从波形输出到参数直控：AWG + DDS 实现 AOD 多光束实时控制

一、量子光电实验对高性能信号源的需求

在量子光学实验中，任意波形发生器（AWG）是连接数字控制与物理光场的重要信号平台。无论是 AOD 驱动、声光调制、光镊阵列生成，还是原子搬运与动态重排，背后都离不开高精度、可编排、可同步的射频信号输出。相比传统固定频率源，AWG 的优势在于其更高的灵活性：不仅能够生成复杂波形，还能够配合实验时序实现多通道同步输出、波形序列切换和动态过程控制，因此已成为量子实验控制系统中的核心设备之一。

但在面向 AOD 多束激光控制时，传统 AWG 的使用方式也面临明显挑战。若采用“离线生成波形点表、下载到 AWG、再输出”的方法，当载波数量增多、控制周期变短、参数更新变频繁时，数据吞吐与波形管理开销会迅速上升。尤其在光镊阵列控制、原子重排等场景中，实验往往需要同时控制多路载波的频率、幅度和相位，并在运行过程中实时调整，这对传统波形下载模式提出了很高的带宽和响应速度要求。

因此，更高效的方案并不是简单使用 DDS 替代 AWG，而是在 AWG 平台内部集成多个独立 DDS Core，构建 AWG + 多核 DDS 的信号架构。这样一来，AWG 继续承担实验系统所需的波形管理、序列编排、触发同步和多通道输出平台功能，而 DDS 则负责具体载波的实时数字合成与快速参数更新。二者结合，既保留了 AWG 的系统级控制能力，又发挥了 DDS 在频率、幅度、相位实时调节方面的高效率优势。

二、AWG + DDS 驱动 AOD实现多光束量子控制

在 AOD 驱动应用中，上述架构尤其具有价值。AWG 输出多个 DDS 载波信号，经射频放大后驱动 AOD：不同频率对应不同方向的激光偏转，不同幅度对应不同光束强度。也就是说，每一路射频载波都可以映射为一束独立可控的激光。通过调整 DDS 参数，系统可以实现多光束同时控制、光镊阵列动态调整、原子阵列移动以及激光强度快速调制。

对于光镊阵列这类典型应用，AWG + 多核 DDS 的优势更加突出。每一路 DDS Core 都可以独立设置 Frequency、Amplitude、Phase、Frequency Slope 和 Amplitude Slope。其中，频率决定光束位置，幅度决定光束强度，相位决定信号相干关系，而频率变化率与幅度变化率则支持光束的平滑移动与柔性调制。借助这种逐载波独立控制能力，系统能够同时操控多个独立激光束，构建复杂空间光场，并完成高自由度的光镊阵列生成与重排。

与传统 AWG 波形下载模式相比，这种方案的关键变化在于：控制对象从“整段波形数据”转变为“载波参数”。实验系统无需反复传输大量采样点，只需发送频率、幅度、相位及斜率等控制命令，即可由 AWG 内部的 DDS Core 实时完成信号合成与更新。这样不仅显著降低了通信与存储压力，也让多载波控制更加轻量、高效，更适合需要快速响应的量子实验场景。

如图1所示，横轴为频率轴，范围是87.5MHz至112.5MHz，采用的分辨率带宽（RBW）为1KHz。纵轴显示的是接入50Ω负载的信号功率谱。我们在90~109 MHz的频率范围内，以1 MHz步长输出了一个包含20个载波的多音信号。每个载波的频率与幅度均可独立设置，展示了多核 DDS 在多通道并行控制中的能力。

图2展示了典型的 AWG 驱动 AOD 的实验装置。激光束通过 AOD 后发生衍射，经透镜后形成多束一阶衍射光斑。

实验中应始终从较低 RF 功率开始，以避免对晶体造成损伤。对于这些衍射光束而言，载波频率的变化对应光束位置的移动，载波幅度的变化对应光束亮度的增强或减弱。若原子被俘获在光镊中心，那么调节单个载波频率，就等价于调节对应单个原子的空间位置。

图3给出了 20 载波多音信号调制后的激光一阶衍射图样。可以直观看到，多载波 RF 信号能够在空间上生成多束清晰、稳定且可独立调控的光束，这正是光镊阵列构建的基础。

图4进一步展示了一个典型的动态重排过程。实验初始，系统输出20个载波，对应20个光镊。约 3s后，其中9个未装载原子的光镊所对应的载波被关闭，剩余载波则在原有频率网格上重新排列并向中心聚拢。以第2、5、6、8、12、13、15、17、20 个光镊为空为例，可以直接关闭对应载波；随后，将仍承载原子的光镊通过S型调制曲线进行平滑移动和重排，形成更紧凑的原子阵列。

这种平滑的S型重排方式能够有效降低原子搬运过程中的加热效应，减少非绝热扰动，从而提高中性原子量子计算中阵列重排的稳定性、成功率和整体效率。

横轴表示频率范围，从 87.5 MHz 到 112.5 MHz；纵轴表示时间变化，从顶部的 0 秒 到底部的 15 秒。颜色表示对应频率点处的功率密度大小（蓝色表示较低功率；黄色表示较高功率）因此，图中的黄色线条对应射频信号中的各个载波（carrier）。

从系统实现角度看，多核 DDS AWG 与 AOD 的结合，本质上是将复杂光场控制问题转化为一组可实时更新的 RF 参数控制问题。它既保留了 AWG 的灵活性，又发挥了 DDS 在实时合成、多载波控制和低带宽命令更新方面的优势，为量子光学实验提供了一种更高效、更可扩展的信号生成方案。

三、德思特量子光电信号源解决方案

1，高速任意波形发生器

主要优势：

 10 GS/s 最大采样率

 16 bit 高分辨率

 3.9 GHz 模拟带宽

 多通道同步输出

 大容量板载存储

 支持 FPGA/FIFO 高速数据流模式

2.DDS 64 多音信号选件

四、结语

量子技术的发展正在推动实验设备向更高精度、更高速率以及更强灵活性方向发展。

作为专业信号生成与测试测量解决方案提供商，德思特持续关注量子光电领域的发展需求，通过高速 AWG 与 DDS 多音控制技术，为科研人员提供从信号生成到光场控制的一体化解决方案。