。この信号は、再循環光周波数コムとＳＢＳ光フィールドとの間における周波数差の関数となる。一実施形態では、再循環光周波数コムとＳＢＳ光フィールドとの混合は、剛体光導波路共振器と同じ剛体基板上に形成されたミキサによって行われる。即ち、この結果的に得られた信号は、再循環光周波数コムおよびＳＢＳ光から得られたうなり周波数信号を構成し、このうなり周波数信号は、剛体導波路共振器の回転速度の関数となる。したがって、方法４００は４０６に進むことができ、この少なくとも１つの信号に基づいて、回転速度を判定する。例えば、ジャイロスコープ／剛体共振器が回転するに連れて、ＳＢＳ光フィールドと再循環光周波数コムとの間における周波数差は、回転速度に比例して変化する。これらの光信号を混合すると、ＳＢＳ光フィールドと再循環光周波数コムとの間の周波数の差の関数であるうなり周波数を有するうなり信号が生成される。公称ゼロの回転速度におけるビート信号は、既知の値であるので（即ち、サニャック効果がないときの、ＳＢＳ光フィールドと再循環光周波数コムとの間における周波数の差）、この公称ゼロ回転速度のうなり信号と、４０４において光信号を混合することによって生成された出力との間の差を、回転速度を判定するために使用することができる。
実施形態例
[0038]  例１は、システムを含み、このシステムは、多重周波数光フィールドを含む光周波数コムを生成するように構成された光源と、光源に結合された剛体光導波路共振器であって、光周波数コムから生成された再循環光周波数コムが、剛体光導波路共振器の周囲を第１方向に伝搬し、剛体光導波路内に、少なくとも１つのＳＢＳ周波数成分を含む誘導ブリュアン散乱（ＳＢＳ）光フィールドを生成し、再循環光周波数コムの１つ以上の光周波数成分が、剛体光導波路共振器の共振ピーク上にロックされる、剛体光導波路共振器と、誘導ブリュアン散乱光フィールドと再循環光周波数コムとの間における周波数差の関数として変化する光うなり信号を生成するように構成された光ミキサとを含む。
【００３４】
[0039]  例２は、例１のシステムを含み、剛体光導波路共振器が剛体基板上に製作される。
【００３５】
[0040]  例３は、例２のシステムを含み、剛体光導波路共振器が、剛体基板上に形成された、リソグラフ製作型導波路である。
【００３６】
[0041]  例４は、例２〜３のいずれかのシステムを含み、剛体光導波路共振器が光学等級結晶基板上に形成される。
【００３７】
[0042]  例５は、例２〜４のいずれかのシステムを含み、光源および光ミキサの内１つまたは双方が、剛体基板上に形成され、剛体導波路によって剛体光導波路共振器と相互接続される。
【００３８】
[0043]  例６は、例１〜５のいずれかのシステムを含み、更に、剛体光導波路共振器の第１方向における共振ピークからの複数の成分周波数の偏差についての情報を含む、処理された共振器出力からのフィードバック信号に基づいて、光周波数コムを剛体光導波路共振器の共振ピークにロックさせるように構成されたサーボ電子回路を含む。
【００３９】
[0044]  例７は、例６のシステムを含み、フィードバック信号が、剛体光導波路共振器の第１方向における共振ピークからの再循環光周波数コムの１つ以上の光周波数成分の偏差についての情報を含み、光周波数コムの１つ以上の周波数成分が、剛体光導波路共振器の自由スペクトル領域ドリフトを追跡する周波数分離を有する。
【００４０】
[0045]  例８は、例１〜７のいずれかのシステムを含み、更に、再循環光周波数コムの第１周波数範囲が、誘導ブリュアン散乱光フィールドの第２周波数範囲と重複しないように、多重周波数光フィールドを濾波するように構成された光フィルタを含む。
【００４１】
[0046]  例９は、例８のシステムを含み、多重周波数光フィールドが濾波された後に、剛体光導波路共振器が多重周波数光フィールドを受けるように、剛体光導波路共振器が光フィルタに結合される。
【００４２】
[0047]  例１０は、例８〜９のいずれかのシステムを含み、剛体光導波路共振器が剛体基板上に製作され、光源、光ミキサ、および光フィルタの内少なくとも１つが剛体基板上に形成され、剛体導波路によって、剛体光導波路共振器と相互接続される。
【００４３】
[0048]  例１１は、例１〜１０のいずれかのシステムを含み、光ミキサが、再循環光周波数コムと、剛体光導波路共振器からの誘導ブリュアン散乱光フィールドとの双方を、剛体導波路を介して受光する。
【００４４】
[0049]  例１２は、例１〜１１のいずれかのシステムを含み、光ミキサが、光源からの光周波数コムを第１剛体導波路を介して受光し、剛体光導波路共振器からの誘導ブリュアン散乱光フィールドを第２剛体導波路を介して受光する。
【００４５】
[0050]  例１３は、例１〜１２のいずれかのシステムを含み、更に、光ミキサに結合された少なくとも１つの減衰器を含み、この少なくとも１つの減衰器が、光ミキサの前に、再循環光周波数コムおよび誘導ブリュアン散乱光フィールドの内少なくとも１つを減衰させるように構成される。
【００４６】
[0051]  例１４は、例１〜１３のいずれかのシステムを含み、更に、剛体光導波路共振器と光源との間に結合されたコム間隔制御を含み、このコム間隔制御が、光導波路共振器の自由スペクトル領域を追跡するために、多重周波数光フィールドの周波数分離を調節するように構成される。
【００４７】
[0052]  例１５は、例１〜１４のいずれかのシステムを含み、誘導ブリュアン散乱（ＳＢＳ）光フィールドが、再循環光周波数コムの１つ以上の光周波数成分の全てよりも少ない成分によって生成される。
【００４８】
[0053]  例１６は、回転を測定する方法を含み、この方法は、再循環光周波数コムを剛体光導波路共振器を通じて第１方向に伝搬させるステップであって、再循環光周波数コムが、少なくとも１つの周波数成分を含む誘導ブリュアン散乱（ＳＢＳ）光フィールドを、第１方向とは反対の第２方向に誘導する、ステップと、剛体光導波路共振器から出射する再循環光周波数コムを、剛体光導波路共振器から出射するＳＢＳ光フィールドの一部と混合して、再循環光周波数コムとＳＢＳ光フィールドとの間における周波数差の関数である少なくとも１つの信号を生成するステップと、少なくとも１つの信号に基づいて、回転速度を判定するステップとを含む。
【００４９】
[0054]  例１７は、例１６を含み、更に、再循環光周波数コムの複数の周波数成分が、剛体光導波路共振器の共振ピークにロックされ、剛体光導波路共振器の自由スペクトル領域ドリフトを追跡する周波数分離を有するように、光周波数コムを生成する光源を制御するステップを含む。
【００５０】
[0055]  例１８は、例１６〜１７のいずれかの方法を含み、更に、再循環光周波数コムの第１周波数範囲が、誘導ブリュアン散乱光フィールドの第２周波数範囲と重複しないように、多重周波数光フィールドを濾波するステップを含む。
【００５１】
[0056]  例１９は、例１６〜１８のいずれかの方法を含み、剛体光導波路共振器が、光学等級結晶を含む剛体基板上に製作される。
【００５２】
[0057]  例２０は、例１９の方法を含み、光周波数コムを生成する光源、および剛体光導波路共振器から出射する再循環光周波数コムの一部を剛体光導波路共振器から出射するＳＢＳ光フィールドの一部と混合する光ミキサの内１つまたは双方が、剛体基板上に形成され、剛体導波路によって剛体光導波路共振器と相互接続される。
【００５３】
[0058]  以上、本明細書では具体的な実施形態について例示し説明したが、同じ目的を達成すると考えられる任意の構成を、以上で示した具体的な実施形態と置き換えてもよいことは、当業者には認められよう。したがって、本発明は特許請求の範囲およびその均等物によってのみ限定されることを意図しているのは明らかである。
【図１】
2016136143.tif 000003
【図２】
2016136143.tif 000004
【図３】
2016136143.tif 000005
【図４】
2016136143.tif 000006
【外国語明細書】
2016136143000001.pdf