(57)【要約】      （修正有）【課題】基準リング共振器の動作周波数がジャイロリング共振器の動作周波数に追従する、レーザ共振器光ファイバジャイロスコープ（ＲＦＯＧ）を提供する。【解決手段】共振器光ファイバジャイロスコープは、基準光信号を放出するマスタレーザと、第１光位相ロックループ（ＯＰＬＬ）を通じて基準光信号に応答する第１スレーブレーザと、第２ＯＰＬＬを通じて基準光信号に応答する第２スレーブレーザと、を備える。マスタレーザと光学的に通信可能な基準共振器が、基準光信号を受け取り、第１キャビティ長を有する第１光ファイバコイルを備える。第１及び第２スレーブレーザと光学的に通信可能なジャイロ共振器が、第１及び第２光信号を受け取る。ジャイロ共振器は、第１キャビティ長よりも長い第２キャビティ長を有する第２光ファイバコイルを備える。基準共振器は、ジャイロ共振器の動作周波数に実質的に追従する。【選択図】図１
2017003569.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準光信号を放出するように構成されたマスタレーザと、
第１光信号を放出するように構成された第１スレーブレーザであって、第１光位相ロックループを通じて前記基準光信号に応答する第１スレーブレーザと、
第２光信号を放出するように構成された第２スレーブレーザであって、第２光位相ロックループを通じて前記基準光信号に応答する第２スレーブレーザと、
前記マスタレーザと光学的に通信可能であり前記基準光信号を受け取るように構成された基準共振器であって、第１キャビティ長を有する第１光ファイバコイルを備える基準共振器と、
前記第１スレーブレーザ及び前記第２スレーブレーザと光学的に通信可能であり前記第１及び第２光信号を受け取るように構成されたジャイロ共振器であって、前記第１光ファイバコイルの前記第１キャビティ長よりも長い第２キャビティ長を有する第２光ファイバコイルを備えるジャイロ共振器と、
を備え、前記基準共振器は、前記ジャイロ共振器の動作周波数に実質的に追従する動作周波数を有する、共振器光ファイバジャイロスコープ（ＲＦＯＧ）。
【請求項２】
前記第１スレーブレーザからの前記第１光信号は、前記ジャイロ共振器における時計回り（ＣＷ）光信号であり、前記第２スレーブレーザからの前記第２光信号は、前記ジャイロ共振器における反時計回り（ＣＣＷ）光信号であり、
前記ジャイロ共振器は、ＣＷ共振追従電子回路モジュールとＣＣＷ共振追従電子回路モジュールに動作的に結合され、
前記基準共振器は、前記基準共振器の共振周波数を前記ジャイロ共振器の共振周波数と実質的に対応するように調整するべく前記ＣＷ共振追従電子回路モジュールに動作的に結合される、
請求項１に記載のＲＦＯＧ。
【請求項３】
前記ＲＦＯＧの動作中における温度勾配に関する前記基準共振器の温度調整を提供するように前記第１光ファイバコイルに動作的に結合された１又は複数のヒータと、
前記ＲＦＯＧの動作中における温度勾配に関する前記ジャイロ共振器の温度調整を提供するように前記第２光ファイバコイルに動作的に結合された１又は複数のヒータと、
を更に備える、請求項１に記載のＲＦＯＧ。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
[0001]  共振器光ファイバジャイロスコープ（ＲＦＯＧ）は、多くの航行及び慣性安定化の市場の要求を満たす将来性を示している。先行技術は、マスタレーザを安定化させるための基準共振器としてジャイロ共振器を用いたＲＦＯＧの設計を教示し、マスタレーザの安定性はその後、高速光位相ロックループを用いてスレーブレーザへ伝達される。ジャイロ共振器に関連する低い位相ノイズは、ＲＦＯＧの性能を改善する。このアプローチの欠点は、マスタレーザビームが、回転検知に用いられるスレーブレーザビームの１つと同方向伝搬しなければならないことである。これらの２つのビーム間のビートは、回転検知誤差を生じさせ、及び／又は設計の複雑さを大きく増大させる可能性がある。
【０００２】
[0002]  先行アプローチは、マスタレーザを安定化させるための基準共振器を利用している。この方法は同方向伝搬するビームに関する問題を排除するとしても、基準共振器の動作パラメータが動作温度にわたってジャイロ共振器に追従しない点において欠点を有する。これは、温度制御を用いないジャイロを必要とする応用にとって重大な問題である。
【発明の概要】
【０００３】
[0003]  共振器光ファイバジャイロスコープは、基準光信号を放出するように構成されたマスタレーザと、第１光信号を放出するように構成された第１スレーブレーザであって、第１光位相ロックループを通じて前記基準光信号に応答する第１スレーブレーザと、第２光信号を放出するように構成された第２スレーブレーザであって、第２光位相ロックループを通じて前記基準光信号に応答する第２スレーブレーザと、を備える。基準共振器が、前記マスタレーザと光学的に通信可能であり、前記基準光信号を受け取るように構成される。前記基準共振器は、第１キャビティ長を有する第１光ファイバコイルを備える。ジャイロ共振器が、前記第１スレーブレーザ及び前記第２スレーブレーザと光学的に通信可能であり、前記第１及び第２光信号を受け取るように構成される。前記ジャイロ共振器は、前記第１光ファイバコイルの前記第１キャビティ長よりも長い第２キャビティ長を有する第２光ファイバコイルを備える。前記基準共振器は、前記ジャイロ共振器の動作周波数に実質的に追従する動作周波数を有する。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
[0004]  本発明の特徴は、図面を参照して以下の説明から当業者に明らかとなるだろう。図面は典型的な実施態様のみを表し、したがって適用範囲において限定的であるものと見做されてはならないということを理解して、本発明が、添付図面の使用を通じてより一層の具体性と詳細さをもって説明される。
【０００５】
【図１】[0005]  図１は、一実施態様による共振器光ファイバジャイロスコープ（ＲＦＯＧ）の模式的なブロック図である。
【図２】[0006]  図２は、図１のＲＦＯＧの更なる特徴を示す模式的なブロック図である。
【図３】[0007]  図３は、差分温度制御を利用する別の実施態様によるＲＦＯＧのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
[0008]  以下の詳細な説明では、当業者が本発明を実施することを可能にするように十分詳しく実施態様が説明される。本発明の適用範囲から逸脱することなく他の実施態様が利用されてよい、ということが理解されなければならない。したがって、以下の詳細な説明は、限定的な意味に捉えられてはならない。
【０００７】
[0009]  改善された周波数基準キャビティを含む三レーザ共振器光ファイバジャイロスコープ（ＲＦＯＧ）が提供される。ＲＦＯＧは、周波数基準キャビティとして基準リング共振器を採用し、基準リング共振器は、ＲＦＯＧのジャイロリング共振器と類似した構造を有する。これによって、基準リング共振器の動作周波数がジャイロリング共振器の動作周波数に実質的且つ自動的に追従することが確実になる。
【０００８】
[0010]  ＲＦＯＧの基準リング共振器は、第１キャビティ長を有する第１光ファイバコイルを含む。ジャイロリング共振器は、基準リング共振器の光ファイバコイルの第１キャビティ長よりもずっと長い第２キャビティ長を有する第２光ファイバコイルを含む。この構成は、所望のレーザ安定化ループ帯域幅を得るのに必要である。このため、そのような構造の基準リング共振器が、本ＲＦＯＧにおけるような動作温度にわたってジャイロリング共振器の動作周波数に自動的に追従する動作周波数を有することが可能であることは明らかでない。基準リング共振器キャビティの光路長の熱膨張係数があるトレランスの範囲でジャイロリング共振器のそれに一致している限りにおいて、基準リング共振器の動作周波数は、たとえ基準リング共振器のキャビティ長がずっと短くても、ジャイロリング共振器のそれに追従するだろう。
【０００９】
[0011]  ＲＦＯＧの動作温度勾配が著しい場合、オプションとして１又は複数の小型ヒータが、温度勾配が許容レベルに管理されるようにするための制御ループと一緒に、ジャイロリング共振器又は基準リング共振器上に実装されることが可能である。そのうえ更に、当該１又は複数の小型ヒータは、光路長の熱膨張係数に対する必要なトレランスの緩和を提供するのに役立つことが可能である。
【００１０】
[0012]  本ＲＦＯＧの更なる詳細は、図面を参照しながら以下に説明される。
【００１１】
[0013]  図１は、一実施態様によるＲＦＯＧ１００を示す。ＲＦＯＧ１００は、概して、マスタレーザ１０２、第１スレーブレーザ１０４、及び第２スレーブレーザ１０６を含む。マスタレーザ１０２はリング基準共振器１１０と光学的に通信可能であり、スレーブレーザ１０４、１０６はリングジャイロ共振器１２０と光学的に通信可能である。ジャイロ電子回路ユニット１３０は、ＲＦＯＧ１００の上記コンポーネントの全てと動作的に通信可能である。
【００１２】
[0014]  ジャイロ共振器１２０は、ジャイロ電子回路ユニット１３０内の共振追従電子回路に動作的に結合される。基準共振器１１０は、基準共振器１１０の共振周波数をジャイロ共振器１２０の共振周波数と実質的に一致するように調整するために、共振追従電子回路に動作的に結合される。
【００１３】
[0015]  一実施態様では、マスタレーザ１０２及びスレーブレーザ１０４、１０６は、シリコンフォトニクス（ＳｉＰ）チップなどの集積フォトニクスチップ１０８の一部分である分布帰還型レーザ（ＤＦＢ）などの多周波数レーザ源（ＭＦＬＳ）として実現されることが可能である。ＤＦＢレーザは熱電冷却器なしで動作することが可能であり、また光増幅器を用いることなしに十分な光パワーを提供することが可能である。
【００１４】
[0016]  一実施態様では、基準共振器１１０は、アルミニウムコアなどのコアの周りに部分的に巻回された第１光ファイバコイル１１２を含む。第１位相変調器１１４が、基準共振器１１０に光学的に結合されると共に、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）などの第１圧電コアを備え、光ファイバコイル１１２の一部分と一緒に巻回されて第１圧電トランスデューサを形作る。基準共振器１１０の共振周波数をジャイロ共振器１２０の共振周波数と実質的に一致するように自動的に調整するための周波数コマンド信号１１５が、ジャイロ電子回路ユニット１３０から位相変調器１１４へ出力される。
【００１５】
[0017]  一実施態様では、ジャイロ共振器１２０は、アルミニウムコアなどのコアの周りに部分的に巻回された光ファイバコイル１２２を含む。第２位相変調器１２４が、ジャイロ共振器１２０に光学的に結合されると共に、ＰＺＴなどの第２圧電コアを備え、光ファイバコイル１２２の一部分と一緒に巻回されて第２圧電トランスデューサを形作る。共通のキャビティ変調周波数をジャイロ共振器１２０へ供給するための変調信号１２５が、ジャイロ電子回路ユニット１３０から位相変調器１２４へ出力される。共通のキャビティ変調は、ジャイロ共振器１２０の時計回り（ＣＷ）及び反時計回り（ＣＣＷ）共振周波数を検出し追従するために用いられる。
【００１６】
[0018]  基準共振器１１０は、ジャイロ共振器１２０に類似した構造を有する。例えば、光ファイバコイル１１２及び１２２は、実質的に同一の光路長熱膨張係数を有することが可能であり、中空コア又は中実コアファイバのような、同一の構造で同一の光学材料から構成されることが可能である。一実装例では、第１及び第２位相変調器１１４、１２４の圧電コアは、同一の圧電材料から構成される。
【００１７】
[0019]  基準共振器１１０は、ジャイロ共振器１２０の光ファイバコイル（例えばおよそ１０−２００ｍ）よりもずっと短い光ファイバコイル（例えば最大でおよそ１ｍ）を有する。一実施態様では、ジャイロ共振器１２０のキャビティ長は、基準共振器１１０のキャビティ長よりも少なくともおよそ１０乃至１の比だけ長い。別の実施態様では、ジャイロ共振器１２０のキャビティ長は、基準共振器１１０のキャビティ長よりも最大でおよそ２００乃至１の比だけ長い。
【００１８】
[0020]  マスタレーザ１０２は、光導波路１３３を通って光カプラ１３２へ導かれる基準光信号を発生させる。光カプラ１３２は、基準光信号の一部を、光導波路１３５を通って光カプラ１３４へ導く。光カプラ１３４は、基準光信号の一部を、光導波路１３７を通って光カプラ１３６へ導き、基準光信号の一部を、光導波路１３９を通って光カプラ１３８へ導く。
【００１９】
[0021]  第１スレーブレーザ１０４は、光導波路１４３を通って光カプラ１４２へ導かれる第１光信号を発生させる。一実施態様では、スレーブレーザ１０４からの第１光信号は、ジャイロ共振器１２０におけるＣＷ光信号である。光カプラ１４２は、第１光信号の一部を、光導波路１４５を通って光カプラ１３６へ導く。光カプラ１３６は、第１光信号の当該一部を光導波路１３７からの基準光信号の一部と混合する。この混合された光信号は、光導波路１４６を通ってフォトダイオードなどの光検出器（ＰＤ）１４７へ伝送され、光検出器１４７は、当該混合された光信号を電気信号に変換する。この電気信号は、ジャイロ電子回路ユニット１３０の入力へ伝送され、ジャイロ電子回路ユニット１３０は、スレーブレーザ１０４を制御可能な周波数オフセットでマスタレーザ１０２に位相ロックする光位相ロックループ（ＯＰＬＬ）を形成するように、スレーブレーザ１０４へ信号をフィードバックする。
【００２０】
[0022]  第２スレーブレーザ１０６は、光導波路１５３を通って光カプラ１５２へ導かれる第２光信号を発生させる。一実施態様では、スレーブレーザ１０６からの第２光信号は、ジャイロ共振器１２０におけるＣＣＷ光信号である。光カプラ１５２は、第２光信号の一部を、光導波路１５５を通って光カプラ１３８へ導く。光カプラ１３８は、第２光信号の当該一部を光導波路１３９からの基準光信号の一部と混合する。この混合された光信号は、光導波路１５６を通って光検出器１５７へ伝送され、光検出器１５７は、当該混合された光信号を電気信号に変換する。この電気信号は、ジャイロ電子回路ユニット１３０の入力へ伝送され、ジャイロ電子回路ユニット１３０は、スレーブレーザ１０６を制御可能な周波数オフセットでマスタレーザ１０２に位相ロックするＯＰＬＬを形成するように、スレーブレーザ１０６へ信号をフィードバックする。
【００２１】
[0023]  一実施態様では、マスタ及びスレーブレーザに関連する上記の光カプラ、導波路、及び光検出器は、図１に示されるようなＳｉＰチップ１０８上に実装されることが可能である。
【００２２】
[0024]  光カプラ１３２はまた、基準光信号の一部を、光カプラ１３２と基準共振器１１０に関連する光カプラ１７４との間に結合された光導波路１７２を通って基準共振器１１０へ導く。基準共振器１１０内の共振器光信号の一部は、光カプラ１７４により光導波路１７５を通って光検出器１７６へ導かれ、光検出器１７６は、当該共振器光信号を電気信号に変換する。この電気信号は、ジャイロ電子回路ユニット１３０の入力へ送られる。ジャイロ電子回路ユニット１３０からの出力信号は、基準光信号の周波数を変調し調整するためのＰｏｕｎｄ−Ｄｒｅｖｅｒ−Ｈａｌｌ（ＰＤＨ）ループの一部分としてマスタレーザ１０２の入力へ導かれる。
【００２３】
[0025]  一実施態様では、光カプラ１７４、導波路１７２、１７５、及び光検出器１７６は、図１に示されるように、シリコン光学ベンチ（ＳｉＯＢ）などの第１光学ベンチチップ１７８上に実装されることが可能である。
【００２４】
[0026]  光カプラ１４２はまた、第１光信号の一部を、光ファイバなどの光導波路１８２を通ってジャイロ共振器１２０へ導く。一実施態様では、光カプラ１４２とジャイロ共振器１２０の間の光路に沿って第１光サーキュレータ１８３が配置される。光サーキュレータ１８３は、光導波路１８２からの第１光信号の一部を、光導波路１８４を通って光カプラ１８５へ導き、光カプラ１８５は、その第１光信号を時計回り方向においてジャイロ共振器１２０の中へ結合する。
【００２５】
[0027]  光カプラ１５２はまた、第２光信号の一部を、光ファイバなどの光導波路１８９を通ってジャイロ共振器１２０へ導く。一実施態様では、光カプラ１５２とジャイロ共振器１２０の間の光路に沿って第２光サーキュレータ１９０が配置される。光サーキュレータ１９０は、光導波路１８９からの第２光信号の一部を、光導波路１９１を通って光カプラ１９２へ導き、光カプラ１９２は、その第２光信号を反時計回り方向においてジャイロ共振器１２０の中へ結合する。
【００２６】
[0028]  光カプラ１８５はまた、ジャイロ共振器１２０からの第２光信号の一部をサーキュレータ１８３へ導き、サーキュレータ１８３は、その第２光信号を、光導波路１８６を通って光検出器１８７へ導く。光検出器１８７は、当該第２光信号を電気信号に変換し、この電気信号は、第１光信号の周波数を調整するための光位相ロックループのオフセット周波数を制御するために、ジャイロ電子回路ユニット１３０の入力へ送られる。
【００２７】
[0029]  光カプラ１９２はまた、ジャイロ共振器１２０からの第１光信号の一部をサーキュレータ１９３へ導き、サーキュレータ１９３は、その第１光信号を、光導波路１９３を通って光検出器１９４へ導く。光検出器１９４は、当該第１光信号を電気信号に変換し、この電気信号は、第２光信号の周波数を調整するための光位相ロックループのオフセット周波数を制御するために、ジャイロ電子回路ユニット１３０の入力へ送られる。
【００２８】
[0030]  一実施態様では、光サーキュレータ１８３、光カプラ１８５、光導波路１８４、１８６、及び光検出器１８７は、図１に示されるように、シリコン光学ベンチ（ＳｉＯＢ）などの第２光学ベンチチップ１８８上に実装されることが可能である。加えて、光サーキュレータ１９０、光カプラ１９２、光導波路１９１、１９３、及び光検出器１９４もまた、光学ベンチチップ１８８上に実装されることが可能である。
【００２９】
[0031]  図２は、ＲＦＯＧ１００に関連する、ジャイロ電子回路ユニット１３０の一部分である電子コンポーネントの更なる詳細を示す。マスタレーザ１０２のＰＤＨループ２０２は、ミキサ２０４を備える電子コンポーネントを含み、ミキサ２０４は、光検出器１７６からの電気信号を正弦波発生器２０６によって生成されたＰＤＨ変調周波数（ｆＰＤＨ）と混合する。ミキサ２０４は信号をサーボ２０８へ出力し、サーボ２０８は、マスタレーザ１０２を基準共振器１１０の共振周波数にロックするようにマスタレーザ１０２の周波数を制御する。サーボ２０８は信号を加算器２１０へ出力し、加算器２１０もまた、正弦波発生器２０６からＰＤＨ変調周波数を受け取る。加算器２１０からの出力信号は、マスタレーザ１０２により発生する基準光信号の周波数を変調し調整するために、マスタレーザ１０２の入力へ導かれる。
【００３０】
[0032]  一実施態様では、正弦波発生器２１１は、ジャイロ共振器１２０のＣＷ及びＣＣＷ共振周波数を検出し追従するための共通のキャビティ変調周波数（ｆｃｍ）を、ジャイロ共振器１２０内の位相変調器１２４へ供給する。
【００３１】
[0033]  スレーブレーザ１０４のＯＰＬＬ２１２は、ミキサ２１４を備える電子コンポーネントを含み、ミキサ２１４は、光検出器１４７からの電気信号を、以降において更に論じられる第１のセットの追従電子回路２３０から出力された信号と混合する。サーボ２１６は、ミキサ２１４からの出力信号を受け取る。サーボ２１６からの出力信号は、スレーブレーザ１０４により発生する第１光信号の周波数を調整するために、スレーブレーザ１０４の入力へ導かれる。
【００３２】
[0034]  スレーブレーザ１０６のＯＰＬＬ２２２は、ミキサ２２４を備える電子コンポーネントを含み、ミキサ２２４は、光検出器１５７からの電気信号を、以降において更に論じられる第２のセットの追従電子回路２４０から出力された信号と混合する。サーボ２２６は、ミキサ２２４からの出力信号を受け取る。サーボ２２６からの出力信号は、スレーブレーザ１０６により発生する第２光信号の周波数を調整するために、スレーブレーザ１０６の入力へ導かれる。
【００３３】
[0035]  第１のセットの追従電子回路２３０は第１ミキサ２３２を含み、第１ミキサ２３２は、光検出器１９４からの電気信号を正弦波発生器２３３によって生成された側波帯ヘテロダイン周波数（ｆＳＨＤ＿１）と混合する。第１ミキサ２３２からの出力信号は第２ミキサ２３４へ送られ、第２ミキサ２３４は、正弦波発生器２１１によって生成された共通のキャビティ変調周波数も受け取る。ミキサ２３４は信号を第１サーボ２３５へ出力し、第１サーボ２３５は、周波数コマンド信号を加算器２３６へ出力する。加算器２３６はまた、正弦波発生器２３３によって生成された側波帯ヘテロダイン周波数も受け取る。加算器２３６からの出力信号はダイレクトデジタルシンセサイザ（ＤＤＳ）２３７へ送られ、ＤＤＳ２３７は、サーボ２３５によって出力された周波数コマンド信号に比例する周波数を有したアナログ周波数基準を、スレーブレーザ１０４のオン共振調整（on resonance tuning）を提供するためにミキサ２１４へ出力する。
【００３４】
[0036]  第１サーボ２３５から出力された周波数コマンド信号はまた、タップされて低速サーボなどの第２サーボ２３８へ送られ、第２サーボ２３８は、位相変調器１１４へ電圧信号をフィードバックする。これにより、基準共振器１１０の共振周波数がジャイロ共振器１２０の共振周波数に揃うように調整されて、製造トレランスに加え温度及び振動の影響により生じる２つの共振周波数間の比較的小さなずれが低減する。
【００３５】
[0037]  代替的な実施態様では、第２サーボ２３８はまた、温度制御ループにおいて基準共振器１１０の温度調整を提供するように光ファイバコイル１１２に接して配置された少なくとも１つのオプションのヒータに結合されることが可能である。当該ヒータは、２つの共振器の光学的な熱膨張係数の差を克服することに加えて、動作中の温度勾配を埋め合わせるための付加的な調整範囲を基準共振器１１０に提供する。この温度制御ループは、位相変調器１１４に関連する制御ループよりも大きな範囲を有する。しかしながら、位相変調器１１４に関連する制御ループは、温度制御ループよりもずっと高速であり得る。この２つのループは、温度制御ループが、大きな且つ低周波数（例えば１Ｈｚより低い）の共振周波数ずれを担当し、制御ループの位相変調器１１４に対するフィードバックが、より小さな、しかし周波数がより高いずれ（例えば１Ｈｚより高く、およそ１−１０ｋＨｚまで）を担当するという方法で融合されることが可能である。差分温度制御を利用するＲＦＯＧの例示的な実施態様が、図３を参照して以下に説明される。
【００３６】
[0038]  図２に示されるように、第２のセットの追従電子回路２４０は第１ミキサ２４２を含み、第１ミキサ２４２は、光検出器１８７からの電気信号を正弦波発生器２４３によって生成された側波帯ヘテロダイン周波数（ｆＳＨＤ＿２）と混合する。第１ミキサ２４２からの出力信号は第２ミキサ２４４へ送られ、第２ミキサ２４４は、正弦波発生器２１１によって生成された共通のキャビティ変調周波数も受け取る。ミキサ２４４は信号をサーボ２４５へ出力し、サーボ２４５は、周波数コマンド信号を加算器２４６へ出力する。加算器２４６はまた、正弦波発生器２４３によって生成された側波帯ヘテロダイン周波数も受け取る。加算器２４６からの出力信号はＤＤＳ２４７へ送られ、ＤＤＳ２４７は、サーボ２４５によって出力された周波数コマンド信号に比例する周波数を有したアナログ周波数基準を、スレーブレーザ１０６のオン共振調整（on resonance tuning）を提供するためにミキサ２２４へ出力する。
【００３７】
[0039]  図３は、共振器の熱膨張係数（ＴＣＥ）の不一致を補償するための差分温度制御を利用する、別の実施態様によるＲＦＯＧ３００を示す。ＲＦＯＧ３００は、概して基準共振器３１０とジャイロ共振器３２０を含み、これらはジャイロケース３３０内に実装され、ジャイロカバー３３２によって包み込まれている。基準共振器３１０は、基準共振器ハブ３１４の外面の周りに巻回された光ファイバコイル３１２を含む。ジャイロ共振器３２０は、ジャイロ共振器ハブ３２４の外面の周りに巻回された光ファイバコイル３２２を含む。基準共振器ハブ３１４とジャイロ共振器ハブ３２４は、第１のセットの熱的隔離スペーサ３３４によって互いに分離されている。ジャイロ共振器ハブ３２４は、第２のセットの熱的隔離スペーサ３３６によってジャイロケース３３０から間隔を空けて配置される。基準共振器３１０とジャイロ共振器３２０の間には、熱対流障壁３３８が介挿される。
【００３８】
[0040]  １又は複数のヒータ３４０が、ジャイロ共振器ハブ３２４の内面に取り付けられている。１又は複数のヒータ３４２もまた、基準共振器ハブ３１４の内面に取り付けられている。ヒータ３４０は、ジャイロ共振器３２０に第１温度（Ｔ１）を生じさせるように構成される。ヒータ３４２は、基準共振器３１０に第１温度と異なる第２温度（Ｔ２）を生じさせるように構成される。第１及び第２温度はそれぞれ、ジャイロケース３３０の初期温度（Ｔ０）とは異なる。ヒータ３４０及び３４２により生じる温度は、各共振器のＴＣＥの不一致を補償するべく基準共振器３１０とジャイロ共振器３２０間に差分温度を作り出すように、ジャイロ電子回路によって制御されることが可能である。
【００３９】
[0041]  以下の式は、本ＲＦＯＧのジャイロ共振器と基準共振器の共振周波数がどのようにして温度に対して追従するかを示す。ジャイロ共振器の共振周波数（ｆｍ，１）は、次式によって定義される。
【００４０】
【数１】
2017003569.tif 000003
【００４１】
ここで、ｍ１はジャイロ共振器コイルの共振モード番号であり、ｌ１はジャイロ共振器コイルの光路長であり、ｃは真空中における光の速さである。基準共振器の共振周波数（ｆｍ，２）は、次式によって定義される。
【００４２】
【数２】
2017003569.tif 000004
【００４３】
ここで、ｍ２は基準共振器コイルの共振モード番号であり、ｌ２は基準共振器コイルの光路長である。ジャイロ共振器コイルに関する光路長の温度依存性は、次式によって定義される。
【００４４】
【数３】
2017003569.tif 000005
【００４５】
ここで、ｌ０，１はＴ＝０℃における光路長であり、αｌ，１はジャイロ共振器コイルの光学的な熱膨張係数であり、Ｔはコイルの温度である。基準共振器コイルに関する光路長の温度依存性は、次式によって定義される。
【００４６】
【数４】
2017003569.tif 000006
【００４７】
ここで、ｌ０，２はＴ＝０℃における光路長であり、αｌ，２は基準共振器コイルの光学的な熱膨張係数である。上記の式中の項の代入は以下を与える。
【００４８】
【数５】
2017003569.tif 000007
【００４９】
ジャイロ共振器（Ｔ＝０の場合）に対する基本共振周波数（ｆ０，１）は、次式によって定義される。
【００５０】
【数６】
2017003569.tif 000008
【００５１】
基準共振器に対する基本共振周波数（ｆ０，２）は、次式によって定義される。
【００５２】
【数７】
2017003569.tif 000009
【００５３】
光学的な熱膨張係数は、次式を用いて等しくされる。
【００５４】
【数８】
2017003569.tif 000010
【００５５】
上記の式中の項の代入は以下を与える。
【００５６】
【数９】
2017003569.tif 000011
【００５７】
スレーブレーザの周波数はマスタレーザによって決定され、マスタレーザに非常に近いので、スレーブレーザは、次式に示されるように、マスタレーザと同じ共振周波数にロックされることが可能である。
【００５８】
【数１０】
2017003569.tif 000012
【００５９】
項の代入は以下を与える。
【００６０】
【数１１】
2017003569.tif 000013
【００６１】
ここで、ｆｍ，１＝ｆｍ，２である。これは温度に追従する共振周波数を定義する。
【００６２】
[0042]  基準共振器コイル長をジャイロ共振器コイル長よりも短くすることが何故望ましいのかの多くの理由がある。１つの理由は、より短いコイル長を持つ基準共振器はより高い周波数においてより優れたレーザ安定性を提供することができるということである。別の利点は、より短い基準共振器コイルはＲＦＯＧのコストを低くすることができるということである。２つの共振器の共振周波数が温度とともに互いを追従するようにさせることができることを示すために、基準共振器の長さがジャイロ共振器の長さの１／５である、即ち
【００６３】
【数１２】
2017003569.tif 000014
【００６４】
である例が示される。
【００６５】
[0043]  上記の式７及び８は、基本共振周波数とモード番号との関係を示す。式７、８、及び１５を式１２に代入することで以下を得る。
【００６６】
【数１３】
2017003569.tif 000015
【００６７】
式１６は簡単にされて以下を与えることができる。
【００６８】
【数１４】
2017003569.tif 000016
【００６９】
式１７は、レーザを同一の共振周波数にロックすることによって、それらは２つの共振器が異なる長さを有する場合には異なるモード番号にもロックされる、ということを示す。スレーブレーザをマスタレーザと同じ共振周波数にロックすることによって、正しいモード番号が自動的に生じる。マスタレーザは基準共振器にロックされ、スレーブレーザはジャイロ共振器にロックされる。これは、スレーブレーザが周波数のオフセットなしにマスタレーザにロックされることを想定する。原理的にはこれがなされることは可能であるが、実際に達成するのは困難である。したがって、スレーブレーザは、例えばおよそ１００ＭＨｚの周波数オフセットをもって、マスタレーザにロックされることが可能である。
【００７０】
[0044]  いくつかの実施態様では、スレーブレーザは隣接した共振にロックされ、これはジャイロ共振器の共振が基準共振器の共振に追従する仕方に微小な誤差を招来する。このことは、異なる共振モードを選択することに起因する、温度に対するジャイロ／基準共振器の共振追従誤差の大きさを見積もることを必要とする。上記の式１０及び１１から開始して、スレーブレーザとマスタレーザを動作させる共振周波数を選択する前に、スレーブレーザは、基準共振器の共振周波数と一致するジャイロ共振周波数からＮＦＳＲ離れてロックされる。ここでＦＳＲは自由スペクトル領域である。次式が定義される。
【００７１】
【数１５】
2017003569.tif 000017
【００７２】
ここで、ｆＦＳＲ，１はジャイロ共振器の自由スペクトル領域である。項の代入は以下を与える。
【００７３】
【数１６】
2017003569.tif 000018
【００７４】
共振周波数の差は、それらが温度とともにどれくらい分離するかを与える。
【００７５】
【数１７】
2017003569.tif 000019
【００７６】
ＦＳＲも温度とともに変化するが、周波数追従誤差の大きさを広い温度範囲、例えば大まかには商用航空の温度範囲であるおよそ−４０℃乃至およそ８０℃にわたって決定するために、１次のオーダーまではそれを一定とみなそう。圧電トランスデューサの材料であるジルコン酸チタン酸鉛（およそ３ｐｐｍ／℃のＴＣＥ）などの低膨張係数材料に中空コアファイバが巻回されていると想定されたい。また、スレーブレーザは１ＦＳＲだけ離れてロックされている、即ちＮＦＳＲ＝１であること、及びＦＳＲ＝１０ＭＨｚであり、これは３０メートルの中空コアファイバを備えた共振器であることを想定されたい。共振追従誤差は次のように見積もられることが可能である。
【００７７】
【数１８】
2017003569.tif 000020
【００７８】
ここで、Δｆｅｒｒｏｒ〜３．６ｋＨｚである。このようにして、−４０℃乃至８０℃の動作温度範囲にわたり、２つの共振器の共振周波数は、スレーブレーザがマスタレーザから１０ＭＨｚの周波数オフセットを有している場合、およそ３．６ｋＨｚだけ分離するだろう。これは、基準共振器コイルが巻回されているＰＺＴによって提供される周波数調整範囲（＞１０ＭＨｚ）に比較して非常に小さい。基準共振器のＰＺＴは、この誤差を容易に埋め合わせることができ、基準及びジャイロ共振器の共振周波数を温度にわたって良好に一致させ続けることができる。１００ＭＨｚの周波数オフセットの場合、分離はおよそ３６ｋＨｚになる。基準共振器のＰＺＴは基準共振器の共振周波数を１０ＭＨｚよりも大きく調整することが可能であるので、容易に３６ｋＨｚの分離を補償し、２つの共振周波数を同一に保つことができる。基準共振器又はジャイロ共振器のいずれかにある小型のヒータもまた、共振周波数を同一に保つことができる。
【００７９】
[0045]  ファイバの熱膨張係数（ＴＣＥ）があるトレランスの範囲で一致していない場合、共振追従誤差は増大し得る。光学的な熱膨張係数は、次のように定義されることが可能である。
【００８０】
【数１９】
2017003569.tif 000021
【００８１】
スレーブレーザが基準共振器の共振周波数と一致するジャイロ共振周波数からＮＦＳＲ離れてロックされるとすれば、次のパラメータが定義される。
【００８２】
【数２０】
2017003569.tif 000022
【００８３】
ここで、ｆＦＳＲ，１はジャイロ共振器の自由スペクトル領域である。項の代入は以下を与える。
【００８４】
【数２１】
2017003569.tif 000023
【００８５】
式３０及び３１はテイラー級数に展開されることができ、αλＴ＜＜１であるので、線形項だけが良好な近似に必要である。
【００８６】
【数２２】
2017003569.tif 000024
【００８７】
ＮＦＳＲ・ｆＦＳＲ＜＜ｆ０であるので、したがって
【００８８】
【数２３】
2017003569.tif 000025
【００８９】
ここで、ｆ０〜１．９４ＴＨｚである。１．５５μｍの波長を用いるＲＦＯＧに対して、
【００９０】
【数２４】
2017003569.tif 000026
【００９１】
αΔ＝０．１・αλの場合、Δｆｅｒｒｏｒ〜７ＧＨｚであり、αΔ＝０．０１・αλの場合、Δｆｅｒｒｏｒ〜７００ＭＨｚであり、αΔ＝０．００１・αλの場合、Δｆｅｒｒｏｒ〜７０ＭＨｚである。７ＧＨｚの誤差と７００ＭＨｚの誤差は、基準共振器のＰＺＴが補償するにはおそらく大きすぎるだろう。基準共振器のＰＺＴはもしかすると７０ＭＨｚの誤差を補償することが可能であるが、ＴＣＥを０．１％以内に一致させることは、製造においてはチャレンジングであり行うのに費用が高くつくかもしれない。
【００９２】
[0046]  いくつかの実施態様では、ＲＦＯＧの動作中に共振周波数を等しく保つために微小温度制御が用いられることが可能である。例えば、１又は複数の小型ヒータが各共振器に結合されて、共振周波数を同一に保持するべく２つの共振器間に微小な温度差を与えることができ、それにより熱膨張係数を一致させることに対する要件を緩和することができる。次の式が定義される。
【００９３】
【数２５】
2017003569.tif 000027
【００９４】
Ｔ１＝Ｔ及びＴ２＝Ｔ＋ΔＴとして、項の代入は以下を与える。
【００９５】
【数２６】
2017003569.tif 000028
【００９６】
２つの共振周波数を同一に保つために、ΔＴは（αΔＴ−αλΔＴ）＝０を維持するように調整される必要がある。即ち、
【００９７】
【数２７】
2017003569.tif 000029
【００９８】
Ｔの全範囲はおよそ１２０℃である。もしＴＣＥがおよそ１０％以内で一致するなら、ΔＴは１２℃であれば十分である。もしヒータが両方の共振器コイルに設置されるのならば、各共振器のΔＴはたった６℃であればよい。ヒータを両方の共振器コイルに設置する利点は、一方のコイルの温度を他方のコイルよりも高く又は低くする冷却が必要とされないことである。冷却は熱電クーラーの使用を必要とするであろうし、熱電クーラーは費用が高くつき、多量の電力を必要とし得る。もしＴＣＥがおよそ１％以内で一致するなら、２つのコイルの温度差は１．２℃まで下がり、これは安価に且つ非常に少ない電力で行われることが可能である。もしコイル間の熱抵抗が低コストの設計において合理的な１０℃／ワットであるなら、１．２℃の差分温度に要求される電力はたった０．１２Ｗである。
【００９９】
＜例示的実施態様＞
[0047]  例１は、基準光信号を放出するように構成されたマスタレーザと、第１光信号を放出するように構成された第１スレーブレーザであって、第１光位相ロックループを通じて前記基準光信号に応答する第１スレーブレーザと、第２光信号を放出するように構成された第２スレーブレーザであって、第２光位相ロックループを通じて前記基準光信号に応答する第２スレーブレーザと、前記マスタレーザと光学的に通信可能であり前記基準光信号を受け取るように構成された基準共振器であって、第１キャビティ長を有する第１光ファイバコイルを備える基準共振器と、前記第１スレーブレーザ及び前記第２スレーブレーザと光学的に通信可能であり前記第１及び第２光信号を受け取るように構成されたジャイロ共振器であって、前記第１光ファイバコイルの前記第１キャビティ長よりも長い第２キャビティ長を有する第２光ファイバコイルを備えるジャイロ共振器と、を備え、前記基準共振器は、前記ジャイロ共振器の動作周波数に実質的に追従する動作周波数を有する、共振器光ファイバジャイロスコープ（ＲＦＯＧ）を含む。
【０１００】
[0048]  例２は、前記第２キャビティ長は、少なくともおよそ１０の比率だけ前記第１キャビティ長よりも長い、例１のＲＦＯＧを含む。
【０１０１】
[0049]  例３は、前記第２キャビティ長は、最大およそ２００の比率だけ前記第１キャビティ長よりも長い、例１のＲＦＯＧを含む。
【０１０２】
[0050]  例４は、前記第１及び第２光ファイバコイルは、実質的に同一の熱膨張係数を有する、例１−３のいずれかのＲＦＯＧを含む。
【０１０３】
[0051]  例５は、前記第１及び第２光ファイバコイルは、同一の光学材料から構成され同一の構造を有する、例４のＲＦＯＧを含む。
【０１０４】
[0052]  例６は、前記基準共振器の前記第１光ファイバコイルの一部分によって巻回された第１圧電コアを備える第１位相変調器と、前記ジャイロ共振器の前記第２光ファイバコイルの一部分によって巻回された第２圧電コアを備える第２位相変調器と、を更に備え、前記第１及び第２圧電コアは、同一の圧電材料から構成される、例５のＲＦＯＧを含む。
【０１０５】
[0053]  例７は、前記マスタレーザ、前記第１スレーブレーザ、及び前記第２スレーブレーザは、多周波数レーザ源により実現される、例１−６のいずれかのＲＦＯＧを含む。
【０１０６】
[0054]  例８は、前記多周波数レーザ源は、集積フォトニクスチップに組み込まれた一組の分布帰還型レーザを備える、例７のＲＦＯＧを含む。
【０１０７】
[0055]  例９は、前記基準共振器は、第１光学ベンチチップを通じて前記マスタレーザと光学的に通信可能である、例８のＲＦＯＧを含む。
【０１０８】
[0056]  例１０は、前記ジャイロ共振器は、第２光学ベンチチップを通じて前記第１及び第２スレーブレーザと光学的に通信可能である、例９のＲＦＯＧを含む。
【０１０９】
[0057]  例１１は、前記第１スレーブレーザからの前記第１光信号は、前記ジャイロ共振器における時計回り（ＣＷ）光信号であり、前記第２スレーブレーザからの前記第２光信号は、前記ジャイロ共振器における反時計回り（ＣＣＷ）光信号である、例１−１０のいずれかのＲＦＯＧを含む。
【０１１０】
[0058]  例１２は、前記マスタレーザ、前記第１スレーブレーザ、前記第２スレーブレーザ、前記基準共振器、及び前記ジャイロ共振器のそれぞれと動作的に通信可能なジャイロ電子回路ユニットを更に備える、例１１のＲＦＯＧを含む。
【０１１１】
[0059]  例１３は、前記基準共振器からの反射された光信号は、前記ジャイロ電子回路ユニットにＰｏｕｎｄ−Ｄｒｅｖｅｒ−Ｈａｌｌ（ＰＤＨ）サーボ変調周波数スキームを含む前記マスタレーザのフィードバックレーザ安定化ループへ導かれる、例１２のＲＦＯＧを含む。
【０１１２】
[0060]  例１４は、前記ジャイロ共振器は、前記ジャイロ電子回路ユニット内にあるＣＷ共振追従電子回路モジュールとＣＣＷ共振追従電子回路モジュールに動作的に結合される、例１３のＲＦＯＧを含む。
【０１１３】
[0061]  例１５は、前記基準共振器の動作周波数は、前記ジャイロ共振器の動作周波数に自動的に追従する、例１４のＲＦＯＧを含む。
【０１１４】
[0062]  例１６は、前記基準共振器は、前記基準共振器の共振周波数を前記ジャイロ共振器の共振周波数と実質的に対応するように調整するべく前記ＣＷ共振追従電子回路モジュールに動作的に結合される、例１４−１５のいずれかのＲＦＯＧを含む。
【０１１５】
[0063]  例１７は、前記ＣＷ共振追従電子回路モジュールは、第２サーボの入力へ導かれる周波数コマンド信号を出力する第１サーボを含み、前記第２サーボは、前記基準共振器の共振周波数を調整するための電圧信号を前記第１位相変調器へ出力する、例１６のＲＦＯＧを含む。
【０１１６】
[0064]  例１８は、前記ＲＦＯＧの動作中における温度勾配に関する前記基準共振器の温度調整を提供するように前記第１光ファイバコイルに動作的に結合された１又は複数のヒータを更に備える、例１−１７のいずれかのＲＦＯＧを含む。
【０１１７】
[0065]  例１９は、前記ＲＦＯＧの動作中における温度勾配に関する前記ジャイロ共振器の温度調整を提供するように前記第２光ファイバコイルに動作的に結合された１又は複数のヒータを更に備える、例１−１８のいずれかのＲＦＯＧを含む。
【０１１８】
[0066]  例２０は、基準光信号を放出するマスタレーザと、ＣＷ光信号を放出する第１スレーブレーザであって、ＣＷ光位相ロックループを通じて前記基準光信号に応答する第１スレーブレーザと、ＣＣＷ光信号を放出する第２スレーブレーザであって、ＣＣＷ光位相ロックループを通じて前記基準光信号に応答する第２スレーブレーザと、前記マスタレーザと光学的に通信可能であり前記基準光信号を受け取るように構成された基準共振器であって、第１キャビティ長を有する第１光ファイバコイルを備える基準共振器と、前記第１スレーブレーザ及び前記第２スレーブレーザと光学的に通信可能であり前記ＣＷ光信号及び前記ＣＣＷ光信号を受け取るように構成されたジャイロ共振器であって、前記第１光ファイバコイルの前記第１キャビティ長よりも長い第２キャビティ長を有する第２光ファイバコイルを備えるジャイロ共振器と、前記基準共振器の前記第１光ファイバコイルの一部分によって巻回された第１圧電コアを備える第１位相変調器と、前記ジャイロ共振器の前記第２光ファイバコイルの一部分によって巻回された第２圧電コアを備える第２位相変調器と、前記ジャイロ共振器に動作的に結合されたＣＷ共振追従電子回路モジュールと、前記ジャイロ共振器に動作的に結合されたＣＣＷ共振追従電子回路モジュールと、を備え、前記第２キャビティ長は、最大およそ２００乃至１の比率だけ前記第１キャビティ長よりも長く、前記第１及び第２光ファイバコイルは、同一の光学材料から構成され同一の構造を有し、前記第１及び第２圧電コアは、同一の圧電材料から構成され、前記基準共振器は、前記基準共振器の共振周波数を前記ジャイロ共振器の共振周波数と実質的に対応するように自動的に調整するべく前記ＣＷ共振追従電子回路モジュールに動作的に結合される、ＲＦＯＧを含む。
【０１１９】
[0067]  本発明は、その本質的な特徴から逸脱することなく他の特定の形で具現化されることができる。説明された実施態様は、あらゆる面において、例示的であるにすぎず限定的ではないと見做されなければならない。したがって、本発明の範囲は、前述の説明によってではなく添付されたクレームによって表される。クレームの均等の意味及び範囲に入るあらゆる変更は、その適用範囲の中に包含されなければならない。
【図１】
2017003569.tif 000030
【図２】
2017003569.tif 000031
【図３】
2017003569.tif 000032
【外国語明細書】
2017003569000001.pdf