摘要

应用挑战

先进 PAM 系统需要对 EOM 进行精确控制来生成纳秒光学脉冲序列。在本案例中，团队成员需要对两个连续波种子激光器进行强度调制，以同步生成 1725 nm 和 1930 nm 两个波长下的纳秒脉冲。驱动电信号需要满足以下三个严苛条件才能达成此目的：

• 高度精确的时序控制

• 调制深度可调

• 长期稳定性

搭建这样的 EOM 驱动系统通常需用到多种单一功能的仪器设备，包含用于生成纳秒驱动信号的高速脉冲或任意波形发生器，独立 DC 偏置控制器来维持调制器的工作点，用于反馈控制信号读取的光电探测器，以及用于实现 PID 稳定控制的自制模拟电路。每一种仪器设备都会引入不必要的时延，额外的校准需求和互相之间同步性的挑战。此外，由于 EOM 中因温度引起的漂移与光折变效应可能导致偏置点偏移并降低光学消光比，在长时间运行下维持调制深度也颇具挑战。若缺乏主动补偿机制，两种波长之间的脉冲能量与光谱平衡将很快变得不稳定，从而削弱激光系统的可靠性能。

所以，团队亟需一款能够以高度确定时序生成 EOM 驱动信号、同步控制，又兼具信号监测和反馈控制的自定义硬件平台。以往这些都是需要多个单一功能的仪器设备来组合实现。

解决方案

团队成员使用 Moku:Pro 作为脉冲生成、同步控制与稳定偏置点的高集成度硬件平台。Moku:Pro 很好满足了这一复杂光学实验需求，既同时充当了高速波形发生器与数字反馈控制器，又兼具了测试测量精度与灵活性。实验装置示意图如图 1 所示。

图 1：可切换双波长全光纤激光系统。这里 FPGA 代表配备了多通道数模转换（ADCs）和模数转换（DACs）的Moku:Pro

根据简并四波混频（FWM）的原理，在特定通信波段的两路高功率种子脉冲可以在更长波长处产生闲频光——在本例中分别为 1725 nm 与1930 nm。两台中心波长为 1563.23 nm 和 1549.50 nm 的连续波种子激光器分别通过独立的电光调制器（EOM）进行强度调制；这个调制过程设定了进入高非线性光纤（HNLF）的种子脉冲重复频率、脉宽以及峰值功率。Moku:Pro 的波形发生器分别为两个 EOM 提供同步驱动信号，脉宽为 3 ns、重复频率为100 kHz、相位相差180°，从而确保两路种子脉冲被精确交替控制。相应产生的闲频光也以相同的 100 kHz 速率进行高速切换，使系统无需机械调谐或光路重新对准即可实现双波长工作。  同样关键的是为两个 EOM 维持稳定的调制深度。所以 Moku:Pro 在生成纳秒脉冲的同时，还为每个调制器提供 DC 直流偏置。其中，EOM 的 RF 端口接入快速瞬态驱动，而偏置端口用于补偿缓慢漂移。调制深度则通过调节 RF 端口上的脉冲幅度来调节。EOM 内置的光电二极管将监测信号并反馈至 Moku:Pro，Moku:Pro 再通过PID 控制器反馈输出来调节并稳定调制深度。这种主动反馈机制使研究人员能够平衡非线性光纤内部四波混频过程中的参量增益与增益带宽。闭环反馈控制确保调制器始终工作在其传输曲线的正确工作点，从而在长时间实验运行下保持恰当的开/关对比度以及平衡的参量增益。Moku多仪器并行模式-同时进行信号发生，监测和 PID 反馈控制，如图 2 所示。

图 2: Moku 多仪器并行配置界面

实验结果

图 3: (a) 可切换双波长激光脉冲的时域波形。(b) 图 (a) 局部放大，展示相邻脉冲之间 180° 的相位偏移。(c–d) 分别为波长在 1725 nm 与 1930 nm 下输出的单脉冲波形，脉宽为 3 ns。(e–f) 分别为在不同脉宽条件下，波长 1725 nm 与 1930 nm 输出的单脉冲波形。

如图 3 所示，团队成员成功获得了低噪声的 1725 nm 与 1930 nm 交替光脉冲列，切换频率为 100 kHz，脉冲半高全宽（FWHM）为 3 ns。两个闲频光波长对应的脉冲之间精确保持 180° 的相位差，证实 Moku:Pro 的双路波形输出在两个 EOM 之间实现了精确同步控制。由于波形生成高度自定义，每个波长下的脉冲宽度均可在 3 ns 至 12 ns 范围内独立调节，并且无需任何硬件改动即可直接在 MokuOS 软件中配置任意脉冲序列（见图 4）。这种灵活性使团队能够在混合光学放大系统中直接优化参数，以获得最大化的转换效率与优异的光谱平衡性能。

图 4: 通过 Moku:Pro 生成任意脉冲序列来控制可切换双波长光纤激光系统，包括 (a) 相位差为 90° 与 (b) 相位差为 270° 的情形，并可实现更多切换频率。

生成的闲频光作为双波长 PAM 系统的关键光学激励源，得以在  NIR-III 波段开展免标记化学成像。基于这套硬件平台，团队成员演示了水中微塑料的多波长对比成像效果，如图 5 所示。在 1725 nm 波长光激发下，聚乙烯（PE）与聚氯乙烯（PVC）微塑料均因 C–H 键吸收而产生较强的光声响应信号；而在 1910 nm 波长光激发下，PVC 由于其 C–Cl与 O–H 键吸收表现出显著更强的对比度。为获得最佳对比效果，输出波长被进一步精确调至 1725 nm 与 1910 nm。当将两组图像进行叠加后，得到的复合 PAM 图像能够清晰地区分两种样品，并揭示它们在同一视场内的空间分布。原始光声信号轨迹进一步证实：相对于水，这两种材料产生了极性相反的信号，从而验证了该激光系统的光谱精度与稳定性。

图 5: 水中随机混合的微塑料粉末（PE 与 PVC）的 PAM 图像，激发波长分别为 (a) 1725 nm 与 (b) 1910 nm。(c) (a) 与 (b) 的叠加图。比例：200 μm。(d) 对应于 (c) 中不同位置，PVC、PE 与水的光声信号原始数据。

综上所述，本实验结果凸显了 Moku:Pro 高度集成化，它将波形生成、同步控制以及基于 PID 控制进行偏置点稳定等多功能集于一身。这也加速并高效实现了一种可靠且完全可重构的光源系统。相比之下，采用传统台式仪器设备实现同等性能却十分繁琐。这里所展示的激光系统兼具高能、高速切换与光谱准确性等特点，并直接转化为清晰、高对比度的 PAM 图像，从而为化学特异性成像与环境传感开辟了全新的实现路径。

Moku - 兼具高集成度与灵活性的光学解决方案

在本文实验中，Moku:Pro 凭借其高集成度和精确控制能力成为先进光学实验平台的理想选择。一台Moku设备上可以同时完成复杂的信号生成和控制：