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 他们的研究以片上和光纤器件为中心，重点关注光环形谐振器，即光纤环路。这些环路内部装有电光调制器（EOM），用于调节谐振器中的光谱信息。这种设置使研究人员能够改变或偏移光纤内部光的频率，从而自由地设计不同谐振器的光谱运动。
他们的最终目标是使光像物质一样运作。光纤研究的一个重要组成部分是…… 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。
面临挑战
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。
维持两个谐振腔的耦合状态以形成光子分子，需要亚波长级的长度精度，而传统的稳定方法难以实现这一点。即使腔长存在微小的偏差，例如 150 nm，也可能破坏耦合，阻碍杂化超模的形成和长期稳定性。对于单个环形谐振腔，研究人员使用了 Moku 系统。 激光锁频/稳频器 实施 庞德-德雷弗-霍尔 (PDH) 反馈技巧。
虽然这种方法适用于单个谐振腔，但研究人员需要为两个耦合谐振腔实现一种新型的稳定技术。他们必须实现级联的高级PID控制器，同时还要能够查看并精确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才能使他们的实验顺利进行。
“我们想要一个像瑞士军刀一样的工具箱，因为对于一个新建的实验室来说，为各种不同的用途购买单独的仪器似乎并不划算，”Sashank说道。他们表示，能够将功能多样、可重新配置的仪器与现有的实验室设备配合使用，比使用多个独立的仪器效率要高得多。“如何对电磁场探测器（EOM）进行编程以产生合适的信号？如何足够快速地测量这些数据？以及如何在一个交钥匙系统中同步所有测量数据？”Sashank说道。“我们一直在使用Moku:Pro和 Moku:Go ——它们真的非常非常有用。”虽然团队可以使用其他测试设备，例如 Red Pitaya STEMlab，但他们需要一种噪声更低、带宽更高、位分辨率更好的解决方案来实现他们的研究目标，而 Moku 正是理想之选。Moku 还提供了一些额外的内置功能，例如……，这些功能最终促成了 Moku 的诞生。 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
由物理系本科生德鲁夫（Dhruv）领导的研究团队引入了一种新型反馈信号，该信号结合了传输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非对称零点。为了微调这种方法，该团队使用了一种…… 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。数字滤波器盒包含一个8阶低通巴特沃斯滤波器，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，从而获得所需的精确光谱响应。Avik、Dhruv 和 Sashank 利用级联 PID 控制器和数字滤波器盒在多仪器模式下实现的高阶导数反馈方法，通过从透射光谱的一阶和二阶导数导出的反馈信号，实现了腔长均衡。
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 和 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透射率。
仅使用传输线的一阶导数不足以保持腔体的稳定耦合，因此需要更高阶的导数PID控制。借助Moku，实验室的本科生也能立即使用先进的研究设备。他们可以使用这套仪器来跟踪、监测和分析信号的变化。一些技术细节，例如锁箱的各个部件，通常难以向学生解释，但应用程序中显示的信号路径使得实验概念的演示变得简单易懂。“总而言之，它对我们来说是一个非常非常实用的工具，尤其是在我们刚成立新实验室的时候，”Avik说道。
结语
这项新的反馈技术帮助 Avik、Dhruv 和 Sashank 克服了锁定耦合光纤腔的诸多挑战，同时还利用了可重构的测试仪器。借助 Moku，研究人员可以使用一个灵活的数字化测试系统，该系统能够轻松进行实验调整、分析和生成信号，并实现快速的测试自动化。未来，该团队计划使用…… 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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