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DDS信号源如何对声光调制器AOM或偏转器AOD进行控制

article 2024/12/21 9:41:40

本文将介绍TS-Spectrum为量子研究开发的DDS（直接数字合成）功能，并将其应用于声光调制器/偏转器（AOM/AOD）的控制。DDS功能能够直接生成多载波信号，每个载波都具有精确的频率、幅度和相位，从而实现对激光束数量、位置和强度的精确控制。这种功能对于量子研究中的原子操控、量子计算等领域具有重要意义。

一、引言

任意波形发生器 (AWG) 是量子研究中可用的最强大和最灵活的信号源之一。AWG可以在发生器的带宽和波形内存长度内生成几乎无限数量的波形。一旦拥有了AWG，就需要将其填充有用的波形。传统上，波形是使用数字化仪记录或使用应用程序软件生成并发送到AWG的。新的DDS选项改变了这种模式！

TS-Spectrum在2024年为其16位AWG系列推出了一种新的直接数字合成器 (DDS) 选项。DDS是一种从单个固定频率参考时钟生成周期波形的方法。德思特 Spectrum用于AWG的DDS选项使用多个“DDS内核 ”生成多载波（多音调）信号，每个载波都有明确的频率、振幅和相位。

DDS选项极大地减少了在单个输出通道上生成一个或多个正弦波所需的复杂性和数据点数量。DDS选项是与量子研究人员直接合作开发的，特别是与Rymax One联盟的团队，以满足现代量子研究的需求。在本应用说明书中，我们将重点介绍如何使用全新的DDS选项进行量子研究项目。

二、驱动声光偏转器/调制器 (AOD/AOM)

声光调制器 (AOM) 或偏转器 (AOD) 广泛用于动态控制激光光的频率（波长）、幅度和角度（位置）。它们通常由一个与压电换能器（执行器）和吸收器接触的晶体组成。压电换能器由放大射频信号（通常在10MHz到1GHz范围内）驱动。执行器在晶体中产生压力波，导致晶体的局部折射率周期性变化。

三、衍射

来自光源的光（通常是激光）在晶体晶格上发生布拉格衍射，导致多个衍射级次和光束。每个光束都以角度𝜃𝐵衍射，满足布拉格条件：sin 𝜃𝐵 = 𝑚 𝜆 / (2Λ)。其中𝑚 =. . . , −2, −1,0, +1, +2, … 代表衍射级次，𝜆是光在真空中的波长，Λ是声波波长。注意，𝑚 = 0 级次没有被衍射，而是沿着相同方向继续传播。

四、频率

由于晶体中的声波从驱动器传播到吸收器，从波中衍射的光会经历多普勒频移（或者说吸收了一个或多个声子），其最终频率 (𝑓𝑚) 由下式给出：𝑓𝑚 = 𝑓0 + 𝑚𝐹, 其中𝑓0是入射光的频率（通常为几百THz），𝐹是声波频率，对应于耦合射频信号的频率。

五、强度

衍射效率由1级衍射光（𝐼1）与入射光量（𝐼0）的比率表征，并由下式给出：𝐼1/𝐼0 = sin2 (𝜋 / 2 √𝑃/𝑃0)。其中𝑃是射频信号功率，𝑃0是效率参数，取决于射频信号功率如何耦合到晶体和最终的光。

六、完全控制激光光束

以1阶衍射光束为例，射频信号可以控制激光束的角度（经过透镜后对应于位置）以及光的频率和强度。这些特性使得对射频信号源的控制成为控制激光的重要组成部分。这正是TS-Spectrum的AWG（如M4i.66xx-x8系列）发挥作用的地方。特别是与新的DDS选件结合使用时，这些设备是产生所需射频信号以控制AOM/AOD的理想工具。

七、AOD的光学设置

在图1中，我们展示了使用TS-Spectrum AWG控制声光调制器 (AOD) 的一个可能设置。AWG输出的射频信号（约100MHz）首先通过Mini Circuits的5W放大器 (ZHL-5W-1)，然后进入射频耦合器 (ZDC-20-1+)。耦合器将信号的一部分（约衰减 20dB）发送到频谱分析仪 (Siglent SSA 3075X-R)，而主输出则连接到 AOD。从光纤输出的低功率激光束经过偏振分束立方体 (PBS) 后，进入AOD。AOD输出的+1级衍射光束可以送往相机或白屏进行成像。

图 1：控制AOD的光学平台设置。左上角是一个安装在PCIe卡槽中的德思特SpectrumAWG M4i.6622-x8。中间是一个MiniCircuits的射频放大器 (ZHL-5W-1)。右下角是一个AA Opto Electronic的AOD (DTSX-400系列)。

八、编程AWG - DDS选项

德思特Spectrum的网站或GitHub存储库（仅限 Python）上提供了大量针对不同编程语言的示例。如有需要，请联系德思特获取新的Python包。要使用Python包，请从阅读GitHub上的教程开始，该教程解释了安装和基本用法。在这里，我们将使用DDS固件选项，有关DDS专用示例，请参阅GitHub上的dds-examples文件夹。

我们将假设已初始化Card对象并将其存储在变量card中，所需通道已启用，Channels对象已初始化并存储在变量channels中。生成单个载波的代码如下：

代码1：单一载波，幅度为满量程的50%，频率为10MHz。

当AWG卡接收到触发信号时，这段代码会生成一个频率为10 MHz、振幅为全范围50%的正弦波。生成的信号如图2所示，使用频谱分析仪显示（输出范围设置为±1000 mV）。

图 2：使用AWG上的DDS固件生成的单个10 MHz，-2 dBm载波信号的频谱。

九、多载波信号

对于AOD来说，DDS固件的多载波功能尤其有用。当前固件使用户能够在单通道上定义多达20个载波。每个正弦波都会在晶体中产生一定波长的运行密度波。每个运行波都会对光线产生衍射光栅的作用，从而产生多种衍射图样。如果我们专注于1级衍射图案，则AOD将创建20个具有不同角度和强度的光束，每个光束都由上述方程式定义。因此，当我们控制各个载波信号的频率和幅度时，我们能够完全控制每个激光束的位置（角度）和强度。图3显示了此系统的示意图。

图3：一个典型的AWG驱动AOM/AOD的设置，用于生成N个频率的光束。激光束经过AOM衍射，产生N个光束。

TS-Spectrum AWG (M4i.66xx系列)生成一个包含20个音调的信号，用户可以完全控制每个音调的频率和幅度。该信号经过射频放大器（例如MiniCircuits ZHL-5W-1）放大后，发送到AOD（例如AA Opto Electronic DTSX-400系列）。穿过AOD的激光发生衍射，在第一级衍射中，现在有N个光束，用户可以完全控制每个光束的角度和强度。

使用Python软件包spcm，20个载波的编程非常简单。在下面的代码片段中，我们将展示这些音调是如何编程的。与之前一样，我们用card对象和Channels对象初始化一个 DDS对象。然后重置DDS固件。使用NumPy和Pint单元包，我们创建了一个数组，其中包含从90到109MHz的数值，步长为1 MHz。然后，我们循环使用所有DDS核心（1个有效输出通道的情况下为 20个），并设置每个通道的振幅和频率。

代码2：20个载波，频率范围为90至109 MHz，以1 MHz为步进单位。

生成的电信号如图4所示。图4展示了20个音调、频率从90 MHz到109 MHz（步长为1 MHz）的多载波信号的能量频谱。该图来自我们的频谱分析仪。横轴是频率轴，范围从87.5 MHz到112.5 MHz，记录分辨带宽（RBW）为1 kHz。纵轴是信号在50欧姆负载上的功率频谱。我们可以看到，共有20个载波。

图4. 频率从90 MHz到109 MHz（步长为1 MHz）的20个音调多载波信号的能量频谱。

当将此信号（请始终从非常低的功率开始，以免损坏晶体）发送到AOD时，穿过晶体的激光束会被衍射，衍射后的第一级衍射图案在透镜之后如图5所示。这些光束中的每一个都可以移动（改变载波频率）和/或变亮或变暗（改变载波振幅）。例如，如果原子被困在这些光束的中心，改变单个载波的频率会使原子移动。

图5. 显示激光第一级衍射图案的屏幕相机图像。激光通过一个AOD，该AOD接收到一个包含20个载波的多音信号。

图6展示了改变射频信号载波频率的一个例子。图像显示了随时间变化的功率密度图（实时频谱分析）。图的顶部部分对应于 t = 0 秒时的信号，底部对应于 15 秒后的信号。我们从 20 个载波开始，大约 3 秒后关闭了 9 个载波，并将剩余的载波在原始频率网格上移动到一起。此过程对中性原子量子计算机非常有用，因为每个载波都对应一个光镊。想象一下，在加载原子之后，光镊 2、5、6、8、12、13、15、17、20 是空的。我们可以关闭这些载波（线条停止），并使用 S 形坡道将包含原子（1、3、4、7、9、10、11、14、16、18、19）的光镊移动到一起，以最小化原子移动造成的加热。

图6. 多载波信号在实时频谱分析仪（RTSA）上的功率密度频谱。横轴对应于87.5 MHz到112.5 MHz的频率，纵轴对应于从0秒（顶部）到15秒（底部）的时间。颜色刻度对应于特定频率的功率密度，其中蓝色对应于低功率，黄色对应于高功率。因此，黄色线条对应于载波。用于生成上述图像的完整代码片段可单独提供

十、总结

新的DDS固件选项针对量子研究领域的典型用途进行了定制，但不仅限于该领域。在本文中，我们研究了DDS固件的一个特定用途：控制AOM。DDS选项使用户能够直接控制激光束的数量（载波数量）、位置（载波频率）和强度（载波幅度），利用射频信号载波与衍射激光束之间的直接连接。此外，DDS选项具有内置的线性动态行为，允许用户编程频率和幅度的非常精确的变化。总的来说，新的DDS选项是现代量子研究人员工具箱的理想工具！

十一、TS-Spectrum16位，高达200MHz的板卡式AWG和DDS

TS-Spectrum16位，高达200MHz的板卡式AWG和DDS包括M4i.96xx系列、M4x.96xx系列、DN2.96xx和DN6.96xx系列，TS-96xx系列DDS发生器在速度和分辨率方面均具有极高性能。该系列包括1到24个同步通道的产品。TS-Spectrum的AWG平台上实现的DDS功能基于添加多个“DDS核心”以生成多载波（多音）信号的原理，每个载波都有自己明确定义的频率、幅度和相位。除了这些静态参数外，还有内置动态参数，如频率斜率和幅度斜率，以允许多个核心进行内在的线性变化。