单泵浦级联受激布里渊散射（SBS）环形激光陀螺仪制造技术

提供一种环形激光陀螺仪。该环形激光陀螺仪包括光学环形谐振器、在泵浦频率处提供泵浦射束的光源、拍探测器和光学时钟探测器。泵浦射束在第一方向上耦合至光学环形谐振器，并在从泵浦频率下移布里渊斯托克斯频率的第一斯托克斯波频率处激励第一光学增益曲线。一阶受激布里渊散射(SBS)射束在第二方向上传播，以及二阶SBS射束在第一方向上传播。拍探测器产生根据一阶SBS射束和二阶SBS射束间频率差而改变的光学拍信号。光学时钟探测器基于两个共同传播的射束生成参考频率信号。

【技术实现步骤摘要】
本专利申请要求于2015年9月9日提交的、标题为“SINGLE-PUMPCASCADEDSTIMULATEDBRILLOUINSCATTERING(SBS)RINGLASERGYRO”、编号为62/216,203的美国临时专利申请的优先权，该专利申请据此通过引用完全结合于本文中。
技术介绍
对于导航系统、精密定点系统和制导系统存在对低成本、高性能的陀螺仪的需要。从历史上看，导航级陀螺仪市场已经偏爱诸如GG1320之类的HeNe环形激光陀螺仪(RLG)，但是在不给与GPS的任务中，热极端、高冲击和高振动的应用要求市场上出现新产品。在常规RLG中，要求“高频振动马达(dithermotor)”以防止谐振频率以小速率发生退化；且高频振动马达要求易碎的移动部件，其不适于高冲击和振动应用。在没有移动部件的情况下光波导在单一硅基底上的单片集成，这在严苛的环境中提供了优势。
技术实现思路
本申请涉及环形激光陀螺仪。该环形激光陀螺仪包括配置为在第一方向和第二方向上传播光束的光学环形谐振器。第二方向与第一方向相反。该光学环形谐振器包括将光束耦合进和耦合出光学环形谐振器的至少一个光学耦合区。该环形激光陀螺仪还包括在泵浦频率上提供泵浦射束的光源。该泵浦射束在第一方向上被光学地耦合至光学环形谐振器。该泵浦射束在从泵浦频率下移布里渊斯托克斯频率的第一斯托克斯波频率上激励第一光学增益曲线。该光学环形谐振器具有位于第一光学增益曲线带宽中的谐振模式且谐振器往返损耗小于第一光学增益，使得一阶受激布里渊散射(SBS)射束在第二方向上传播。一阶SBS射束在从泵浦频率下移两倍布里渊斯托克斯频率的第二斯托克斯波频率上激励第二光学增益曲线。该光学环形谐振器具有位于第二光学增益曲线带宽中的谐振模式。谐振器往返损耗小于第二光学增益，使得二阶SBS射束在第一方向上传播。该环形激光陀螺仪还包括拍(beat)探测器和基于两个共同传播的射束而生成参考频率信号的光学时钟探测器，该拍探测器被配置为产生光学拍信号，该光学拍信号根据一阶SBS射束和二阶SBS射束间的频率差而变化。附图说明基于对附图仅描绘示例性实施例以及不被认为是在范围方面的限制的理解，通过附图的使用将以附加的特征和细节描述示例性实施例，在附图中：图1示出了根据本申请的光学泵浦射束、一阶受激布里渊散射(SBS)射束和二阶SBS射束的频率分布；图2示出了根据本申请的环形激光陀螺仪一实施例的一部分，其中光学泵浦射束、一阶SBS射束和二阶SBS射束在光学环形谐振器中传播；图3示出了根据本申请的环形激光陀螺仪的一个实施例；图4示出了根据本申请的位于芯片上的环形激光陀螺仪的一个实施例；图5A示出了根据本申请的环形激光陀螺仪的一个实施例；图5B示出了根据本申请的环形激光陀螺仪的一个实施例；图6示出了根据本申请的配置为N-圈(N-turn)波导回路的光学环形谐振器的一个实施例；以及图7示出了根据本申请的测量旋转的方法。根据通常实践，各种所描述的特征并未按比例绘制，但这些特征被绘制成强调与示例性实施例相关的具体特征。具体实施方式在下文的详细说明中，参考形成本文一部分的附图，以及其中以举例说明的方式示出了具体说明性实施例。然而，可以理解，可利用其他实施例，并且可进行逻辑、机械和电的改变。此外，附图和说明书中呈现的方法并不被解释为限制其中各个步骤被实施的次序。因此，下文的详细说明不能被理解为具有限制性意义。本文描述的系统和方法利用了受激布里渊散射(SBS)的性质，通过从一阶受激布里渊散射光生成二阶受激布里渊散射光，以从单个泵浦激光创建在相反方向上以不同的已知频率传播的两个光束。图1示出了根据本申请的光学泵浦射束、一阶受激布里渊散射(SBS)射束和二阶SBS射束的频率分布。图2示出了根据本申请的SBS环形激光陀螺仪(RLG)一实施例的环形激光陀螺仪部分15，其中光学泵浦射束200、一阶SBS射束210和二阶SBS射束220在光学环形谐振器50中传播。本文中光学环形谐振器50也被称为光学谐振器50。光学泵浦射束200处于泵浦频率vP(图1)处并且在第一方向上传播。一阶SBS射束处于第一斯托克斯波频率vSBS1(图1)处并且在与光学泵浦射束200传播的第一方向相反的第二方向上传播。二阶SBS射束处于第二斯托克斯波频率vSBS2(图1)处并且与光学泵浦射束200一起在第一方向上共同传播。在该示例性实例中，第一方向为顺时针(CW)方向，以及第二方向为逆时针(CCW)方向。本文描述的环形激光陀螺仪实施例中的光学环形谐振器在泵浦频率vP、第一斯托克斯波频率vSBS1和第二斯托克斯波频率vSBS2上谐振。如图2所示，环形激光陀螺仪部分15的光学泵浦射束200从光源100(泵浦激光器100)发射。在环形激光陀螺仪部分15的该实施例中，光学环形谐振器50具有第一光学耦合区320和第二光学耦合区321。在下文参考附图5A、5B和6描述的其他实施例中，光学环形谐振器具有单一的光学耦合区。光学耦合区为定向耦合器。本领域技术人员理解如何设计和制造这些类型的光学耦合区。光学环形谐振器中的其他类型的光学耦合区，包括未来发展的光学耦合器，是可能的。在该实施例的一个实施方式中，该光学环形谐振器50为刚性光学波导谐振器50。刚性光学波导谐振器50可由半导体材料、玻璃或塑料形成。可通过将波导蚀刻在基底中、将波导蚀刻在沉积在基底上的一个或多个层中、或将波导蚀刻在基底的一部分(即芯片)中来形成刚性光学波导谐振器50。如本领域技术人员已知，蚀刻芯片之后可进行一个或多个材料层的沉积，以及一个或多个附加蚀刻过程，以确保波导为低损耗波导。在该实施例的另一个实施方式中，光学环形谐振器50为由光纤形成的光纤谐振器50。随着光学泵浦射束200传播通过光学环形谐振器50，在从泵浦频率vP下移布里渊斯托克斯频率vsbs的第一斯托克斯波频率vSBS1处，第一光学增益曲线311(图1)被光学泵浦射束200激励。如图1中所示，光学环形谐振器50具有位于第一光学增益曲线311的带宽315内的谐振模式301。在充分低的谐振器损耗的情况下，第一光学增益曲线311中的光学增益引起发射激光的电磁场，其与光学泵浦射束200反向地传播。一阶受激布里渊散射提供了光学增益，并放大与光学泵浦射束200反向地传播的电磁场。以此方式，当光学泵浦射束200超过受激布里渊散射阈值时，光学泵浦射束200具有足够的光功率以激励频率vSBS1(图1)处的一阶SBS射束210(图2)，频率vSBS1位于从泵浦频率vP下移布里渊斯托克斯频率vsbs的第一SBS增益带宽中。泵浦激光和一阶SBS(vP-vSBS1)之间的频率被设计为近似为光学环形谐振器的自由光谱范围(FSR)的整数倍(N×FSR)。随着光学泵浦射束200的强度增大，一阶SBS射束210的强度增大。一阶SBS射束210在与光学泵浦射束200传播的第一方向相反的第二方向上传播。交替地，随着一阶SBS射束210在第二方向上传播通过光学环形谐振器50，在从vSBS1处的第一SBS射束下移布里渊斯托克斯频率vsbs的第二斯托克斯波频率vSBS2处，第二布里渊散射增益曲线312被一阶SBS射束210激励。如图1所示，光学环形谐振器50具有位于第二光学增益曲线312的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种环形激光陀螺仪(10、11、12和13)，包括：配置为在第一方向和第二方向上传播光束的光学环形谐振器(50)，第二方向与第一方向相反，该光学环形谐振器(50)包括将光束耦合进和耦合出光学环形谐振器(50)的至少一个光学耦合区(320/420)；以及在泵浦频率(vP)处提供泵浦射束(200)的光源(100)，该泵浦射束在第一方向上被光学地耦合至光学环形谐振器(50)；其中泵浦射束在从泵浦频率下移布里渊斯托克斯频率(vsbs)的第一斯托克斯波频率(vSBS1)处激励第一光学增益曲线(311)，其中光学环形谐振器(50)具有位于第一光学增益曲线(311)的带宽(315)中的谐振模式(301)，其中谐振器往返损耗小于第一光学增益，使得一阶受激布里渊散射(SBS)射束(210)在第二方向上传播，其中一阶SBS射束(210)在从泵浦频率下移两倍布里渊斯托克斯频率(2vsbs)的第二斯托克斯波频率(vSBS2)处激励第二光学增益曲线(312)，其中光学环形谐振器(50)具有位于第二光学增益曲线(312)的带宽(316)中的谐振模式(302)，其中谐振器往返损耗小于第二光学增益，使得二阶SBS射束(220)在第一方向上传播；以及该环形激光陀螺仪还包括：拍探测器(131)，其配置为产生根据一阶SBS射束和二阶SBS射束间的频率差而改变的光学拍信号；以及基于两个共同传播的射束(200和220)生成参考频率信号的光学时钟探测器(121)，其中光学时钟探测器(121)被配置为基于以下之一来生成参考频率信号：泵浦频率(vP)和第二斯托克斯波频率(vSBS2)之间的拍信号，第二斯托克斯波频率从泵浦频率(vP)下移两倍布里渊斯托克斯频率(2vsbs)；或一阶SBS频率(vSBS1)和三阶受激布里渊散射(SBS)射束(230)的第三斯托克斯波频率(vSBS3)之间的拍信号，第三斯托克斯波频率从第一斯托克斯波频率(vSBS1)下移两倍布里渊斯托克斯频率(2vsbs)。...

【技术特征摘要】
2015.09.09 US 62/216203;2015.10.13 US 14/8821011.一种环形激光陀螺仪(10、11、12和13)，包括：配置为在第一方向和第二方向上传播光束的光学环形谐振器(50)，第二方向与第一方向相反，该光学环形谐振器(50)包括将光束耦合进和耦合出光学环形谐振器(50)的至少一个光学耦合区(320/420)；以及在泵浦频率(vP)处提供泵浦射束(200)的光源(100)，该泵浦射束在第一方向上被光学地耦合至光学环形谐振器(50)；其中泵浦射束在从泵浦频率下移布里渊斯托克斯频率(vsbs)的第一斯托克斯波频率(vSBS1)处激励第一光学增益曲线(311)，其中光学环形谐振器(50)具有位于第一光学增益曲线(311)的带宽(315)中的谐振模式(301)，其中谐振器往返损耗小于第一光学增益，使得一阶受激布里渊散射(SBS)射束(210)在第二方向上传播，其中一阶SBS射束(210)在从泵浦频率下移两倍布里渊斯托克斯频率(2vsbs)的第二斯托克斯波频率(vSBS2)处激励第二光学增益曲线(312)，其中光学环形谐振器(50)具有位于第二光学增益曲线(312)的带宽(316)中的谐振模式(302)，其中谐振器往返损耗小于第二光学增益，使得二阶SBS射束(220)在第一方向上传播；以及该环形激光陀螺仪还包括：拍探测器(131)，其配置为产生根据一阶SBS射束和二阶SBS射束间的频率差而改变的光学拍信号；以及基于两个共同传播的射束(200和220)生成参考频...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·K·萨利特，J·吴，邱铁群，
申请(专利权)人：霍尼韦尔国际公司，
类型：发明
国别省市：美国;US