CN115987387A - 一种基于Benes网络的开关单元校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于Benes网络的开关单元校准方法，包括以下步骤：选择网络中间级的开关单元，根据开关单元选择一条从输入到输出端口的路由，扫描被测单元的电压，获得被测单元的最佳工作电压；再从最外级开关单元开始依次向中间级校准全部开关单元，其方法是将影响测试开关串扰路的其他开关设置成偏离该串扰路的状态，使得进入串扰路的光功率最小，从而近似忽略串扰光功率的影响，扫描得到被测单元最佳工作电压。由于Benes网络的对称特性，左右两侧开关等价。本发明的开关单元校准方法无需在网络中设置监测点，极大的降低了大规模集成开关阵列的封装难度，且本发明可匹配自动测试方案，为后续更大规模的光交换芯片制作与测试提供支撑。
Description
技术领域
本发明涉及硅基光电子集成技术领域，特别涉及一种基于Benes网络的开光单元校准方法。
背景技术
随着光子集成技术的日益发展，大规模光交换芯片在云计算、高性能计算机和数据中心的应用受到越来越多的关注。然而由于CMOS工艺存在误差，整个Benes网络中不同位置的光开关单元的初始状态都不一样，即需要对每个光开关的最佳工作电压进行测试和校准。目前比较主流的校准方案是在每个开关单元后设置监测端口或者在某些特定的位置设置监测端口进行光学检测，这些监测端口无疑加剧了大规模芯片后续的光学和电学封装。这种开关单元的电压校准问题成为了制约大规模光交换芯片I/O端口数的因素之一。因此急需一种无需内置监测口，只通过Benes网络的特性和输入输出端口即可校准网络中所有开关单元的方案。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于Benes网络的开光单元校准方法，以克服现有技术中的不足。
为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种基于Benes网络的开关单元校准方法，包括以下步骤：
(1)在Benes网络中选择中间级所在的开关单元作为率先被测试的开关单元，并根据开关单元选择一条从输入端口到输出端口全交叉状态的路由；
(2)对所述路由上的每个开关单元设置偏向交叉态的预偏置，在在需测试的开关单元的输入端口输入光信号光强为Pi，并在其输出端口接出光功率计探测输出光信号Po；
(3)以开关交叉态作为透射，其透射率为T，则直通状态作为串扰项X，扫描被测试的开关单元的电压，得到输出光功率最小的点为选定交叉路径下开关单元最偏离交叉状态的点，即开关单元直通状态的最佳工作点；输出光功率最大的点为开关单元交叉状态的最佳工作点；依次选择中间级每一个开关单元对应的全交叉路由，并依据步骤(2)得到每个开关单元直通和交叉状态准确的最佳工作电压；
(4)在Benes网络中选择最外一级所在的开关单元作为被测试的开关单元，并根据开关单元选择一条从输入端口到输出端口全交叉的路由；
(5)重复步骤(2)，并将路由经过的中间级开关设置已测得的准确交叉态电压，另外将测试开关单元另一条串扰光信号路所经过的开关单元设置成偏离主路由的状态；扫描被测单元的电压，测其直通和交叉状态的最佳工作电压；依次校准最外一级每一个开关单元直通和交叉状态的最佳工作电压；
(6)依次从最外一级开关开始，向内一级一级进行测试，最后在Benes网络中选择最靠近中间级开关单元作为被测试的开关单元，并根据开关单元选择一条从输入端口到输出端口全交叉的路由；步骤重复(5)，将已测试过的开关设置成准确交叉态电压，将测试开关单元另一条串扰光信号路所经过的开关单元设置成偏离主路由的状态；最后依次校准，得到中间级两侧的每一个开关单元直通和交叉状态的最佳工作电压至。
具体地，所述步骤(1)中，所述Benes网络中选择的全交叉状态的路由可以无重复的囊括所有开关单元，且给开关单元设置+1V的电压能使开关单元偏向交叉状态。
具体地，所述步骤(2)中设置偏向交叉态的预偏置，具体为：将基于马赫增德干涉仪(MZI)结构的开关上下相移臂设计成两个并联的极性相反的PIN结构成推挽工作方式，并在某一相移臂上减少π/2的初始相位，使得开关单元初始状态在交叉和直通的中间状态，且交叉和直通状态最佳工作点的正负号始终是正确且可预测的。
进一步地，所述步骤(3)中一个正常开关单元的透射率T和串扰项X相差约20dB，约为2个数量级，且在计算输出光功率时，光信号每经过一个开关，则与该开关对应的状态相乘。
进一步地，所述步骤(3)中，输出光信号Po与被测单元的透射系数T呈线性关系，被测单元的透射系数T受电压的变化而变化，因此扫描被测单元的电压与光功率的变化可以得到开关单元交叉和直通的状态。
进一步地，所述输出光信号Po与被测单元的透过率呈线性关系是由于预偏置的设置使我们测试所需的信号光尽可能的大，将测试开关单元另一条串扰光信号路所经过的开关单元设置成偏离主路由的状态则是将干扰测试结果的串扰光尽可能的小；进而使得输出光信号Po与被测单元的透过率近似呈线性关系。
进一步地，所述步骤(5)中，由于Benes网络的左右对称性，进而Benes网络的左右两边通过输入输出对换是等效的。
本发明的有益效果如下：
本发明只需要在输入端口和输出端口进行光功率的探测，使用开关单元已有的电学端口进行预偏置，使路径中每一个开关单元的透过率都与光功率近似的呈线性关系。在后续应用大规模光交换芯片时，只需利用光纤阵列就能自动测试每个开关的最佳工作点。极大的降低了大规模光交换芯片光开关单元校准测试的难度。
附图说明
图1是本发明实例中测试实操图；其中，(a)为本发明实施例中开关单元S4-8所选择的全交叉路由图；(b)为本发明实施例中操作开关单元S7-5、串扰光功率偏离原路由的电压预置图；(c)为本发明实施例中操作开关单元S4-8串扰光功率偏离原路由的电压预置；
图2是本发明实施例中开关单元相移臂设计原理图；
图3所示是某一开关单元光功率与电压之间的关系图；其中，(a)为本发明方法测出的曲线结果图，虚线代表的是开关直通状态下的最佳工作电压；(b)在特定位置设置监测口所测出的曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明实施例提供一种基于16×16Benes网络的开光单元校准方法，包括以下步骤：
S1、在Benes网络中首先选择中间级所在的开关单元S4-8作为率先被测试的开关单元，并根据开关单元选择一条从1端口输入9’端口输出的全交叉状态的路由，如图1中(a)图所示；
S2、对该路由上的每个开关单元设置+1V预偏置，保证在该路由下的光功率较大，在输入端口输入光信号光强为Pi，并在输出端口接出光功率计探测输出光信号Po；
S3、以开关交叉态作为透射，透射率设为T，则直通状态作为串扰项设为X，一个正常的开关单元T和X相差约20dB，约为2个数量级。光信号每经过一个开关，则乘上该开关对应的状态，因此输出光功率最终为:Po＝Pi*T11*T25*T37*X48*T58*T67*T75+C0，其中C0是由上子网络的串扰光经过多级传输进入到开关S75上端口；
S4、单独扫描被测单元S4-8的电压，由于C0相对于被测单元是一个常数，所以输出光信号Po与被测单元的透过率X48呈线性关系。输出光功率最小的点就是S4-8开关单元直通状态的最佳工作电压，输出光功率最大的点就是S4-8开关单元交叉状态的最佳工作电压；
S5、以同样的思路依次对中间级所在的每一个开关单元校准其直通和交叉状态的最佳工作电压；
S6、第二步，在Benes网络中选择最外一级所在的开关单元S7-5作为被测试的开关单元，全交叉路由仍然如图1中(a)图所示；
S7、重复S2和S3步骤，将路由上的开关设置加载+1V电压，已测试过的开关S4-8设置成准确的交叉状态电压。此时，Po＝Pi*T11*T25*T37*T48*T58*T67*X75+C1*T75，其中C1的大小与上子网络的串扰光大小有关，只需要将测试开关单元另一条串扰光信号路所经过的开关单元设置成偏离主路由的状态(尽量将光传输到其他地方)，如图1中(b)图所示，则串扰光C1*T75≈Pi*X4*T3相比于Pi*T11*T25*T37*T48*T58*T67*X75≈Pi*X75*T6最少相差6个数量级，完全可忽略其对Pi*T6*X75项的干扰，输出光信号Po与被测单元的透过率近似呈线性关系。扫描被测单元S7-5的电压，测其直通和交叉状态的最佳工作电压，依次校准最外一级每一个开关单元直通和交叉状态的最佳工作电压；
S8、同时，由于Benes网络的左右对称性，只需将左边1输入9’输出更换成9’输入1输出即可测试开关S1-1的直通和交叉状态最佳工作电压；
S9、依次从最外一级开关向内一级一级测试，最后在Benes网络中选择最靠近中间级开关单元S5-8作为被测试的开关单元，并根据开关单元选择一条从输入端口到输出端口全交叉的路由，如图1中(a)图所示；
S10、重复S7和S8步骤，将已测试过的开关设置成准确的交叉状态电压，此时，Po＝Pi*T11*T25*T37*T48*X58*T67*T75+C2*T58，其中C2的大小与串扰光大小有关，同样将测试开关单元另一条串扰光信号路所经过的开关单元设置成偏离主路由的状态(尽量将光传输到其他地方)，如图1中(C)图所示。此时，串扰光C2*T58≈Pi*X2*T5与信号光的差距最小，但仍然有2个数量级。且其他开关都已校准到最佳工作点，串扰光相较于信号光会有更大的差距，仍可忽略其对信号路的影响。扫描被测单元S5-8的电压，测其直通和交叉状态的最佳工作电压，依次校准中间级两侧的每一个开关单元直通和交叉状态的最佳工作电压。
由于所述输出光信号Po与被测单元的透过率呈线性关系是由于预偏置的设置使我们测试所需的信号光尽可能的大，将测试开关单元另一条串扰光信号路所经过的开关单元设置成偏离主路由的状态则是将干扰测试结果的串扰光尽可能的小；进而使得输出光信号Po与被测单元的透过率近似呈线性关系。
图2所示是本发明实施例中开关单元相移臂设计原理图。具体为：将基于马赫增德干涉仪(MZI)结构的开关上下相移臂设计成两个并联的极性相反的PIN结构成推挽工作方式，并在某一相移臂上减少π/2的初始相位，使得开关单元初始状态在交叉和直通的中间状态。即使存在工艺制作误差，交叉和直通状态最佳工作电压的正负号始终是正确且可预测的。这能保证我们在设置预偏置电压时，主信号路的光功率能尽可能的大，串扰路的光功率尽可能的小。
图3所示是某一开关单元光功率与电压之间的关系图。其中，如图3中(a)图代表本发明所用的方法测试所得的曲线结果图，；图3中(b)图是用我们原先提出的在特定位置设置监测口所测出的曲线图，虚线代表的是开关直通状态下的最佳工作电压。两者直通状态下的最佳工作电压只相差20mV，在实际测试中，同一个方案在重复测试时也存在±20mV的误差。因此可以认为本发明方案是切实可行的。
此外，由于Benes网络的左右对称性，进而Benes网络的左右两边通过输入输出对换是等效的。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于Benes网络的开关单元校准方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在Benes网络中选择中间级所在的开关单元作为率先被测试的开关单元，并根据开关单元选择一条从输入端口到输出端口全交叉状态的路由；
(2)对所述路由上的每个开关单元设置偏向交叉态的预偏置，在在需测试的开关单元的输入端口输入光信号光强为Pi，并在其输出端口接出光功率计探测输出光信号Po；
(3)以开关交叉态作为透射，其透射率为T，则直通状态作为串扰项X，扫描被测试的开关单元的电压，得到输出光功率最小的点为选定交叉路径下开关单元最偏离交叉状态的点，即开关单元直通状态的最佳工作点；输出光功率最大的点为开关单元交叉状态的最佳工作点；依次选择中间级每一个开关单元对应的全交叉路由，并依据步骤(2)得到每个开关单元直通和交叉状态准确的最佳工作电压；
(4)在Benes网络中选择最外一级所在的开关单元作为被测试的开关单元，并根据开关单元选择一条从输入端口到输出端口全交叉的路由；
(5)重复步骤(2)，并将路由经过的中间级开关设置已测得的准确交叉态电压，另外将测试开关单元另一条串扰光信号路所经过的开关单元设置成偏离主路由的状态；扫描被测单元的电压，测其直通和交叉状态的最佳工作电压；依次校准最外一级每一个开关单元直通和交叉状态的最佳工作电压；
(6)依次从最外一级开关开始，向内一级一级进行测试，最后在Benes网络中选择最靠近中间级开关单元作为被测试的开关单元，并根据开关单元选择一条从输入端口到输出端口全交叉的路由；步骤重复(5)，将已测试过的开关设置成准确交叉态电压，将测试开关单元另一条串扰光信号路所经过的开关单元设置成偏离主路由的状态；最后依次校准，得到中间级两侧的每一个开关单元直通和交叉状态的最佳工作电压至。
2.根据权利要求1所述的一种基于Benes网络的开关单元校准方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述Benes网络中选择的全交叉状态的路由可以无重复的囊括所有开关单元，且给开关单元设置+1V的电压能使开关单元偏向交叉状态。
3.根据权利要求1所述的一种基于Benes网络的开关单元校准方法，其特征在于，所述步骤(2)中设置偏向交叉态的预偏置，具体为：将基于马赫增德干涉仪(MZI)结构的开关上下相移臂设计成两个并联的极性相反的PIN结构成推挽工作方式，并在某一相移臂上减少π/2的初始相位，使得开关单元初始状态在交叉和直通的中间状态，且交叉和直通状态最佳工作点的正负号始终是正确且可预测的。
4.根据权利要求1所述的一种基于Benes网络的开关单元校准方法，其特征在于，所述步骤(3)中一个正常开关单元的透射率T和串扰项X相差约20dB，约为2个数量级，且在计算输出光功率时，光信号每经过一个开关，则与该开关对应的状态相乘。
5.根据权利要求1所述的一种基于Benes网络的开关单元校准方法，其特征在于，所述步骤(3)中，输出光信号Po与被测单元的透射系数T呈线性关系，被测单元的透射系数T受电压的变化而变化，因此扫描被测单元的电压与光功率的变化可以得到开关单元交叉和直通的状态。
6.根据权利要求4所述的一种基于Benes网络的开关单元校准方法，其特征在于，所述输出光信号Po与被测单元的透过率呈线性关系是由于预偏置的设置使我们测试所需的信号光尽可能的大，将测试开关单元另一条串扰光信号路所经过的开关单元设置成偏离主路由的状态则是将干扰测试结果的串扰光尽可能的小；进而使得输出光信号Po与被测单元的透过率近似呈线性关系。
7.根据权利要求1所述的一种基于Benes网络的开关单元校准方法，其特征在于，所述步骤(5)中，由于Benes网络的左右对称性，进而Benes网络的左右两边通过输入输出对换是等效的。
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