现代量子光学应用——例如单光子产生、量子存储接口和远距离光量子通信——对光带通滤波提出了严格的要求。特别是，通过相干微波-光转换连接微波和光频是分布式量子技术和实现异构量子系统的基石。例如，由超导量子比特[1]产生的巡游单微波光子和由纳米结构光机械晶体（OMC）[2]产生的单声子必须上转换到电信波长，才能利用光纤的低衰减进行远距离传输。
图 1. 交错激光锁定和信号测量过程中入射到谐振腔上的时序光波形。待测信号和高强度参考激光交替进入谐振腔。（注：为便于观察，待测信号的幅度被放大；其实际功率极低。）
在这些系统中，谐振频率与目标波长精确匹配的光学谐振腔能够实现高选择性窄带滤波，是高保真量子信号检测不可或缺的器件。其关键作用在于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分离。由于单光子信号功率比背景光低几个数量级，因此在抑制非谐振泵浦泄漏的同时最大化传输效率对于获得高信噪比（SNR）至关重要。
然而，光学谐振腔本身极易受到环境干扰，例如热漂移和声/机械振动，导致其谐振频率随时间漂移，从而降低滤波性能。因此，需要采用主动反馈控制技术——例如 Pound-Drever-Hall (PDH) 锁定或抖动锁定——来动态校正谐振腔长度漂移，并持续维持目标谐振条件。
这就引入了一个根本性的实验矛盾：腔锁定需要向腔内注入相对较强的参考激光，并测量反射信号以产生高信噪比的误差信号，而量子测量阶段则需要超安静的暗背景。如果参考激光与单光子信号共存，其散射光会使灵敏的单光子探测器（SPD）饱和，并完全淹没待测的微弱量子信号。
因此，将腔体稳定过程与量子测量窗口在时间上解耦至关重要。准二维光学微腔[2]和电光换能器[1]等平台已采用“加载-转换”等脉冲协议来维持超低噪声运行。在这些架构中，稳定的级联法布里-珀罗滤波腔必须持续提供高精度滤波，以抑制强烈的泵浦泄漏。通过交错稳定策略，可以在量子态转换和检测期间熄灭参考光，同时保持滤波腔锁定在谐振状态。这可以同时保持腔体的稳定性和单光子检测灵敏度。
该问题
为了解决高强度锁定激光与单光子探测所需的暗背景之间的根本冲突，该系统采用了一种时分复用（TDM）交错锁定策略。该方法将操作周期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到谐振腔中以更新反馈控制。随后，参考光被熄灭，仅允许微弱的量子信号在随后的暗测量窗口期间进入稳定的谐振腔。
图 1 展示了腔体接收到的光强随时间的变化。该实验采用交错式光信号路由，待测信号 (SUT) 和高强度参考激光 (Ref. Laser) 交替进入腔体。为了便于观察，图 1 中待测信号（红色曲线）的幅度被放大。在实际应用中，量子信号非常微弱（通常在单光子水平），比强参考激光弱几个数量级。当待测信号处于激活状态时，参考激光关闭，微弱的光信号进入腔体进行窄带滤波，然后再进行检测、采集和分析。在此期间，强参考激光被阻挡在光路之外，防止背景散射干扰微弱的信号。当高强度参考激光重新进入腔体时，反馈控制回路重新激活，利用参考光生成腔体锁定所需的误差信号。然后，控制器调节腔体压电致动器，使腔体谐振频率与参考激光波长持续对准。当参考激光器熄灭且路径切换回待测信号时，反馈控制进入保持状态，使谐振腔在整个测量窗口内保持接近谐振状态。因此，通过周期性锁定参考激光器和交错信号测量，可以在保持谐振腔稳定性的同时实现低背景光信号检测。
然而，传统的模拟比例-积分-微分 (PID) 控制器与周期性门控信号存在根本性的不兼容性。实验评估表明，当参考激光器在测量窗口期间熄灭时，模拟控制器会将模拟电路的缺陷（例如直流电偏移和电压噪声波动）错误地识别为持续的频率误差。这会导致积分项持续累积，即积分器饱和。因此，控制器会以错误的负反馈过补偿驱动压电致动器，导致谐振腔无法保持其锁定位置，并使后续测量窗口不稳定。因此，必须使用数字 PID 控制器来提供精确的数字 0 V 门控截断和无漂移的反馈输出保持。
此外，稳定阶段和测量阶段之间的切换频率必须经过仔细优化。如果保持窗口过长，系统无法及时补偿高频机械振动和热漂移，导致锁定性能逐渐下降。因此，该系统需要高速光路由和能够识别门状态的专用反馈控制器。
解决方案
为避免积分器饱和，本研究采用跟踪保持型PID架构。控制器接收与光门控同步的使能信号，并自动在跟踪模式和保持模式之间切换：
- 跟踪阶段（门控开启）：参考激光器开启，误差信号持续输入控制器，PID 控制器实时计算反馈电压以驱动 PZT，补偿腔长漂移。
- 保持阶段（门控关闭）：参考激光器关闭，待测信号进入谐振腔。此时，控制器冻结其控制输出，执行器保持其先前的位置，使谐振腔长度在整个暗测量窗口内基本保持不变。
该策略避免了在没有误差信号时积分累积，从而使谐振腔能够在没有参考光照射的情况下保持谐振状态。图2展示了基于Moku激光锁定盒的交错式电光信号路由和谐振腔稳定控制架构。Moku同步控制光开关和电信号路由，在被测器件（SUT）测量模式和参考激光锁定模式之间切换。
当开关控制信号为高电平时，系统进入被测器件（SUT）测量模式。谐振腔的光输入切换到SUT，透射的滤波光信号被检测并转换为电信号，然后送至信号分析仪进行测量。同时，反馈控制回路进入保持状态，冻结电流反馈输出，以防止在量子信号测量过程中，执行器调整干扰谐振腔的谐振。
当开关控制信号为低电平时，系统切换至参考激光锁定模式。高强度参考激光被导入谐振腔进行反馈控制。反射响应被反馈至Moku激光锁定盒，该锁定盒生成误差信号并执行反馈控制，从而持续将谐振腔谐振频率锁定在参考激光波长上。通过同步光电开关，系统实现了“参考激光锁定—反馈保持—信号测量”的交错操作。
图2. 基于Moku激光锁定盒的交错式电光信号路由和腔体稳定架构。开关控制信号在被测信号测量模式和参考激光锁定模式之间切换。
结果
为了验证这种交错控制架构，实验装置集成了三个功能子系统：光学腔、同步门控和反馈控制。光学子系统采用法布里-珀罗腔，其中心波长与可调谐参考激光器精确匹配。参考激光器以约10 kHz的频率进行调制，以产生抖动/PDH误差信号，用于反馈锁定。
图3展示了光学腔系统。整个光学装置搭建在光学面包板上。从输入光纤发出的光进入与模式匹配透镜同轴安装的光纤准直器，二者的轴向间距可调，以实现高精度的空间模式匹配。光束经高反射率偏转镜引导进入法布里-珀罗腔。腔长由压电致动器进行精细调节，以实现闭环波长跟踪和保持。透射光束经第二个偏转镜反射，并由对称模式匹配透镜和同轴光纤输出准直器收集，最终被送至单光子探测器和光电探测器。
图3. 光学腔实验平台的物理装置
在控制子系统中，保持逻辑和门控控制器模块均由 Moku 生成。 GenInst Studio 与 Moku 一同部署 激光锁频/稳频器这些定制模块提供同步触发信号，同时控制光开关状态和频率跟踪保持模式，以保证光路由和反馈控制之间的严格同步。
为了隔离并验证控制器保持策略的有效性，测试期间参考激光器持续运行，仅对输入到频率锁定控制器的电子误差信号进行门控。这样可以直接评估控制器在保持模式下维持腔体稳定性的能力，而无需改变光路。
在保持期间，光电探测器监测腔体透射信号以分析频率漂移。如果在整个保持期间透射信号始终保持在谐振峰值附近，则表明冻结电压足以维持腔体锁定。
图 4 展示了 Moku 激光锁定盒采集的时域波形，表征了锁定保持实验中触发控制暂停期间腔体的动态响应。顶部波形显示腔体透射信号，中间波形为触发信号，底部波形为相应的反馈控制信号。
图 4. 激光锁定保持测试期间腔体动态响应的示波器时域波形。上图：腔体透射率；中图：触发信号；下图：反馈控制信号。
当触发信号变为高电平且反馈控制暂停时，谐振腔不会立即出现明显的漂移。在保持阶段的最初几秒内，传输保持稳定，表明谐振腔仅凭冻结的反馈输出即可维持接近谐振的状态。随着保持时间的延长，诸如机械振动和热漂移等未补偿的干扰会逐渐累积，导致谐振腔逐渐偏离谐振状态，传输强度也随之下降。
当触发信号恢复为低电平时，反馈控制回路立即恢复主动控制，调节执行器以补偿累积的腔体漂移，并将谐振频率重新对准激光波长。发射功率迅速恢复到初始高水平，验证了反馈锁定能够可靠地恢复谐振频率。
实验结果表明，采用Moku激光锁定盒的交错式稳定架构成功解决了连续光学腔锁定与低噪声单光子探测之间的根本冲突。通过将光学门控与控制器的跟踪保持状态同步，该系统在保持滤波腔长期谐振稳定性的同时，提供了一个暗测量窗口。
无需改变光学硬件，该方法即可应用于级联滤波和量子转换系统，为使用 Moku 验证量子网络应用中此类交错控制方案的可行性提供了明确的实验参考。
致谢
我们衷心感谢中国科学技术大学邹长凌教授及其团队的邹嘉华教授慷慨提供光学系统并进行实验验证。邹嘉华教授指出，Moku全数字信号处理平台为激光锁定保持实验提供了强大而有效的支持，实现了稳定可靠的交错锁定控制。此外，他还强调，Liquid Instruments提供的生成式仪器（GenInst）功能，能够直接从自然语言提示编译可部署的FPGA比特流，显著加快了自定义功能的开发速度，并减少了对传统FPGA硬件描述语言的依赖。
案例
[1] Werner, T. 等人。“巡游 Fock 态的电光转换。” arXiv 预印本 arXiv:2602.00928 (2026)。 https://arxiv.org/abs/2602.00928
[2] Chen, L. 等人。“用于量子网络的低噪声光机械单声子-光子转换。”自然通讯 17, 1187 (2026)。 https://doi.org/10.1038/s41467-025-67956-2