艾维克·杜特，博士，助理教授， 萨尚克·考希克，博士生， 马里兰大学 物理科学与技术研究所 光子学研究 以片上和光纤设备为中心。他们的研究重点是光环谐振器或光纤环。这些环内是电光调制器 (EOM)，用于调整谐振器中的光谱信息。这种设置允许研究人员改变或改变光纤内光的频率，使他们能够自由地设计谐振器之间的不同光谱运动。他们的最终目标是让光表现得像物质一样。
他们的光纤研究的一个重要部分是 Moku:Pro这是 Liquid Instruments 的一款基于 FPGA 的测试设备，可访问一套可重构的 15 多种软件定义仪器。Moku:Pro 为团队提供了分析数据、生成 RF 信号和控制反馈系统所需的工具——所有这些都可以通过一台设备完成。
挑战
他们的实验由一对 5.6 米长的光纤谐振器组成，以形成一个光子分子。与微谐振器相比，光纤谐振器可以实现更小的自由光谱范围 (FSR) 和更高的可配置性。然而，它们更容易受到热、偏振和机械扰动的影响，因此高级稳定性对于成功至关重要。
要保持两个谐振器的耦合状态以形成光子分子，需要其长度达到亚波长精度，而传统的稳定方法很难实现这一点。即使腔长出现微小偏差（例如 150 纳米），也可能破坏耦合并阻止混合超模的形成和长期稳定性。
对于单环谐振器，研究人员使用了 Moku 激光锁频/稳频器 实施 庞德-德雷弗-霍尔 (PDH) 反馈技术。虽然这种方法适用于一个腔体，但研究人员需要为两个耦合腔体实施一种新颖的稳定技术。他们必须实施级联的先进 PID 控制器，同时能够查看和仔细调整每个控制器的频率响应。
Avik 和 Sashank 需要各种各样的测试仪器来启动和运行他们的实验。“我们希望我们的工具包中有一把瑞士军刀，因为对于一个新实验室来说，为各种不同用途购买单独的仪器似乎不是一种明智的做法，”Sashank 说。
他们说，如果能够将多功能、可重构的仪器与现有的实验室设备一起使用，那么效率将远远高于多台独立仪器。
“如何对 EOM 进行编程以产生正确的信号，如何足够快地测量这些东西，以及如何在一个交钥匙系统中同步所有测量？” Sashank 说道。“我们一直在使用 Moku:Pro 和 Moku:Go —它们非常非常有益。”
虽然该团队可以使用其他测试设备（例如 Red Pitaya STEMlab），但他们需要一种噪音更低、带宽更高、位分辨率更高的解决方案来实现他们的研究目标，而 Moku 是理想的选择。Moku 还提供了其他内置功能，帮助团队取得突破，包括访问 PID 控制器 以及激光频率稳定解决方案，全部由一台设备实现。
解决方案
由物理学本科生 Dhruv 领导的研究人员引入了一种新颖的反馈信号，该信号结合了透射光谱的一阶和二阶导数，如图 1 所示。通过将这些导数与 Moku:Pro 上数字实现的 PID 控制器相结合，他们可以创建一个定制的误差信号，该信号在所需的锁定位置具有独特的、不对称的零点。
为了完善这种方法，该团队使用了 多仪器并行模式 使用 Moku 在 Moku:Pro 中进行设置 数字滤波器 以及多个 PID 控制器仪器。数字滤波器盒包含一个低通 8 阶巴特沃斯滤波器，用于抑制噪声并优化反馈响应。PID 控制器使团队能够直接在频域中分析和调整反馈回路。这种方法使他们能够仔细调整控制器以实现所需的精确频谱响应。
通过多仪器模式下的级联 PID 控制器和数字滤波器盒实现的高阶导数反馈方法帮助 Avik、Dhruv 和 Sashank 使用来自透射光谱的一阶和二阶导数的反馈信号来均衡腔长。
图 1：(a) 实验装置包括 PID 控制回路，由 EOM、PD、SOA 和 DSP (Moku) 组成。(b) 获得的实验传输，以及随后的多 PID 方案 ((c)、(d)) 以生成误差信号来对 EOM 进行相位调制。取一阶导数后，通过 Moku 数字滤波器盒实现的低通 8 阶巴特沃斯滤波器抑制由于 EOM 调制而导致的传输波动。然后使用级联的 Moku PID 控制器调整信号。从论文中复制。
为了生成信号来驱动实验并测量结果，研究人员还级联了 Moku 示波器 以及 任意波形发生器 在多仪器模式下（图2）。更高的带宽和更清晰的线性扫描示波器数据使他们能够更清晰地观察实验中的腔体响应和激光信号，从而更好地了解环形腔的品质因数和精细度。
图 2：实验中用于驱动 EOM 的 Moku 任意波形发生器。摘自论文。
结果
级联PID技术能够长期稳定地研究光子分子中的非线性和拓扑现象，尤其适用于需要高精度、动态灵活控制的系统，例如量子模拟。研究人员实现了光子分子的鲁棒稳定性，在6.08秒的窗口内保持了0.361±14MHz的谐振频率分离，并且与未锁定状态相比漂移显著降低（图3）。使用Moku:Pro实现的反馈系统可以有效响应600nm的腔长变化，并快速恢复耦合状态。
图 3：在 14 秒内测量光子分子超模附近的传输。仅使用传输的一阶导数不足以保持腔体稳定耦合，因此需要更高阶导数的 PID 控制。
有了 Moku，在实验室工作的本科生还可以立即使用先进的研究设备。他们可以使用这套仪器来跟踪、监控和分析信号的变化。技术方面，例如锁箱的不同部分，通常很难向学生解释，但应用程序中显示信号路径可以轻松演示实验概念。
“总而言之，对于我们来说，它是一个非常多功能的工具，特别是在新的实验室中，”Avik 说。
结语
这种新的反馈技术帮助 Avik、Dhruv 和 Sashank 克服了与锁定耦合光纤腔相关的许多挑战，同时还利用了可重构测试仪器。借助 Moku，研究人员可以使用灵活的数字化测试系统，该系统可以轻松进行实验调整，能够分析和生成信号，并实现快速测试自动化。
未来，该团队打算利用 Moku API 减少手动测试并实现更多测量自动化。这种方法将帮助他们降低设置风险，同时提高可重复性。他们还想尝试使用 Moku 时间间隔与频率分析仪 同步时间事件。
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