标签: DDS信号源

​ 关于案例用户 凯泽斯劳滕理工大学（Technische Universität Kaiserslautern），位于德国莱茵兰-普法尔茨州，是一所国立理工科大学。该大学成立于1970年7月13日，最初是特里尔/凯泽斯劳滕兄弟大学的一部分。1975年，凯泽斯劳滕理工大学从特里尔与凯泽斯劳滕兄弟大学中分离出来，独立成为今天的凯泽斯劳滕理工大学。2003年，该大学被正式命名为Technische Universität Kaiserslautern，是一所具有强烈研究导向和国际声誉的理工科大学，提供了丰富的学习计划和科研机会。 创建量子计算机（QC）的方法有很多，凯泽斯劳滕理工大学在Rymax One合作中采用的方法就是创建一个由单个原子组成的阵列，并将这些原子作为量子位使用。然而， 其挑战在于每个原子的定位必须十分精准 。因此，凯泽斯劳滕理工大学使用了激光，并将每个原子都有效地锁定在激光束中心，如同光镊阵列一样。然而，对每个激光束的移动进行逐点编程需要大量的编程和数据。 Rymax One QC： 由凯泽斯劳滕理工大学（Technische Universität Kaiserslautern）参与的一个量子计算机开发项目，采用光学镊子将单个镱原子悬浮在真空中，使其处于里德伯态。Rymax合作专注于量子优化问题，例如最大独立集问题，以及诸如QAOA或量子退火等算法来寻找解决方案。这使他们能够为“模拟”量子计算创建优化的硬件。该设计的一个关键点是动态控制紫外激光的光，这需要对不同的射频信号进行完全控制。 光镊阵列Optical Tweezer Array： 光镊阵列是一种基于光镊技术的先进装置，用于同时对多个微粒进行三维操纵。光镊技术自1986年由Ashkin等人发明以来，已经得到了迅速的发展。最初的光镊只能控制单个微粒，而阵列光镊的出现使得同时操纵多个微粒成为可能。该技术在生物医学、物理、化学等多个研究领域中有着广泛的应用，例如在细胞操纵、微粒组装、光学测量等领域。由于其高精度和灵活性，光镊阵列被视为一种非常有价值的工具，尤其在微纳尺度的研究中。 为此， 德思特Spectrum推出了全新的直接数字频率合成（DDS）固件选项 ，通过几个简单的命令就能控制激光的位置 。这些命令定义了开始和终止时的参数，因此避免了大量耗时的数据计算。 物理学博士 Jonas Witzenrath 表示：“该产品对推动我们的研究进展产生了巨大的影响。 全新的DDS选项不仅使我们取得了快速的进展，还能简化系统的复杂性，使我们能够更加专注于研究 。接下来，我们将通过DDS固件的动态特性对静态二维阵列中的原子进行重新排序。”此外，Jonas将使用任意波形发生器(AWG)来生成理想的紫外激光脉冲，以精确控制量子位之间的交互。” 物理学博士Jonas Witzenrath在位于德国凯泽斯劳滕理工大学的量子实验装置前 "DDS已经成为我们项目中的重要工具。此外， 我们还发现DDS灵活的特性使它还适用于实验室的其他功能 ，所以这也节省了我们购买脉冲激光和调制生成器等其它设备的费用 。为了开发DDS更多的功能，我们与德思特Spectrum展开了密切的合作。目前，我们也正在努力扩大DDS功能在实验室研究中的其他用途，使其发挥最大潜力。” 他补充到：“ 德思特Spectrum旗下的AWG卡模拟性能卓越、内存大且传输速度非常快，因此成为了量子研究的首选解决方案 。传输速度对于实验而言非常重要，因为在计算重新排列的波形并将其传输到卡上这段时间实验必须暂停。德思特Spectrum的AWG卡凭借卓越的传输速度，使其在同类产品中脱颖而出，这也是该产品在AMO/QC社群中被广泛使用的主要原因。此外，AWG卡的操作速度也尤为重要。快速AWG存在数十毫秒的固有延迟或较大的抖动问题，这会导致系统在校正和重新校正时不准确或需要更长的处理时间。DDS固件使Spectrum的AWG能够在20微秒内生成命令，得益于固有的定时，这些命令实际上是无抖动的。” 声光偏转器（红色箭头所示）将一个激光束分成多个可控的单束激光，用于捕获和持有原子 DDS是通过单个固定频率参考时钟生成任意周期正弦波的方法。该技术被广泛使用于信号生成类应用中。用户能够通过德思特Spectrum提供的DDS选项，定义每张AWG卡上的23个DDS核心。这些核心随后会被发送至硬件输出通道。用户可以对每个DDS核心（正弦波）的频率、幅度、相位、频率斜率和幅度斜率进行编程。DDS输出能够与外部触发事件或与分辨率为6.4ns的可编程定时器同步。 在DDS模式下，AWG可作为多音DDS信号的发生器。该设备内置4GB内存和快速DMA传输模式，使DDS命令的传输速度高达每秒1000万条。这种独特的能力让用户能够通过简单易用的DDS命令灵活地执行用户自定义斜率（例如S形）以及各种调制类型（例如FM和AM）。 在一个实验示例中，德思特SpectrumM4i.6631-x8 AWG卡被用于驱动一个声光偏转器（AOD）以产生一个光镊来捕获原子。AOD是通过一个约为82MHz的射频信号驱动。在当前设置中，射频信号每改变1MHz，就会使镊子沿S形频率斜坡在100μs内移动8μm以最小化加热效应。在此期间，信号的幅度将线性地改变以补偿光强度的变化。 广泛应用于量子研究：M4i.6631-x8任意波形发生器，采样速度为1.25 GS/s，分辨率为16位，双通道 ​

​ 本文将介绍德思特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。 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！ 德思特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。 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。 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。 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）， 强度 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。 这正是德思特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。 AOD的光学设置 在图1中，我们展示了使用德思特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)。 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。 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。 德思特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1MHz。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作为单独的文档提供。 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！ 德思特Spectrum16位，高达200MHz的板卡式AWG和DDS包括M4i.66系列、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。德思特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。 快速16位DAC，带基于FPGA的DDS PCIe、PXIe或以太网可选，最多24个通道 DDS频率DC至200MHz DDS命令可以以6.4ns的间隔发出 固定触发到输出延迟 输出电平±80mV至±2.5V，50Ohm 本机DDS命令：频率、幅度、相位、频率斜率、幅度斜率、等待触发、数字输出 巨大的板载内存，每4个通道可容纳5.12亿个DDS命令​