了解如何使用Moku实现交错式光学谐振腔稳定，通过Moku内置PID控制器、激光锁频/稳频功能，搭建时分复用交错锁定实验系统，在维持谐振腔稳定锁定的同时避免参考光污染量子信号，为超低噪声单光子实验提供可靠的腔体稳定方案。
量子光学实验中基于Moku实现交错式光学谐振腔稳定
前言
本文关键词：量子光学、 单光子探测、 激光锁频、量子测控、FPGA开发、GenInst AI生成式仪器
在量子光学中，高精细度光学谐振腔广泛用作单光子系统的超窄带滤波器，其稳定工作依赖于主动反馈控制，以补偿机械振动和热漂移引起的共振漂移。然而，用于生成锁定误差信号的强参考激光会产生显著的背景散射，从而淹没低强度量子信号并限制单光子探测性能。为解决这一矛盾，集成光量子课题组研究人员提出一种基于跟踪-保持（Track-and-Hold）的交错式锁定方案。该方法通过在稳定阶段与测量阶段之间切换，并在暗测量窗口期间采用控制器输出保持固定反馈致动器位置，在维持谐振腔稳定锁定的同时避免参考光污染量子信号，为超低噪声单光子实验提供了可靠的腔体稳定方案。
实验系统中，Moku:Pro用于同步控制光学开关、电信号路由及反馈回路，通过激光锁频/稳频、PID控制器等功能实现参考激光锁定和微弱量子信号测量的交错运行，控制谐振腔稳定。Moku集成16+仪器功能，基于可重构FPGA架构实现系统时钟同步、实时控制反馈，减少引入外部控制器与仪器数量，简化系统搭建，并支持实时优化、迭代系统参数，适用于量子光学、单光子探测及高灵敏度光谱测量等应用。通过GenInst AI仪器生成器功能，直接使用自然语言即可生成可部署的FPGA 代码，这将进一步加快定制功能的开发和验证。
应用背景
现代量子光学应用，如单光子生成、量子存储接口以及通信量子网络节点，对高性能光学带通滤波提出了极为严格的要求。尤其是通过相干微波–光波转换连接微波与光学频段，是实现分布式量子技术和构建异构量子网络的关键。例如，由超导量子比特产生的巡游单微波光子[1]，以及由纳米结构光机械晶体（Optomechanical Crystal，OMC）产生的单声子[2]，均需上转换至通信波长，以利用光纤的低损耗特性实现远距离传输。
在这些系统中，中心波长精确匹配目标波长的光学谐振腔能够提供高选择性的窄带滤波，是实现高保真量子信号检测的重要器件。其作用尤其体现在将极微弱的单光子量子信号与用于光机械反斯托克斯散射或电光转换的强泵浦光有效分离。由于单光子信号功率远低于背景光，因此在保持高透射效率的同时，尽可能抑制非共振泵浦光泄漏，是获得高信噪比的关键。
然而，光学谐振腔容易受到热漂移、机械振动等环境扰动的影响，其共振频率会随时间发生偏移，导致滤波性能下降。因此，通常需要采用PDH（Pound–Drever–Hall）锁定或抖动锁定（Dither Locking）等主动反馈控制技术，实时校正腔长漂移，使谐振腔始终保持在目标共振状态。
这也带来了一个根本性的实验矛盾。腔长锁定需要向谐振腔注入相对较强的参考激光，并通过测量反射信号生成高信噪比误差信号，而量子测量阶段则要求极低的背景光。若参考激光与单光子信号同时存在，其散射光将使高灵敏度单光子探测器饱和，并完全淹没待测量的微弱量子信号。
因此，实现腔体稳定过程与量子测量窗口的时间解耦，已成为量子实验中的关键技术。在准二维 OMC [2] 和超导量子比特至通信波段光子的电光转换器[1]等平台中，普遍采用“加载–转换（load-and-convert）”等脉冲协议，以维持超低噪声运行。在此类系统中，稳定工作的级联法布里–珀罗滤波腔需要持续提供高精度滤波，以抑制泵浦光泄漏。通过交错式稳定策略，可以在量子态转换与探测期间关闭锁定光，同时保持滤波腔处于稳定共振状态，从而兼顾腔体稳定性与单光子探测灵敏度。
解决方案
时分双路复用门控控制
为解决强锁定激光与单光子测量所需暗背景之间的根本矛盾，系统采用时分复用（Time-Division Multiplexing, TDM）交错锁定策略。该方法将系统运行周期划分为稳定阶段和测量阶段：在稳定阶段，强参考激光短暂耦合至谐振腔以更新反馈控制；随后关闭参考光，在暗测量窗口期间仅允许弱量子信号进入已稳定锁定的谐振腔。
图 1 所示为谐振腔处接收到的光信号强度随时间的变化。实验采用交错式光信号控制，使待测光信号（Signal Under Test, SUT）与高强度参考激光（Ref. Laser）交替进入谐振腔。需要指出的是，图 1 中待测光信号（红色曲线）的幅度为了便于可视化展示进行了放大处理，实际应用中待测信号为微弱量子信号，其实际光功率通常很小（往往处于单光子量级），远低于高强度的参考激光。当待测信号处于激活状态时，参考激光被关闭，弱光学信号进入谐振腔并由其进行窄带滤波，滤波后的输出信号随后被探测、采集和分析。在此期间，强参考激光不参与光路，从而避免其对待测弱信号产生背景散射干扰。当高强度参考激光切换进入谐振腔时，反馈控制回路同步激活，利用参考激光产生腔体锁定所需的反馈误差信号，控制器根据误差信号调节腔体压电致动器，使谐振腔的共振波长持续对准参考激光。在参考激光被关闭并切换回待测信号后，反馈控制进入保持状态，使谐振腔在整个测量窗口内维持在接近共振的位置。由此，通过参考激光的周期性锁定与待测信号的交替测量，可以在保持谐振腔稳定性的同时，实现超低背景的光学信号测量。
然而，传统的模拟电路比例-积分-微分（PID）控制器与周期性门控信号并不兼容。过往实验测试表明，当参考激光在测量窗口被关闭后，模拟器件存在不可能避免的电信号偏置与电压噪声波动等非理想特性，这些非零的电信号会被模拟控制器误判为持续存在的频率偏差与频率抖动，导致积分项持续累积错误误差，即积分饱和（Integrator Windup）。其结果是驱动压电致动器产生错误的负反馈过度补偿，从而无法稳定保持在当前共振位置，破坏后续测量窗口的稳定性。因此，系统必须采用数字PID控制器，以提供精准的数字 0 V 截断与无漂移的反馈输出。
此外，稳定阶段与测量阶段的切换频率同样需要优化。若保持窗口过长，系统将无法及时补偿高频机械振动和热漂移，导致锁定性能逐渐退化。因此，系统不仅需要高速光路切换，还需要能够识别门控状态的锁频反馈控制器。
控制器保持
针对积分饱和问题，本文采用跟踪–保持（Track-and-Hold）PID 架构。控制器接收与光路门控同步的使能信号，在跟踪和保持两种模式之间自动切换。
跟踪阶段（Gate ON）：参考激光开启，误差信号持续输入控制器，PID 实时计算反馈电压并驱动压电致动器，补偿腔长漂移。
保持阶段（Gate OFF）：参考激光关闭，量子信号进入谐振腔。此时控制器冻结控制信号输出，压电致动器保持上一时刻的输出电压，从而在整个暗测量窗口内维持腔长近似恒定。
这种策略避免了误差信号缺失期间的积分累积，使谐振腔能够在无锁定光照射的情况下保持共振状态。图2展示了基于 Moku 激光锁频器 （Laser Lock Box） 的光电信号交错路由与谐振腔稳定控制架构。Moku 同步控制光学开关和电信号开关，从而在待测信号（SUT）测量模式与参考激光锁定模式之间切换。
当开关控制信号为高电平时，系统进入待测信号测量模式。此时，谐振腔的光学输入切换至待测光信号，经过谐振腔滤波后的光信号被探测并转换为电信号，随后由电开关路由至信号分析仪进行测量和分析。同时，反馈控制回路进入保持状态，固定当前反馈控制器输出，从而避免在待测信号测量期间对谐振腔进行调节而破坏其共振状态。
当开关控制信号为低电平时，系统切换至参考激光锁定模式。此时，高强度参考激光被路由至谐振腔，并作为反馈控制的光源。谐振腔的响应信号则被路由回 Moku Laser Lock Box，由其生成误差信号并执行反馈控制，使谐振腔的共振条件持续跟踪参考激光的波长。通过光学信号和电信号的同步切换，系统实现了“参考激光锁定—反馈保持—待测信号测量”的交错运行。
为验证该交错控制架构，实验系统集成了光学滤波、同步门控和反馈控制三个功能模块。光学滤波模块采用法布里–珀罗谐振腔，其中心波长与可调谐参考激光精确匹配。参考激光通过约10 kHz 的调制产生抖动误差信号，用于反馈锁定。
图3展示了实际构建的光学谐振腔实验装置实物图。输入端光纤出射光由光纤准直器引出，与模式匹配透镜采用同轴套件安装，前后轴向距离可调以实现高精度的空间模式匹配。光束经反射镜折转后注入法布里–珀罗谐振腔。谐振腔由压电致动器微调腔长，用于闭环频率跟踪与保持。腔体透射光束经第二面折转反射镜反射后，由对称配置的模式匹配透镜及同轴安装的光纤输出准直器高效收集，分别引导至单光子探测器与解调光电探测器。
实验装置
图 3.光学谐振腔实验平台实物装置
在控制子系统中，保持逻辑与门控模块均由 GenInst 生成，并与 Moku 激光锁频器协同运行。这些模块提供同步触发信号，同时精确调控光开关状态与锁频器的跟踪保持模式，确保了光路由与闭环反馈控制之间的的严格同步。
为了单独验证控制器保持策略的有效性，实验中保持参考激光连续工作，而仅对输入锁频控制器的电子误差信号实施门控。这样可以在不改变光学路径的情况下，直接评估控制器在保持模式下维持腔体稳定性的能力。在保持窗口期间，利用光电探测器监测谐振腔透射信号，并分析其残余频率漂移。若透射率在整个保持阶段始终保持接近共振峰值，则说明控制保持的压电致动器足以维持谐振腔处于锁定状态。
图4中展示了Moku激光锁频器采集的时域波形，用于表征激光锁定保持过程中谐振腔在触发式控制暂停期间的动态响应。上图为谐振腔透射信号，中图为触发信号，下图为相应的反馈控制信号。
图 4. 激光锁定保持实验中谐振腔动态响应的示波器时域波形。上图为谐振腔透射信号，中图为触发信号，下图为反馈控制信号。
从时域波形可以观察到，当触发信号变为高电平、反馈控制回路暂停后，谐振腔并不会立即发生明显漂移。在保持阶段开始后的zui初几秒内，透射光强仍基本保持稳定，表明谐振腔能够在短时间内依靠锁定时刻的反馈输出维持在接近共振的位置。随着保持时间进一步延长，由于机械振动、热漂移等未补偿扰动的累积，谐振腔逐渐偏离共振状态，透射光强开始持续下降。
当触发信号恢复为低电平后，反馈控制回路重新工作，并通过调节压电致动器补偿累积的腔长漂移，使谐振腔重新对准激光波长。随后，透射光强快速恢复至原来的高水平，表明反馈锁定能够有效恢复谐振状态。
总结
实验结果表明，采用Moku激光锁频器的交错式稳定架构能够有效化解光学谐振腔连续锁定与超低噪声单光子测量之间的实验冲突。通过将光路门控与控制器的跟踪–保持状态严格同步，系统既提供了无背景锁定光的暗测量窗口，又保持了滤波腔的长期共振稳定性。
由于该方案仅依赖同步门控与控制时序的数字化实现而无需改动光学硬件，不仅可灵活推广至级联法布里–珀罗滤波系统与电光微波–光波转换等平台，也为利用 Moku 验证此类交错式控制与测量方案在量子网络应用中的可行性提供了良好的实验参考。
我们谨向长期致力于量子光学与集成光学研究的邹长铃教授及其课题组的邹佳桦研究员表示诚挚感谢，感谢他们提供实验所需的光学系统并完成相关实验验证。邹佳桦研究员指出，Moku 的全数字信号处理平台为激光锁定保持实验提供了有效支持，实现了稳定可靠的交错式锁定控制。此外，他认为，Liquid Instruments 提供的生成式仪器 （Generative Instrumentation）功能通过直接根据自然语言生成可部署的 FPGA 比特流，显著加快了定制功能的开发过程，并降低了对传统 FPGA 编程语言开发的依赖。GenInst Studio 现已支持 Moku 全平台，联系星朗浩宇即可试用体验。
参考文献
[1] Werner, T., et al. "Electro-optic conversion of itinerant Fock states." arXiv preprint arXiv:2602.00928 (2026).
[2] Chen, L., et al. "Low-noise Optomechanical Single phonon-photon Conversion for Quantum Networks." Nature Communications 17, 1187 (2026).
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