01 量子光电实验对高性能信号源的需求在量子光学实验中任意波形发生器AWG是连接数字控制与物理光场的重要信号平台。无论是 AOD 驱动、声光调制、光镊阵列生成还是原子搬运与动态重排背后都离不开高精度、可编排、可同步的射频信号输出。相比传统固定频率源AWG 的优势在于其更高的灵活性不仅能够生成复杂波形还能够配合实验时序实现多通道同步输出、波形序列切换和动态过程控制因此已成为量子实验控制系统中的核心设备之一。但在面向 AOD 多束激光控制时传统 AWG 的使用方式也面临明显挑战。若采用“离线生成波形点表、下载到 AWG、再输出”的方法当载波数量增多、控制周期变短、参数更新变频繁时数据吞吐与波形管理开销会迅速上升。尤其在光镊阵列控制、原子重排等场景中实验往往需要同时控制多路载波的频率、幅度和相位并在运行过程中实时调整这对传统波形下载模式提出了很高的带宽和响应速度要求。因此更高效的方案并不是简单使用 DDS 替代 AWG而是在 AWG 平台内部集成多个独立 DDS Core构建 AWG 多核 DDS 的信号架构。这样一来AWG 继续承担实验系统所需的波形管理、序列编排、触发同步和多通道输出平台功能而 DDS 则负责具体载波的实时数字合成与快速参数更新。二者结合既保留了 AWG 的系统级控制能力又发挥了 DDS 在频率、幅度、相位实时调节方面的高效率优势。02 AWG DDS 驱动 AOD实现多光束量子控制在 AOD 驱动应用中上述架构尤其具有价值。AWG 输出多个 DDS 载波信号经射频放大后驱动 AOD不同频率对应不同方向的激光偏转不同幅度对应不同光束强度。也就是说每一路射频载波都可以映射为一束独立可控的激光。通过调整 DDS 参数系统可以实现多光束同时控制、光镊阵列动态调整、原子阵列移动以及激光强度快速调制。对于光镊阵列这类典型应用AWG 多核 DDS 的优势更加突出。每一路 DDS Core 都可以独立设置 Frequency、Amplitude、Phase、Frequency Slope 和 Amplitude Slope。其中频率决定光束位置幅度决定光束强度相位决定信号相干关系而频率变化率与幅度变化率则支持光束的平滑移动与柔性调制。借助这种逐载波独立控制能力系统能够同时操控多个独立激光束构建复杂空间光场并完成高自由度的光镊阵列生成与重排。与传统 AWG 波形下载模式相比这种方案的关键变化在于控制对象从“整段波形数据”转变为“载波参数”。实验系统无需反复传输大量采样点只需发送频率、幅度、相位及斜率等控制命令即可由 AWG 内部的 DDS Core 实时完成信号合成与更新。这样不仅显著降低了通信与存储压力也让多载波控制更加轻量、高效更适合需要快速响应的量子实验场景。如图1所示横轴为频率轴范围是87.5MHz至112.5MHz采用的分辨率带宽RBW为1KHz。纵轴显示的是接入50Ω负载的信号功率谱。我们在90~109 MHz的频率范围内以1 MHz步长输出了一个包含20个载波的多音信号。每个载波的频率与幅度均可独立设置展示了多核 DDS 在多通道并行控制中的能力。图1 20个不同频率载波的多音信号频谱图图2展示了典型的 AWG 驱动 AOD 的实验装置。激光束通过 AOD 后发生衍射经透镜后形成多束一阶衍射光斑。图2 支持N个频率驱动AOM/AOD的AWG典型装置-激光束经AOD衍射后生成N束光束实验中应始终从较低 RF 功率开始以避免对晶体造成损伤。对于这些衍射光束而言载波频率的变化对应光束位置的移动载波幅度的变化对应光束亮度的增强或减弱。若原子被俘获在光镊中心那么调节单个载波频率就等价于调节对应单个原子的空间位置。图3给出了20 载波多音信号调制后的激光一阶衍射图样。可以直观看到多载波 RF 信号能够在空间上生成多束清晰、稳定且可独立调控的光束这正是光镊阵列构建的基础。图3 经20个载波的多音信号调制后的激光一阶衍射图样相机拍摄的屏幕画面图4进一步展示了一个典型的动态重排过程。实验初始系统输出20个载波对应20个光镊。约 3s后其中9个未装载原子的光镊所对应的载波被关闭剩余载波则在原有频率网格上重新排列并向中心聚拢。以第2、5、6、8、12、13、15、17、20 个光镊为空为例可以直接关闭对应载波随后将仍承载原子的光镊通过S型调制曲线进行平滑移动和重排形成更紧凑的原子阵列。这种平滑的S型重排方式能够有效降低原子搬运过程中的加热效应减少非绝热扰动从而提高中性原子量子计算中阵列重排的稳定性、成功率和整体效率。图4 实时频谱分析仪RTSA测得的多载波信号功率密度谱横轴表示频率范围从 87.5 MHz 到 112.5 MHz纵轴表示时间变化从顶部的 0 秒 到底部的 15 秒。颜色表示对应频率点处的功率密度大小蓝色表示较低功率黄色表示较高功率因此图中的黄色线条对应射频信号中的各个载波carrier。从系统实现角度看多核 DDS AWG 与 AOD 的结合本质上是将复杂光场控制问题转化为一组可实时更新的 RF 参数控制问题。它既保留了 AWG 的灵活性又发挥了 DDS 在实时合成、多载波控制和低带宽命令更新方面的优势为量子光学实验提供了一种更高效、更可扩展的信号生成方案。03 德思特量子光电信号源解决方案高速任意波形发生器M5i.63xx-x16 系列主要优势✔10 GS/s 最大采样率✔16 bit 高分辨率✔3.9 GHz 模拟带宽✔多通道同步输出✔大容量板载存储✔支持 FPGA/FIFO 高速数据流模式DDS 64 多音信号选件在DDS模式下63xx系列AWG最多可提供高达64个DDS Core只需几条指令即可编程控制也可通过DDS CONTROL界面进行调整主要优势✔最高 64 路 DDS Core✔独立频率、幅度、相位控制✔3.2 ns 参数更新时间✔支持频率/幅度扫描✔支持外部触发同步
