背景技術(shù)：

對于導(dǎo)航系統(tǒng)、精密定點(diǎn)系統(tǒng)和制導(dǎo)系統(tǒng)存在對低成本、高性能的陀螺儀的需要。從歷史上看，導(dǎo)航級陀螺儀市場已經(jīng)偏愛諸如GG1320之類的HeNe環(huán)形激光陀螺儀(RLG)，但是在不給與GPS的任務(wù)中，熱極端、高沖擊和高振動的應(yīng)用要求市場上出現(xiàn)新產(chǎn)品。在常規(guī)RLG中，要求“高頻振動馬達(dá)(dither motor)”以防止諧振頻率以小速率發(fā)生退化；且高頻振動馬達(dá)要求易碎的移動部件，其不適于高沖擊和振動應(yīng)用。在沒有移動部件的情況下光波導(dǎo)在單一硅基底上的單片集成，這在嚴(yán)苛的環(huán)境中提供了優(yōu)勢。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本申請涉及環(huán)形激光陀螺儀。該環(huán)形激光陀螺儀包括配置為在第一方向和第二方向上傳播光束的光學(xué)環(huán)形諧振器。第二方向與第一方向相反。該光學(xué)環(huán)形諧振器包括將光束耦合進(jìn)和耦合出光學(xué)環(huán)形諧振器的至少一個光學(xué)耦合區(qū)。該環(huán)形激光陀螺儀還包括在泵浦頻率上提供泵浦射束的光源。該泵浦射束在第一方向上被光學(xué)地耦合至光學(xué)環(huán)形諧振器。該泵浦射束在從泵浦頻率下移布里淵斯托克斯頻率的第一斯托克斯波頻率上激勵第一光學(xué)增益曲線。該光學(xué)環(huán)形諧振器具有位于第一光學(xué)增益曲線帶寬中的諧振模式且諧振器往返損耗小于第一光學(xué)增益，使得一階受激布里淵散射(SBS)射束在第二方向上傳播。一階SBS射束在從泵浦頻率下移兩倍布里淵斯托克斯頻率的第二斯托克斯波頻率上激勵第二光學(xué)增益曲線。該光學(xué)環(huán)形諧振器具有位于第二光學(xué)增益曲線帶寬中的諧振模式。諧振器往返損耗小于第二光學(xué)增益，使得二階SBS射束在第一方向上傳播。該環(huán)形激光陀螺儀還包括拍(beat)探測器和基于兩個共同傳播的射束而生成參考頻率信號的光學(xué)時鐘探測器，該拍探測器被配置為產(chǎn)生光學(xué)拍信號，該光學(xué)拍信號根據(jù)一階SBS射束和二階SBS射束間的頻率差而變化。

附圖說明

基于對附圖僅描繪示例性實(shí)施例以及不被認(rèn)為是在范圍方面的限制的理解，通過附圖的使用將以附加的特征和細(xì)節(jié)描述示例性實(shí)施例，在附圖中：

圖1示出了根據(jù)本申請的光學(xué)泵浦射束、一階受激布里淵散射(SBS)射束和二階SBS射束的頻率分布；

圖2示出了根據(jù)本申請的環(huán)形激光陀螺儀一實(shí)施例的一部分，其中光學(xué)泵浦射束、一階SBS射束和二階SBS射束在光學(xué)環(huán)形諧振器中傳播；

圖3示出了根據(jù)本申請的環(huán)形激光陀螺儀的一個實(shí)施例；

圖4示出了根據(jù)本申請的位于芯片上的環(huán)形激光陀螺儀的一個實(shí)施例；

圖5A示出了根據(jù)本申請的環(huán)形激光陀螺儀的一個實(shí)施例；

圖5B示出了根據(jù)本申請的環(huán)形激光陀螺儀的一個實(shí)施例；

圖6示出了根據(jù)本申請的配置為N-圈(N-turn)波導(dǎo)回路的光學(xué)環(huán)形諧振器的一個實(shí)施例；以及

圖7示出了根據(jù)本申請的測量旋轉(zhuǎn)的方法。

根據(jù)通常實(shí)踐，各種所描述的特征并未按比例繪制，但這些特征被繪制成強(qiáng)調(diào)與示例性實(shí)施例相關(guān)的具體特征。

具體實(shí)施方式

在下文的詳細(xì)說明中，參考形成本文一部分的附圖，以及其中以舉例說明的方式示出了具體說明性實(shí)施例。然而，可以理解，可利用其他實(shí)施例，并且可進(jìn)行邏輯、機(jī)械和電的改變。此外，附圖和說明書中呈現(xiàn)的方法并不被解釋為限制其中各個步驟被實(shí)施的次序。因此，下文的詳細(xì)說明不能被理解為具有限制性意義。

本文描述的系統(tǒng)和方法利用了受激布里淵散射(SBS)的性質(zhì)，通過從一階受激布里淵散射光生成二階受激布里淵散射光，以從單個泵浦激光創(chuàng)建在相反方向上以不同的已知頻率傳播的兩個光束。

圖1示出了根據(jù)本申請的光學(xué)泵浦射束、一階受激布里淵散射(SBS)射束和二階SBS射束的頻率分布。圖2示出了根據(jù)本申請的SBS環(huán)形激光陀螺儀(RLG)一實(shí)施例的環(huán)形激光陀螺儀部分15，其中光學(xué)泵浦射束200、一階SBS射束210和二階SBS射束220在光學(xué)環(huán)形諧振器50中傳播。本文中光學(xué)環(huán)形諧振器50也被稱為光學(xué)諧振器50。

光學(xué)泵浦射束200處于泵浦頻率v_P(圖1)處并且在第一方向上傳播。一階SBS射束處于第一斯托克斯波頻率v_SBS1(圖1)處并且在與光學(xué)泵浦射束200傳播的第一方向相反的第二方向上傳播。二階SBS射束處于第二斯托克斯波頻率v_SBS2(圖1)處并且與光學(xué)泵浦射束200一起在第一方向上共同傳播。在該示例性實(shí)例中，第一方向?yàn)轫槙r針(CW)方向，以及第二方向?yàn)槟鏁r針(CCW)方向。本文描述的環(huán)形激光陀螺儀實(shí)施例中的光學(xué)環(huán)形諧振器在泵浦頻率v_P、第一斯托克斯波頻率v_SBS1和第二斯托克斯波頻率v_SBS2上諧振。

如圖2所示，環(huán)形激光陀螺儀部分15的光學(xué)泵浦射束200從光源100(泵浦激光器100)發(fā)射。在環(huán)形激光陀螺儀部分15的該實(shí)施例中，光學(xué)環(huán)形諧振器50具有第一光學(xué)耦合區(qū)320和第二光學(xué)耦合區(qū)321。在下文參考附圖5A、5B和6描述的其他實(shí)施例中，光學(xué)環(huán)形諧振器具有單一的光學(xué)耦合區(qū)。光學(xué)耦合區(qū)為定向耦合器。本領(lǐng)域技術(shù)人員理解如何設(shè)計和制造這些類型的光學(xué)耦合區(qū)。光學(xué)環(huán)形諧振器中的其他類型的光學(xué)耦合區(qū)，包括未來發(fā)展的光學(xué)耦合器，是可能的。

在該實(shí)施例的一個實(shí)施方式中，該光學(xué)環(huán)形諧振器50為剛性光學(xué)波導(dǎo)諧振器50。剛性光學(xué)波導(dǎo)諧振器50可由半導(dǎo)體材料、玻璃或塑料形成?？赏ㄟ^將波導(dǎo)蝕刻在基底中、將波導(dǎo)蝕刻在沉積在基底上的一個或多個層中、或?qū)⒉▽?dǎo)蝕刻在基底的一部分(即芯片)中來形成剛性光學(xué)波導(dǎo)諧振器50。如本領(lǐng)域技術(shù)人員已知，蝕刻芯片之后可進(jìn)行一個或多個材料層的沉積，以及一個或多個附加蝕刻過程，以確保波導(dǎo)為低損耗波導(dǎo)。

在該實(shí)施例的另一個實(shí)施方式中，光學(xué)環(huán)形諧振器50為由光纖形成的光纖諧振器50。

隨著光學(xué)泵浦射束200傳播通過光學(xué)環(huán)形諧振器50，在從泵浦頻率v_P下移布里淵斯托克斯頻率v_sbs的第一斯托克斯波頻率v_SBS1處，第一光學(xué)增益曲線311(圖1)被光學(xué)泵浦射束200激勵。如圖1中所示，光學(xué)環(huán)形諧振器50具有位于第一光學(xué)增益曲線311的帶寬315內(nèi)的諧振模式301。在充分低的諧振器損耗的情況下，第一光學(xué)增益曲線311中的光學(xué)增益引起發(fā)射激光的電磁場，其與光學(xué)泵浦射束200反向地傳播。一階受激布里淵散射提供了光學(xué)增益，并放大與光學(xué)泵浦射束200反向地傳播的電磁場。

以此方式，當(dāng)光學(xué)泵浦射束200超過受激布里淵散射閾值時，光學(xué)泵浦射束200具有足夠的光功率以激勵頻率v_SBS1(圖1)處的一階SBS射束210(圖2)，頻率v_SBS1位于從泵浦頻率v_P下移布里淵斯托克斯頻率v_sbs的第一SBS增益帶寬中。泵浦激光和一階SBS(v_P-v_SBS1)之間的頻率被設(shè)計為近似為光學(xué)環(huán)形諧振器的自由光譜范圍(FSR)的整數(shù)倍(N×FSR)。隨著光學(xué)泵浦射束200的強(qiáng)度增大，一階SBS射束210的強(qiáng)度增大。一階SBS射束210在與光學(xué)泵浦射束200傳播的第一方向相反的第二方向上傳播。

交替地，隨著一階SBS射束210在第二方向上傳播通過光學(xué)環(huán)形諧振器50，在從v_SBS1處的第一SBS射束下移布里淵斯托克斯頻率v_sbs的第二斯托克斯波頻率v_SBS2處，第二布里淵散射增益曲線312被一階SBS射束210激勵。如圖1所示，光學(xué)環(huán)形諧振器50具有位于第二光學(xué)增益曲線312的帶寬316內(nèi)的諧振模式302。由于充分低的諧振器損耗，第一光學(xué)增益曲線311中的光學(xué)增益引起發(fā)射激光的電磁場，其與一階SBS射束210反向地傳播。二階受激布里淵散射提供了光學(xué)增益，并放大了與一階SBS射束210反向地傳播的電磁場。

以此方式，當(dāng)一階SBS射束210的強(qiáng)度超過受激布里淵閾值時，一階SBS射束210具有足夠的光功率以激勵頻率v_SBS2處的二階SBS射束220，頻率v_SBS2大致位于二階SBS增益帶寬中的諧振器諧振頻率中的一個處。二階SBS射束220的頻率v_SBS2距離第一SBS射束的頻率v_SBS1大約N×FSR，以及距離泵浦射束200的泵浦頻率v_P大約2N×FSR。隨著一階SBS射束210的強(qiáng)度增大，二階SBS射束220的強(qiáng)度也增大。如圖1所示，二階SBS射束220在與一階SBS射束210傳播的第二方向相反的第一方向上傳播。因而，二階SBS射束220與光學(xué)泵浦射束200共同傳播。

一階SBS射束210和二階SBS射束220之間的頻率差是一個頻移，該頻移是光學(xué)環(huán)形諧振器50的性質(zhì)(即，折射率、芯尺寸和數(shù)值孔徑等)和由旋轉(zhuǎn)速率(f_Ω)引起的頻移的函數(shù)。該頻率差等于N×FSR加上與增益曲線中心不匹配的諧振頻率的小的取決于折射率的偏移，加上旋轉(zhuǎn)頻移。根據(jù)用來確定光學(xué)環(huán)形諧振器50的旋轉(zhuǎn)速率的拍頻來測量此頻率差。在該實(shí)施例的一個實(shí)施方式中，v_SBS1從泵浦頻率v_P下移約11GHz。這種情況下，一階SBS射束210從泵浦頻率v_P下移～11GHz且與光學(xué)泵浦射束200反向傳播，以及二階SBS射束220從泵浦頻率v_P下移～22GHz且與光學(xué)泵浦射束200共同傳播。

如圖2所示，光學(xué)泵浦射束200通過光學(xué)耦合區(qū)320耦合到光學(xué)環(huán)形諧振器50中。光學(xué)泵浦射束200的一部分在第一方向上傳播通過光學(xué)環(huán)形諧振器50。反射端口探測器120光學(xué)地耦合至第一光學(xué)耦合區(qū)320的輸出。

定向耦合器129光學(xué)地耦合至第二光學(xué)耦合區(qū)321。在第一方向上傳播的一部分光(即光學(xué)泵浦射束200和二階SBS射束220)被從第二光學(xué)耦合區(qū)321發(fā)送至定向耦合器129。定向耦合器129分離光學(xué)泵浦射束200和二階SBS射束220。光學(xué)泵浦射束200和二階SBS射束220的一部分被引導(dǎo)至探測器121。因?yàn)樘綔y器121生成參考頻率信號，所以本文中探測器121被稱為光學(xué)時鐘探測器121，參考頻率信號也被稱為時鐘信號。光學(xué)時鐘探測器121基于兩個共同傳播的射束生成參考頻率信號。在圖2、3、4和5A示出的環(huán)形激光陀螺儀的實(shí)施例中，光學(xué)時鐘探測器121基于共同傳播的泵浦射束200和二階SBS射束220生成參考頻率信號。在圖5A中示出的環(huán)形激光陀螺儀的實(shí)施例中，光學(xué)時鐘探測器121基于一階SBS射束210和三階SBS射束230生成參考頻率信號，如下文所述。

光學(xué)泵浦射束200(其在光學(xué)環(huán)形諧振器50中與二階SBS發(fā)射激光的模式(即，二階SBS射束220)共同傳播)與二階SBS發(fā)射激光的模式的頻率差為v_P-v_SBS2(～22GHz)。因?yàn)殡姶艌龉餐瑐鞑?，所以該頻率差并不依賴于旋轉(zhuǎn)速率。二階SBS和泵浦射束之間的頻率差近似為FSR數(shù)的倍數(shù)(2N×FSR)。該拍信號被用作參考信號，其在本文中也被稱為時鐘信號或參考/時鐘信號。光學(xué)時鐘探測器121處時鐘信號的自生成抵銷了由例如溫度變化引起的光學(xué)環(huán)形諧振器50中的自由光譜范圍(FSR)漂移所導(dǎo)致的偏置誤差。不能將FSR漂移與在布里淵斯托克斯頻率v_sbs(例如，～11GHz)拍音(beat note)上的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行區(qū)分，但由于關(guān)于兩倍布里淵斯托克斯頻率2*v_sbs(例如，～22GHz)時鐘信號的相關(guān)效應(yīng)，F(xiàn)SR漂移在陀螺儀輸出上被抵銷了。

光學(xué)泵浦射束200和二階SBS射束220的其他部分被從定向耦合器129光學(xué)地耦合至光學(xué)濾波器130。光學(xué)濾波器130從定向耦合器129耦合光學(xué)泵浦射束200和二階SBS射束220，并濾除光學(xué)泵浦射束200。此處光學(xué)濾波器130也被稱為“泵浦抑制濾波器130”。此處描述的光學(xué)濾波器可為光學(xué)環(huán)形諧振器或布拉格光柵。本領(lǐng)域技術(shù)人員理解如何設(shè)計和制造這些類型的光學(xué)濾波器。包括未來發(fā)展的光學(xué)濾波器的其他類型的光學(xué)濾波器是可能的。

定向耦合器323被光學(xué)地耦合為接收來自第二光學(xué)耦合區(qū)321和光學(xué)濾波器130的輸入。在第二方向上傳播的光(即，一階SBS射束210)的一部分被從第二光學(xué)耦合區(qū)321發(fā)送至定向耦合器323的輸入。從光學(xué)濾波器130輸出的二階SBS射束220也被發(fā)送至定向耦合器323的輸入。一階SBS射束210和二階SBS射束220作為共同傳播的光束從定向耦合器323中輸出，并入射到拍探測器130上。共同傳播的一階SBS射束210和二階SBS射束220具有在一階SBS射束210的第一頻率(v_SBS1)和二階SBS射束220的第二頻率(v_sbs2)之間的差處的拍頻。拍探測器131產(chǎn)生光學(xué)拍信號，其作為一階SBS射束210和二階SBS射束220之間的頻率差的函數(shù)而變化。一階SBS射束210和二階SBS射束220之間生成的拍信號近似等于FSR的整數(shù)倍加上旋轉(zhuǎn)引入的頻移(N×FSR+f_Ω)，并且用來基于陀螺儀內(nèi)的拍信號用來確定旋轉(zhuǎn)速率。

旋轉(zhuǎn)時，薩格納克(Sagnac)效應(yīng)使得光學(xué)環(huán)形諧振器50的諧振腔顯得對于一個傳播方向更長，而對于另一傳播方向被壓縮，這導(dǎo)致發(fā)射激光的頻率中的不同的移位(f_Ω)，由此可確定旋轉(zhuǎn)速率。通過使用兩個相鄰的SBS階次來感測旋轉(zhuǎn)獲得噪聲處理的高度的共模抑制。用以感測旋轉(zhuǎn)的兩個相鄰的SBS階次可為如文中所述的一階和二階SBS，二階和三階SBS，三階和四階SBS等等。

由于這兩個諧振發(fā)射激光的模式之間的幾乎全部噪聲源都是共同的，在該拍頻測量結(jié)果上的主噪聲源為量子噪聲。因此，角度隨機(jī)游走(ARW)依賴于各發(fā)射激光的模式的輸出功率。

下文，參考圖3、4、5A和5B，描述了圖2中示出的環(huán)形激光陀螺儀的示例性實(shí)施例，該環(huán)形激光陀螺儀包括環(huán)形激光陀螺儀部分15或關(guān)于環(huán)形激光陀螺儀部分15的變型。在下文參考圖3、4、5A和5B所描述的環(huán)形激光陀螺儀的示例性實(shí)施例中，環(huán)形激光陀螺儀中在光學(xué)環(huán)形諧振器50之外的光束被引導(dǎo)通過剛性光學(xué)波導(dǎo)。用于引導(dǎo)和導(dǎo)向光的其他技術(shù)是可能的。

圖3示出了根據(jù)本申請的RLG10的實(shí)施例。RLG10包括圖2中所示的環(huán)形激光陀螺儀部分15，以及：對從連續(xù)波激光器發(fā)射的光學(xué)泵浦射束200進(jìn)行調(diào)制的電光調(diào)制器105；傳輸端探測器111；頻率測量裝置370；自由光譜范圍(FSR)回路電子設(shè)備；和Pound-Hall-Drever(PDH)回路電子設(shè)備。FSR回路電子設(shè)備包括FSR混合器125；接收FSR混合器125的輸出的FSR伺服350。PDH回路電子設(shè)備包括PDH混合器135和PDH伺服360。拍探測器131將信號輸出至頻率測量裝置370。有時，頻率測量裝置被稱為頻率計數(shù)器。

RLG10位于基底25上。在該實(shí)施例的一個實(shí)施方式中，RLG10的一個或多個部件形成在基底25的內(nèi)部區(qū)域中。

RLG10的讀出機(jī)構(gòu)與常規(guī)RLG的讀出機(jī)構(gòu)類似，其中最好且最貴的RLG的讀出機(jī)構(gòu)同樣受限于量子噪聲。然而，由于RLG10即使在零旋轉(zhuǎn)速率時也具有～11GHz頻率分割，所以不存在常規(guī)RLG中發(fā)生的從一個模式后向散射進(jìn)入反向傳播模式從而對泵浦激光器100進(jìn)行種子注入(seeding)并導(dǎo)致頻率“鎖定”效應(yīng)的風(fēng)險，其中反向傳播諧振頻率以小速率退化。在常規(guī)RLG中，需要“高頻振動馬達(dá)”以防止諧振頻率以小速率退化，高頻振動馬達(dá)使陀螺儀旋轉(zhuǎn)以確保其始終測量高于鎖定閾值的速率。

有利地，RLG10并沒有鎖定，以及因此無需高頻振動馬達(dá)或任何移動部分。另外，高的信號頻率(例如，～11GHz)在高動態(tài)環(huán)境中提供一些優(yōu)勢。在現(xiàn)有技術(shù)陀螺儀中，光電探測器和放大器被優(yōu)化以為了低頻處的高靈敏度以便探測小的旋轉(zhuǎn)，其中DC輸出對應(yīng)于零旋轉(zhuǎn)速率。這些現(xiàn)有技術(shù)的光電探測器和放大器可能不具有精確感測～20MHz拍信號的帶寬，這將是對于100,000度/秒旋轉(zhuǎn)速率所期望的(給定前述形成因素)。對于被優(yōu)化以感測11GHz的光探測器和放大器，20MHz的頻率變化不伸展這些光探測器和放大器的帶寬限制。

然而，由依據(jù)(在極點(diǎn)處的)地球旋轉(zhuǎn)速率的薩格納克效應(yīng)引起的一階和二階模式之間的頻率差的改變對諧振器而言在近似1平方英寸的有界區(qū)域的情況下為大約一赫茲。時鐘信號具有足夠高的質(zhì)量以精確地指示何時一秒已經(jīng)傳到110億中的一部分內(nèi)，所以用戶知道在該時間內(nèi)已經(jīng)觀察到多少個明-暗周期。時鐘信號將被分成半頻率(N×FSR～11GHz)。

這種情況下，因?yàn)楣鈱W(xué)泵浦射束200和共同傳播的二階SBS射束220頻率相差2v_sbs＝22GHz，所以時鐘信號使用22GHz信號作為頻率參考。該頻率差與旋轉(zhuǎn)速率無關(guān)，因?yàn)樾D(zhuǎn)以相同的方式影響在同一方向上傳播的電磁場以及在測量差別頻率時該影響被抵銷。

該2v_sbs GHz時鐘信號具有超過任何質(zhì)量的任何外部頻率參考信號的優(yōu)勢。由于多種影響(諸如溫度變化)時鐘頻率可以在絕對項(xiàng)中產(chǎn)生漂移，這導(dǎo)致路徑長度中的改變并因此導(dǎo)致諧振器的FSR的改變。然而，對FSR的任意的這樣的影響也將改變在其上旋轉(zhuǎn)被編碼的11GHz信號的頻率。因?yàn)樵摳淖兣c旋轉(zhuǎn)無關(guān)，所以其代表誤差。但如果在頻率參考中發(fā)生了恰好相應(yīng)的改變，則該誤差從實(shí)際旋轉(zhuǎn)測量結(jié)果中抵銷。

在該實(shí)施例的一個實(shí)施方式中，能夠消去共模誤差的信號處理方案將該(2N×FSR)信號頻率除以2，然后將其與(N×FSR+f_Ω)信號混合。該混合器的輸出是經(jīng)低通濾波的。對一個完美的光學(xué)環(huán)形諧振器50而言，該混合器輸出在零旋轉(zhuǎn)速率下為DC，以及在地球速率下約為半赫茲；11GHz“背景”連同F(xiàn)SR中的任何改變一起被移除。

激光器的輸出頻率不僅依賴于諧振器的“冷腔”諧振頻率，而且依賴于光學(xué)增益曲線311和312的中心頻率。如果光學(xué)環(huán)形諧振器50的自由光譜范圍并未完美地調(diào)整成匹配SBS頻移v_sbs，則不同的腔諧振(即，圖1中所示的301和302)與最接近的增益峰(即，圖1中所示的311和312)分離達(dá)不同的量。這創(chuàng)建了上述通過以22GHz的混合未完全抵銷的模式牽引。然而，對于給定的光學(xué)環(huán)形諧振器而言，這是可重復(fù)的現(xiàn)象，以及可被表征為溫度的函數(shù)并被減除。模式牽引可潛在地用于電子地分離來自一階SBS射束210與通過光學(xué)濾波器130的殘余光學(xué)泵浦射束200的拍的任何信號。

圖4示出根據(jù)本申請的芯片20上RLG11的實(shí)施例。圖4中所示的RLG11的實(shí)施例與圖3中所示的RLG10的實(shí)施例的不同之處在于光學(xué)環(huán)形諧振器50在剛性諧振器芯片20上。在該實(shí)施例的另一實(shí)施方式中，芯片20支撐RLG11的其他部件。光學(xué)環(huán)形諧振器50被蝕刻在芯片20中以最小化往返諧振器損耗，包括光學(xué)耦合區(qū)320和321處的額外損耗。

在該實(shí)施例的一個實(shí)施方式中，激光器100被形成在剛性諧振器芯片20上，且其中形成光學(xué)環(huán)形諧振器50的波導(dǎo)環(huán)繞激光器100。在該實(shí)施例的一個實(shí)施方式中，剛性諧振器芯片20為整個基底25。目前使用和未來發(fā)展的混合集成處理技術(shù)允許激光器、探測器、光學(xué)濾波器和任何需要的調(diào)制器或光學(xué)放大器在同一芯片上的共同定位。

在該實(shí)施例的一個實(shí)施方式中，剛性諧振器芯片20為大約幾英寸。

圖5A示出了根據(jù)本申請的RLG12的實(shí)施例。RLG12與上文參考圖3和4描述的RLG10和11的不同之處在于，光學(xué)環(huán)形諧振器50僅有單個光學(xué)耦合區(qū)，通常在420處表示。其有利地減少了光學(xué)環(huán)形諧振器50中的損耗。如圖5A中所示，從光源100(泵浦激光器100)發(fā)射的泵浦射束200被相位調(diào)制器105調(diào)制，并被放大器106放大。光學(xué)泵浦射束200的一部分通過Y-分束器615從波導(dǎo)分接至相對強(qiáng)度噪聲(RIN)監(jiān)視器107。未分接的光學(xué)泵浦射束200傳播通過通常在620處表示的環(huán)形器，并在光學(xué)環(huán)形諧振器50的光學(xué)耦合區(qū)420處被耦合至光學(xué)環(huán)形諧振器50中。在該實(shí)施例的一個實(shí)施方式中，環(huán)形器620被定向耦合器替代。

光學(xué)泵浦射束200和二階SBS射束220在光學(xué)環(huán)形諧振器50中在第一方向上傳播，該傳播在該示例性實(shí)施例中為順時針方向。一階SBS射束210在光學(xué)環(huán)形諧振器50中在第二方向上傳播，該傳播在該示例性實(shí)施例中為逆時針方向。

當(dāng)在第二方向上傳播通過光學(xué)環(huán)形諧振器50的一階SBS射束210通過光學(xué)耦合區(qū)420時，一部分被引導(dǎo)至拍探測器131。當(dāng)在第一方向上傳播通過光學(xué)環(huán)形諧振器50的光學(xué)泵浦射束200和二階SBS射束220通過光學(xué)耦合區(qū)420時，每個射束的一部分通過Y-分束器616被引導(dǎo)至生成參考/時鐘信號的光學(xué)時鐘探測器121。以此方式，光學(xué)時鐘探測器121基于共同傳播的光學(xué)泵浦射束200和二階SBS射束220生成參考頻率信號。

光學(xué)泵浦射束200和二階SBS射束220的剩余部分在耦合區(qū)631耦合至光學(xué)濾波器130。該實(shí)施例中的光學(xué)濾波器130為在二階SBS射束220的頻率處諧振的光學(xué)環(huán)形諧振器130。光學(xué)環(huán)形諧振器130從二階SBS射束220中過濾光學(xué)泵浦射束200。此處泵浦光濾除的光學(xué)環(huán)形諧振器130也被稱為“濾波環(huán)形諧振器160”和“泵浦抑制濾波器160”。泵浦射束200在泵浦抑制濾波器160中并不諧振，以及二階SBS射束220在泵浦抑制濾波器160中諧振。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，可通過多個可能的技術(shù)中的一個從RLG12中去除光學(xué)泵浦射束100。

諧振的二階SBS射束220的一部分通過光學(xué)耦合區(qū)632從泵浦抑制濾波器160耦合出至一階SBS射束210在其中傳播的波導(dǎo)。以此方式，二階SBS射束與一階SBS射束共同傳播，該共同傳播的射束入射在拍探測器131上。

在圖5A所示的實(shí)施例中，泵浦抑制濾波器160被溫度伺服140和電阻元件熱控制，以確保保持在二階SBS射束220上的諧振。陀螺儀電子設(shè)備處理來自拍探測器131的信號和來自光學(xué)時鐘探測器121的參考/時鐘信號，如上文參考圖3所描述的。

圖5B示出根據(jù)本申請的RLG13的實(shí)施例。RLG13與上文參考圖5A描述的RLG12的不同之處在于，一階SBS210和三階SBS230之間的拍音被用于在光學(xué)時鐘探測器121處生成參考頻率/時鐘信號，不同于其中泵浦射束210和二階SBS在光學(xué)時鐘探測器121處生成參考頻率/時鐘信號的圖5A的實(shí)施例。第三斯托克斯波頻率處的三階SBS230與第一斯托克斯波頻率處的一階SBS210在第二方向上共同傳播。第三斯托克斯波頻率被從第一斯托克斯波頻率下移兩倍的布里淵斯托克斯頻率。

隨著二階SBS射束220在第一方向上傳播通過光學(xué)環(huán)形諧振器50，在從v_SBS2處的第二SBS射束下移布里淵斯托克斯頻率v_sbs的第三斯托克斯波頻率v_SBS3處，第三布里淵散射增益曲線被二階SBS射束220所激勵。光學(xué)環(huán)形諧振器50具有第三光學(xué)增益曲線的帶寬16中的諧振模式。以充分低的諧振器損耗，第二光學(xué)增益曲線312中的光學(xué)增益引起與二階SBS射束220反向傳播的發(fā)射激光的電磁場。三階受激布里淵散射提供了光學(xué)增益，并放大與二階SBS射束220反向傳播且與一階SBS射束210共同傳播的電磁場。

以此方式，當(dāng)二階SBS射束220的強(qiáng)度超過受激布里淵閾值時，二階SBS射束220具有足夠的光功率以激勵頻率v_SBS3處的三階SBS射束230。三階SBS射束230的頻率v_SBS3距離二階SBS射束220的頻率v_SBS2大約N×FSR，距離二階SBS射束220的頻率v_SBS2大約2N×FSR。隨著二階SBS射束220的強(qiáng)度增大，三階SBS射束230的強(qiáng)度也增大。

在該實(shí)施例中，當(dāng)在第二方向上傳播通過光學(xué)環(huán)形諧振器50的一階SBS射束210和三階SBS230通過光學(xué)耦合區(qū)420時，每個射束的一部分通過Y-分束器621被引導(dǎo)至生成參考頻率/時鐘信號的光學(xué)時鐘探測器121。以此方式，光學(xué)時鐘探測器121基于共同傳播的一階SBS射束210和三階SBS230生成參考頻率信號。

一階SBS射束210和三階SBS230的剩余部分通過Y-分束器621被引導(dǎo)至拍探測器131。

當(dāng)在第一方向上傳播通過光學(xué)環(huán)形諧振器50的光學(xué)泵浦射束200和二階SBS射束220通過光學(xué)耦合區(qū)420時，共同傳播的光束被引導(dǎo)至泵浦抑制濾波器160。陀螺儀電子設(shè)備處理來自拍探測器131的信號和來自光學(xué)時鐘探測器121的參考/時鐘信號，如上文參考圖3所描述的。

圖6示出了根據(jù)本申請的被配置作為N-圈波導(dǎo)回路51的光學(xué)環(huán)形諧振器51的實(shí)施例。被配置為N-圈波導(dǎo)回路的光學(xué)環(huán)形諧振器具有N個回路，其中N是大于1的正整數(shù)。最內(nèi)圈回路連接至最外圈回路、波導(dǎo)上具有N-1個單層交叉的部分。在圖6示出的示例性實(shí)施例中，多圈波導(dǎo)回路為具有一層交叉54的兩圈波導(dǎo)回路51。該兩圈波導(dǎo)回路具有內(nèi)圈回路51和外圈回路52。對于其中激光器100被光學(xué)環(huán)形諧振器51圍繞的實(shí)施例，耦合區(qū)420在內(nèi)圈回路51上。在該實(shí)施例的另一實(shí)施方式中，對于其中激光器100沒有被光學(xué)環(huán)形諧振器51圍繞的實(shí)施例，耦合區(qū)420在外圈回路52上。

本文描述的環(huán)形激光陀螺儀的任一實(shí)施例可在用光學(xué)環(huán)形諧振器51替代光學(xué)環(huán)形諧振器50的情況下實(shí)施。此處，“單層交叉”被定義為由相同的一層或相同的多個層形成的兩個光波導(dǎo)的交叉。單層交叉被示出在角度α和α’處，其中α+α’＝180°。在該實(shí)施例的一個實(shí)施方式中，α為120°且α’為60°。在該實(shí)施例的另一實(shí)施方式中，α和α’皆為90°。

本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，本文描述的環(huán)形激光陀螺儀中的光學(xué)環(huán)形諧振器還可為具有兩個單層交叉54的三圈波導(dǎo)回路，具有三個單層交叉54的四圈波導(dǎo)回路，等等。對波導(dǎo)中圈數(shù)的限制由每個單層交叉54中的損耗和光學(xué)波導(dǎo)中要求的增益來約束。隨著單層交叉54中損耗的改善，可實(shí)施更多圈的方案。

圖7示出了根據(jù)本申請的測量旋轉(zhuǎn)的方法700。參考圖3的RLG10來描述方法700。方法700的該實(shí)施例被描述為使用包括圖2所示的部分15和圖1所示的頻率分布的圖3的RLG10來實(shí)施。方法700的過程也適用于包括圖2所示的環(huán)形激光陀螺儀的實(shí)施例的部分15的RLG的其他實(shí)施例。

在框702中，具有泵浦頻率v_P的光學(xué)泵浦射束200被耦合進(jìn)入光學(xué)環(huán)形諧振器50。在該實(shí)施例的一個實(shí)施方式中，光學(xué)環(huán)形諧振器50為剛性光學(xué)波導(dǎo)。在該實(shí)施例的另一實(shí)施方式中，光學(xué)環(huán)形諧振器50為光纖。在該實(shí)施例的又一實(shí)施方式中，環(huán)形激光陀螺儀中在光學(xué)環(huán)形諧振器50外部的光束被引導(dǎo)通過剛性光波導(dǎo)。在該實(shí)施例的又一實(shí)施方式中，環(huán)形激光陀螺儀中在光學(xué)環(huán)形諧振器50外部的光束被引導(dǎo)通過光纖。在該實(shí)施例的又一實(shí)施方式中，環(huán)形激光陀螺儀中在光學(xué)環(huán)形諧振器50外部的光束傳播通過空氣和被引導(dǎo)通過光纖和剛性波導(dǎo)的組合。在框704中，光學(xué)泵浦射束200在第一方向上傳播通過光學(xué)環(huán)形諧振器50。在框706中，光學(xué)泵浦射束200激勵在其為從泵浦頻率v_P下移布里淵斯托克斯頻率v_sbs的第一頻率v_SBS1上的一階受激布里淵散射(SBS)射束210。隨著光學(xué)泵浦射束200在第一方向上傳播通過光學(xué)環(huán)形諧振器50，第一光學(xué)增益曲線311在從泵浦頻率v_P下移布里淵斯托克斯頻率v_sbs的第一斯托克斯波頻率v_SBS1處被激勵。

在框708中，一階SBS射束210在與第一方向相反的第二方向上傳播通過光學(xué)環(huán)形諧振器50。

在框710中，一階SBS射束210激勵在從泵浦頻率v_P下移兩倍布里淵斯托克斯頻率2v_sbs的第二頻率處的二階SBS射束220。通過在第二方向上傳播通過光學(xué)環(huán)形諧振器50的一階SBS射束210，第二光學(xué)增益曲線312在從泵浦頻率v_P下移兩倍布里淵斯托克斯頻率2v_sbs的第二斯托克斯波頻率v_SBS2處被激勵。

在框712中，二階SBS射束220在光學(xué)環(huán)形諧振器50中以第一方向傳播。以此方式，二階SBS射束220和光學(xué)泵浦射束200共同傳播。

在框714中，二階SBS射束220和光學(xué)泵浦射束200從光學(xué)環(huán)形諧振器50的光學(xué)耦合區(qū)321輸出。通過光學(xué)濾波器130，二階SBS射束220與光學(xué)泵浦射束200分離。

在框716中，一階SBS射束210從光學(xué)環(huán)形諧振器50的光學(xué)耦合區(qū)420輸出。光學(xué)泵浦射束200和一階SBS射束210也從光學(xué)環(huán)形諧振器50輸出，并被引導(dǎo)至泵浦抑制濾波器130。在該實(shí)施例的一個實(shí)施方式中，光學(xué)泵浦射束200和一階SBS射束210也從光學(xué)環(huán)形諧振器50輸出，并被引導(dǎo)至光學(xué)時鐘探測器121，其基于共同傳播的泵浦射束200和二階SBS射束220生成參考頻率信號。在該實(shí)施例的另一實(shí)施方式中，一階SBS射束210和三階SBS射束230也從光學(xué)環(huán)形諧振器50輸出，并被引導(dǎo)至光學(xué)時鐘探測器121，其基于共同傳播的一階SBS射束210和三階SBS射束230生成參考頻率信號。

在框718中，一階SBS射束210和二階SBS射束220之間的拍信號被生成。一階SBS射束210和二階SBS射束220在耦合器323上被組合，以及該組合信號入射到拍探測器131上。一階SBS射束210和二階SBS射束220在等于布里淵斯托克斯頻率v_sbs的拍頻上彼此拍振。在框720中，基于一階SBS射束210和二階SBS射束220之間的拍信號來確定光學(xué)環(huán)形諧振器50的旋轉(zhuǎn)速率。

以此方式，一緊湊、結(jié)實(shí)的環(huán)形激光陀螺儀被形成在基底上，且能夠在沒有易碎移動件的情況下測量旋轉(zhuǎn)速率。本文描述的環(huán)形激光陀螺儀可單片集成，并適于熱極限環(huán)境，同時適于高沖擊、高振動應(yīng)用。

示例性實(shí)施例

示例1包括一環(huán)形激光陀螺儀，其包括：配置為在第一方向和第二方向上傳播光束的光學(xué)環(huán)形諧振器，第二方向與第一方向相反，該光學(xué)環(huán)形諧振器包括將光束耦合進(jìn)和耦合出光學(xué)環(huán)形諧振器的至少一個光學(xué)耦合區(qū)；和在泵浦頻率處提供泵浦射束的光源，該泵浦射束在第一方向上被光學(xué)地耦合至光學(xué)環(huán)形諧振器；其中泵浦射束在從泵浦頻率下移布里淵斯托克斯頻率的第一斯托克斯波頻率處激勵第一光學(xué)增益曲線，其中光學(xué)環(huán)形諧振器具有位于第一光學(xué)增益曲線帶寬中的諧振模式，其中諧振器往返損耗小于第一光學(xué)增益，使得一階受激布里淵散射(SBS)射束在第二方向上傳播，其中一階SBS射束在從泵浦頻率下移兩倍布里淵斯托克斯頻率的第二斯托克斯波頻率處激勵第二光學(xué)增益曲線，其中光學(xué)環(huán)形諧振器具有位于第二光學(xué)增益曲線帶寬中的諧振模式，其中諧振器往返損耗小于第二光學(xué)增益，使得二階SBS射束在第一方向上傳播；以及該環(huán)形激光陀螺儀還包括：配置為產(chǎn)生根據(jù)一階SBS射束和二階SBS射束間頻率差而改變的光學(xué)拍信號的拍探測器；和基于兩個共同傳播的射束生成參考頻率信號的光學(xué)時鐘探測器。

示例2包括示例1的環(huán)形激光陀螺儀，其中光學(xué)時鐘探測器被配置為基于泵浦頻率和第二斯托克斯波頻率之間的拍信號來生成參考頻率信號，第二斯托克斯波頻率從泵浦頻率下移兩倍的布里淵斯托克斯頻率。

示例3包括示例1-2中任一的環(huán)形激光陀螺儀，其中光學(xué)時鐘探測器被配置為基于一階SBS頻率和三階受激布里淵散射(SBS)射束的第三斯托克斯波頻率之間的拍信號來生成參考頻率信號，第三斯托克斯波頻率從第一斯托克斯波頻率下移兩倍的布里淵斯托克斯頻率。

示例4包括示例1-3中任一的環(huán)形激光陀螺儀，其中光學(xué)環(huán)形諧振器為剛性光學(xué)波導(dǎo)諧振器。

示例5包括示例1-4中任一的環(huán)形激光陀螺儀，其中光學(xué)環(huán)形諧振器為具有N-1個單層交叉的N-圈波導(dǎo)回路，其中N為大于示例1-4的任一的正整數(shù)。

示例6包括示例1-5中任一的環(huán)形激光陀螺儀，進(jìn)一步包括：被配置為在共同傳播的泵浦射束和二階SBS射束從光學(xué)環(huán)形諧振器輸出后抑制泵浦射束的泵浦抑制濾波器。

示例7包括示例6的環(huán)形激光陀螺儀，其中泵浦抑制濾波器為濾波環(huán)形諧振器，該濾波環(huán)形諧振器被進(jìn)一步配置為將二階SBS射束耦合成與一階SBS射束共同傳播，以入射到拍探測器上。

示例8包括示例1-7中任一的環(huán)形激光陀螺儀，進(jìn)一步包括：在其上形成光學(xué)環(huán)形諧振器且在其上放置提供泵浦射束的光源的基底。

示例9包括示例1-8中任一的環(huán)形激光陀螺儀，進(jìn)一步包括：在其上形成光學(xué)環(huán)形諧振器且在其上放置提供泵浦射束的光源的基底；并且，電子設(shè)備被放置在基底上并被配置為處理從光學(xué)環(huán)形諧振器輸出的光束以測量旋轉(zhuǎn)。

示例10包括一環(huán)形激光陀螺儀，包括：形成在基底上并配置為在第一方向和第二方向上傳播光束的光學(xué)環(huán)形諧振器，第二方向與第一方向相反，該光學(xué)環(huán)形諧振器具有將光束耦合進(jìn)入和耦合出光學(xué)環(huán)形諧振器的至少一個光學(xué)耦合區(qū)；和放置在基底上的光源，該光源配置為將泵浦頻率處的泵浦射束光學(xué)地耦合至光學(xué)環(huán)形諧振器中以在第一方向上傳播，其中泵浦射束在從泵浦頻率下移布里淵斯托克斯頻率的第一斯托克斯波頻率處激勵第一光學(xué)增益曲線，其中光學(xué)環(huán)形諧振器具有位于第一光學(xué)增益曲線帶寬中的諧振模式，其中諧振器往返損耗小于第一光學(xué)增益，使得一階受激布里淵散射(SBS)射束在第二方向上傳播，其中一階SBS射束在從泵浦頻率下移兩倍布里淵斯托克斯頻率的第二斯托克斯波頻率處激勵第二光學(xué)增益曲線，其中光學(xué)環(huán)形諧振器具有位于第二光學(xué)增益曲線帶寬中的諧振模式，其中諧振器往返損耗小于第二光學(xué)增益，使得二階SBS射束在第一方向上傳播；以及該環(huán)形激光陀螺儀還包括：放置在基底上并配置為產(chǎn)生根據(jù)一階SBS射束和二階SBS射束間頻率差而改變的光學(xué)拍信號的拍探測器；和放置在基底上的光學(xué)時鐘探測器，該光學(xué)時鐘探測器配置為基于兩個共同傳播的射束生成參考頻率信號；以及在第一方向上傳播的泵浦射束和二階SBS射束從光學(xué)環(huán)形諧振器輸出后從二階SBS射束中抑制泵浦射束的泵浦抑制濾波器。

示例11包括示例10的環(huán)形激光陀螺儀，其中光學(xué)時鐘探測器被配置為基于泵浦頻率和第二斯托克斯波頻率之間的拍信號來生成參考頻率信號，第二斯托克斯波頻率從泵浦頻率下移兩倍的布里淵斯托克斯頻率。

示例12包括示例10-11中任一的環(huán)形激光陀螺儀，其中光學(xué)時鐘探測器被配置為基于一階SBS頻率和三階受激布里淵散射(SBS)射束的第三斯托克斯波頻率之間的拍信號來生成參考頻率信號，第三斯托克斯波頻率從第一斯托克斯波頻率下移兩倍的布里淵斯托克斯頻率。

示例13包括示例10-12中任一的環(huán)形激光陀螺儀，其中光學(xué)環(huán)形諧振器為具有N-1個單層交叉的N-圈波導(dǎo)回路，其中N為大于示例1-12的任一的正整數(shù)。

示例14包括示例10-13中任一的環(huán)形激光陀螺儀，其中泵浦抑制濾波器為濾波環(huán)形諧振器，其被形成在基底上并被進(jìn)一步配置為將二階SBS射束耦合成與一階SBS射束共同傳播，以入射到拍探測器上。

示例15包括示例14的環(huán)形激光陀螺儀，其中光學(xué)環(huán)形諧振器為剛性波導(dǎo)諧振器，以及濾波環(huán)形諧振器為剛性光學(xué)波導(dǎo)諧振器。

示例16包括示例10-15中任一的環(huán)形激光陀螺儀，其中光學(xué)環(huán)形諧振器為剛性波導(dǎo)諧振器。

示例17包括一測量旋轉(zhuǎn)速率的方法，該方法包括：在第一方向上將光學(xué)泵浦射束傳播通過光學(xué)環(huán)形諧振器；由光學(xué)泵浦射束激勵在從泵浦頻率下移布里淵斯托克斯頻率的第一頻率處的一階受激布里淵散射(SBS)射束；在與第一方向相反的第二方向上使一階SBS射束傳播通過光學(xué)環(huán)形諧振器，由一階SBS射束激勵在從泵浦頻率下移兩倍布里淵斯托克斯頻率的第二頻率處的二階SBS射束；以及在第一方向上傳播二階SBS射束；從光學(xué)環(huán)形諧振器輸出二階SBS射束和泵浦射束；從光學(xué)環(huán)形諧振器輸出一階SBS射束；在拍探測器處生成一階SBS射束和二階SBS射束之間的拍信號；以及基于該拍信號確定旋轉(zhuǎn)速率。

示例18包括示例17的方法，進(jìn)一步包括：基于入射在光學(xué)時鐘探測器上的兩個共同傳播的射束來生成參考頻率信號。

示例19包括示例17-18中任一的方法，進(jìn)一步包括：通過泵浦抑制濾波器將二階SBS射束和泵浦射束分離。

示例20包括示例17-19中任一的方法，進(jìn)一步包括：從泵浦抑制濾波器將二階SBS射束耦合成與一階SBS射束共同傳播；并將共同傳播的一階SBS射束和二階SBS射束引導(dǎo)為入射到拍探測器上。

雖然本文已經(jīng)圖示并描述了具體實(shí)施例，但本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解，可以實(shí)現(xiàn)相同目的任何布置可替換所示出的具體實(shí)施例。因此，顯然打算本發(fā)明僅被權(quán)利要求及其等同物限制。