基于FPGA的光学系统数字信号处理研究.pdf

摘要

随着集成电路技术的高速发展，数字集成芯片在信号处理领域逐渐取代了传统

的模拟设备。现场可编程门阵列(Field-ProgrammableGateArray,FPGA)作为一种高度

定制化的硬件平台，因其灵活的可编程性以及卓越的数据处理能力被广泛应用于诸

多现代技术应用。在量子光学实验领域，传统的实验设备存在价格昂贵、占用空间

较大、操作复杂等弊端，利用FPGA作为高速的数字信号处理平台取代传统的分立

实验仪器，可以节约成本、节省空间、简化操作复杂度，成为此领域中一个重要的

研究方向。本文针对光学实验中的信号产生、采集和处理三个方面，利用FPGA电

路模块开发了一系列用于量子光学的数字信号处理器件。首先，搭建了腔长可控的

光纤环形谐振腔并将光学腔的腔共振频率相对于激光频率进行了锁定，并利用FPGA

开发了锁定过程所需的信号发生设备、信号反馈控制设备、数据采集和记录等设备

完成了光纤环形谐振腔的锁定。谐振腔锁定后，利用谐振腔反射信号的反射率起伏

以及误差信号起伏作为锁定效果的评价指标，对PID控制器参数P和I、调制信号幅

度、入射光功率等参数进行了实验优化。基于优化后的参数，谐振腔反射信号的反

射率起伏以及误差信号起伏分别为6%(1%)和0.23(0.02)MHz。另外，设计完成了基

于FPGA的单光子探测器脉冲计数器，并对波导耦合的单原子阵列荧光计数进行探

测记录，脉冲计数器最大计数率达到40MHz。

关键词：FPGA；DDS；脉冲计数器；光纤环形谐振腔；PDH稳频

I

ABSTRACT

Withtherapiddevelopmentofintegratedcircuittechnology,digitalintegratedchip

hasgraduallyreplacedthetraditionalanalogdevicesinthefieldofsignalprocessing.

Field-programmableGateArray(FPGA)isahighlycustomizedhardwareplatformthatis

widelyusedinmanymoderntechnologyapplicationsbecauseofitsflexible

programmabilityandexcellentdataprocessingcapabilities.Inthefieldofquantumoptics

experiment,thetraditionalexperimentalequipmenthassomedisadvantages,suchashigh

price,largespace,complexoperation,andsoon,itcansavecost,savespaceandsimplify

operationcomplexity,andbecomeanimportantresearchdirectioninthisfield.Inthis

paper,aseriesofdigitalsignalprocessingdevicesforquantumopticsaredevelopedby

usingFPGAcircuitmodule,aimingatthethreeaspectsofsignalgeneration,acquisition

andprocessinginopticalexperiment.First,afiberringresonatorwithcontrollablecavity

lengthisbuiltandtheresonantfrequencyofthe