[发明专利]锁定减少的基于MEMS的环形激光陀螺仪

说明书

相关申请的交叉引用

本国际申请依照35U.S.C.§119(e)要求2011年9月29日提交的待审查的标题为“MEMS Based Ring Laser Gyroscope(RLG)with Reduced Lock-in”(代理人案号BASS01-00011)的序列号61/540971的美国临时专利申请的优先权，其全部内容为了所有目的通过参考合并于此，并且作为本国际申请的部分。

技术领域

本发明大体上涉及环形激光陀螺仪设计，并且特别涉及环形激光陀螺仪设计中微机电系统(MEMS)技术的使用。

背景技术

环形激光陀螺仪(RLG)是测量某个平台的角位移率的仪器。RLG通常包括被设计并制造为以环形配置工作的激光器系统。最熟悉的RLG形式使用直径在30cm范围内的氦氖(HN)环形激光器建造。

RLG的工作原理是基于在环形激光器腔中传播光束的两个计数器之间的跳动。在稳态下，该两个波束围绕腔行进相等距离，并因此具有相等的工作波长(光学频率)。当系统以某一指定角位移率旋转时，由于Sagnac效应，一个波束围绕腔经历比另一波束大的距离，结果，在两个不同波长下生成两个波束。两个波束之间的光程差与腔的转速成正比，并且类似地，光频差。这种差异能够被检测为在环形激光器中以顺时针(CW)和逆时针(CCW)方向传播的两个波之间的拍频。

为了减少RLG的成本和尺寸，最近已经建议使用半导体激光器。然而，由于RLG的比例因子与旋转波束包围的面积成正比，所以通过使用集成半导体环形激光器技术的RLG的小型化可能大大影响其性能。因此，已经提出半导体激光器，其被与光纤环一起使用以增加该装置的面积，并因此提高其比例因子和灵敏度。

RLG系统中的一个主要问题是在低转速下两个传送波束之间的耦合和锁定。由于该光学腔的性质，在反射器界面处发生散射机制。这种散射导致能量被从CW波束耦合到CCW波束，并且反之亦然。这个耦合能够使两个波束在被称作模式锁定的现象中被拉到同一频率，这严重地限制了RLG器件的灵敏度。

在近年来，已经提出各种消除或减少RLG中的锁定的方式。一种方法使用机械抖动机构作为用于转动的DC偏置。然而，这个方法必须增加RGL的尺寸、重量和成本。

另一种方法在使用磁镜或相调制的环中引入各向异性。这种方法基于使用两个或多个反射器，所述反射器在某一被同步的机构中线性振动。还另一种方法使反射器以倾斜方式移动。为了消除来自反射器的机械运动的机械噪声，也已经提出根据量子阱镜的解决方法。然而，所有这些方法利用体积光学配置，其必须增加RLG的尺寸和成本。另外，由于尺寸增加，不同镜配置的光学对准和同步可能困难。

因此，存在对尺寸和成本减少并且也减少锁定的RLG的需要。

发明内容

本发明的实施例提供了环形激光陀螺仪，其包括用于生成第一和第二光束的主动增益介质、第一和第二光束反向传播通过的闭合光路、在闭合光路内的第一和第二可动反射镜，以及微机电系统(MEMS)致动器，MEMS致动器被耦合到第一和第二可动反射镜，以引起其各自的位移，所述位移导致第一和第二光束相对于彼此的相位调制，从而对应于虚拟转动，在第一和第二光束之间建立光程差而减小锁定。

在一个实施例中，主动增益介质包括半导体激光器。在另一个实施例中，主动增益介质包括光纤放大器。在任一实施例中，第一和第二个反射镜可以为金属的或电介质的，并且可在同一方向或相反方向移动。此外，单个MEMS致动器可以控制第一和第二反射镜两者，或者每个反射镜可以由不同MEMS致动器分开控制。

在进一步实施例中，一个或多个附加反射镜可以被放在闭合光路中，以引导所述光束。在这种实施例中，第一和第二反射镜可以为立方角反射镜。

在还进一步的实施例中，第一和第二反射镜和MEMS致动器可以被制造在绝缘体上硅(SOI)晶片上。主动增益介质可以被进一步制造在所述SOI晶片或单独的SOI晶片上。当主动增益介质被制造在单独的SOI晶片上时，闭合光路可以进一步包括耦合在两个SOI晶片之间的光纤。