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其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，已成为先进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，其实际光功率通常极小（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。

图 1. 交错式激光锁定与待测光信号测量过程中的谐振腔入射光强时域波形。待测光信号与高强度参考激光交替进入谐振腔。（注：图中待测光信号幅度为便于视觉对比已作放大示意，实际功率极小）。

控制器保持

实验装置

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。

图 3.光学谐振腔实验平台实物装置

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最初几秒内，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。

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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).