【应用案例】柏林洪堡大学使用 Moku:Pro 提高光学时钟性能

▍介绍            

柏林洪堡大学是德国著名的公立大学，在支持前沿科学研究方面有着悠久的历史。 这所大学与物理学领域无数的重大突破息息相关，其令人印象深刻的校友名单中就包括阿尔伯特·爱因斯坦。

朱利安·克鲁格，集成量子传感器联合实验室 (www.iqs.berlin) 的博士候选人正在努力扩大该大学的突破性研究遗产。 朱利安正在开发时间和频率基准，也称为光学时钟。 他与世界著名的费迪南德-布劳恩研究所密切合作，该研究所也位于柏林的应用型研究中心，开发并提供具有所需特定性能的激光光源。 在德国航天局 (DLR) 资助的一个研究项目中，朱利安希望创建用于空间应用的移动光学时钟和用于全球定位服务的全球导航卫星系统 (GNSS)。 稳定的可搬运光钟的发展为推进太空导航提供了令人兴奋的新机遇，同时支持电信等关键地面应用。

为了进行这项开创性的研究，朱利安利用了 Moku:Pro （图1）。 这种基于 FPGA 的先进测试设备提供超过 12 种软件定义的仪器——从常见的工作台必需品到特定的必备仪器——甚至可以简化最高程度的实验实验室设置。 使用两台配备了激光锁频/稳频器, 数字滤波器, 锁相放大器及PID控制器等功能，朱利安通过在各种稳定装置中使用精密仪器来推进他的研究。

图1：带有锁相放大器仪器显示屏的 Moku:Pro 设备

▍挑战 

起初，朱利安和他的团队采用了模拟的自制锁定电子设备，这是激光锁定的常见方法。 虽然这种方法可能有效，但很容易出现多种问题，导致进展困难。 例如，如果实验室中的温度发生轻微变化，时钟信号就会发生变化，从而干扰锁定。

此外，模拟系统配置复杂且难以调整。 精确的设置花费了团队宝贵的时间导致他们的大量测试无法自动化。 所有经过计算、细致的测试都必须手工完成——这是一个繁琐的过程，需要大量的人工干预。 如果他们想要进行重复测试，团队必须一遍又一遍地设置实验，同时亲自记录数据。

▍解决方案 

从手动方法切换到 Moku:Pro 后，朱利安和他的团队凭借无缝、准确地自动化测试和记录数据的新能力，节省了大量时间并加快了研究速度。 Moku:Pro 可以对信号进行数字解调并生成正确的频率边带，在温度设置点方面没有任何问题。 最重要的是，现在一切操作都由方便、可移动的 iPad设备控制。

此外，经过一整年的手动方法故障排除，朱利安和他的团队无法确定提高时钟稳定性的最佳方法。 一旦他们发现问题是模拟组件中的直流噪声，在其数字信号链中切换到 Moku:Pro 就完全解决了问题，此外，它还改善了与温度相关的问题。 他们更改了模拟设置，改为启用 Moku:Pro 仪器 多仪器并行模式 （图2）。 他们首先利用数字滤波器盒仪器滤除光学时钟中的噪声，然后将信号输入两个激光锁盒仪器（图 3）以生成稳定的信号。

图 2：Moku:Pro 激光稳定系统的多仪器模式设置

图 3：Moku:Pro 锁频套件设置显示原子钟转换的数字解调响应

切换到 Moku:Pro 后，朱利安的团队变得更加高效，因为他们可以通过以下方式以编程方式访问 Moku 仪器： APIs 以减少重复的手动测试，利用 Python 来控制 Moku:Pro、自动化测试并与软件定义的仪器完全连接。 通过多仪器模式，团队自动化了整个测试设置，而不再仅仅使用单个仪器。

“多仪器模式为我们提供了真正需要的灵活性，”朱利安说。 “我们不必再摆弄电缆了！”

在使用多仪器模式下的 Moku:Pro 锁定放大器和 PID 控制器仪器后，朱利安注意到系统稳定性得到了一个数量级的提高。 该团队还使用 Moku:Pro 波形发生器来生成精确的调制频率。，这项技术使朱利安能够进行调频光谱（也称为双光子光谱）来进一步开展他的实验。

▍结果

由于 Moku:Pro 包含高精度、高效的稳定器，可以抵抗温度变化，因此它在几秒钟内解决了困扰朱利安长达一年的主要问题。 此外，团队还对使用 iPad 控制 Moku:Pro 的选项表示赞扬，这项功能使得他们可以方便地移动到实验室的任何地方来记录数据，从而将他们从实验室工作台上解放出来，观察实验并查看测试结果。

“Moku 正是我们想要的，”朱利安说。

朱利安计划继续使用 Moku:Pro 来推进他的实验，其中一个设备连续执行频率稳定，另一个设备则浮动，这样实验室成员就可以在多仪器模式下使用数字滤波器盒、锁相放大器和频谱分析仪等仪器功能来分析噪声。

考虑到当前实验的成功以及 Moku 平台提供的成本效益和多功能仪器，该实验室计划购买第三台 Moku:Pro 来专注于残余幅度调制稳定性。这将满足他们对两个 PID 控制器和两个锁定放大器的需求，以继续他们的研究，该团队的目标是改造深空和实验室内使用的光学时钟。