基于Banyan网络硅基光交换芯片中开关单元的校准方法

技术领域

本发明属于硅基光电子集成技术领域，尤其涉及一种基于Banyan网络硅基光交换芯片中开关单元的校准方法。

背景技术

随着通信技术领域的日益进步，信息网络的传输容量也在与日俱增，人们对于信息时代的高速率和大容量的传输需求亟待解决。光交换技术是光通信网络以及数据中心之中的必不可少的关键技术。随着传输数据容量以及速率的不断攀升，光交换节点中传统的“光-电-光”技术，正面临着"电子瓶颈"和节点功耗大等问题。

全光交换网络具有传输容量大，传输透明性良好和波长路由特性等优点，同时具备一定的可扩展性和兼容性，是未来通信网络发展的主导方向。相比于电，将光用作信息的载体具有传输带宽大、对信号的劣化程度低、抗电磁干扰能力强等优点，使得光通信技术在骨干网甚至超级计算机等通信领域都显示出了巨大的优势，片上光互联技术，被认为是能够有效克服基于微电子技术的传统电互联瓶颈的解决方法之一，在片上系统通信领域越来越受到广泛的关注。

硅基光交换芯片技术具有全光交换结构，是片上光通信领域重要的元器件单元之一，其研究和发展状况决定了未来片上全光网络的整体带宽和容量性能，被认为是解决上述问题的理想候选者。由于其应用可以突破传统“光-电-光”交换的速度限制，同时对光网络的成本控制以及性能改善具有很大的促进作用，因而成为了近些年来光交换领域的热点研究内容之一。

Banyan网络是一种重要的光交换网络，具有结构简单、开关单元数少等优点。Banyan网络具有五种重要特点：路径唯一，长度一致，自选路由（Self-routing），Buddy 属性（Buddy Property）和内部阻塞。对于NxN Banyan网络，一对输入-输出之间有且仅有一条光开关总级数恒为log

对于硅基光交换芯片来说，受限于材料以及工艺制作水平，片上开关单元的性能可能发生随机的漂移，因此对片上开关单元进行测试和校准是十分关键的。目前，实现开关单元校准常用的方法是在每个开关单元附近或者是特定位置的波导上通过耦合器分出小部分光进行校准。这种方法会使得整个芯片的结构复杂化且会引入额外的损耗，大大增加了光交换芯片的校准难度。

发明内容

本发明提供了一种基于Banyan网络硅基光交换芯片中开关单元的校准方法。该方法不需要引入光耦合器避免了对整个硅基光交换芯片的光损耗，并且降低了整个硅基光交换芯片的校准难度。

一种基于Banyan网络硅基光交换芯片中开关单元的校准方法，包括：

将外部光信号输入Banyan网络硅基光交换芯片中的待校准开关单元，基于Banyan网络硅基光交换芯片的结构分别确定当待校准开关单元为BAR状态或CROSS状态时的最终输出端口；

向待校准开关单元加载扫描电压，分别探测得到当待校准开关单元为BAR状态下对应的最终输出端口的总功率P1和当待校准开关单元为CROSS状态下对应的最终输出端口的总功率P2；

将总功率P1与总功率P2的差值最大时对应的扫描电压作为待校准开关单元的BAR状态电压，将总功率P1与总功率P2差值最小时对应的扫描电压作为待校准开关单元的CROSS状态电压，以完成开关单元的校准。

本发明基于Banyan网络获得当所述开关单元为BAR状态或CROSS状态时的输出端，然后向开关单元加载扫描电压，校准得到输出端总功率差值ΔP=P1-P2与扫描电压的曲线关系，将ΔP最大值对应的扫描电压作为BAR状态电压，将ΔP最小值对应的扫描电压作为CROSS状态电压。上述对开关单元的校准方法未接入光耦合器避免对整个硅基光交换芯片的光损耗，同时由于Banyan网络末端的输出端的功率获取较为容易获得，从而降低了对开关单元的校准难度。

进一步的，当待校准开关单元为Banyan网络硅基光交换芯片中的第一级的开关单元时，直接将外部光信号输入至待校准开关单元。

进一步的，当待校准开关单元为Banyan网络硅基光交换芯片中的第二级的开关单元时，通过调整第一级的开关单元的CROSS或BAR状态，使得外部光信号能够通过对应的第一级的开关单元传输至待校准开关单元。

进一步的，当待校准开关单元为第k级开关单元时，其中，k>2，通过调整第一级至第k-1级开关单元的CROSS或BAR状态，使得外部光信号能够通过第一级至第k-1级开关单元传输至待测校准开关。

进一步的，所述扫描电压为直流电压信号。

进一步的，所述直流电压信号以0.01-0.02V步进，由-3V扫描至+3V。

进一步的，所述扫描电压为线性扫描电压。

本发明提供的对最终输出端口的总功率的探测方法为：将最终输出端口的光信号进行非相干合束后进行光功率探测得到总功率。

本发明提供的对最终输出端口的总功率的探测方法为：探测各个最终输出口的功率，将所述功率加和得到总功率。

本发明还提供了一种基于Banyan网络硅基光交换芯片中开关单元的校准方法，包括：

S1：对Banyan网络硅基光交换芯片中的第一级的待校准开关单元进行校准的具体步骤为：将外部光信号输入第一级的待校准开关单元，采用所述基于Banyan网络硅基光交换芯片中开关单元的校准方法完成对第一级的待校准开关单元的校准；

S2：对Banyan网络硅基光交换芯片中的第k级，k>1的待校准开关单元进行校准的具体步骤为：调整第1至第k-1级的开关单元的CROSS或BAR状态，使得外部光信号可以传输至第k级的待校准开关单元，并采用所述基于Banyan网络硅基光交换芯片中开关单元的校准方法完成对第k级的待校准开关单元的校准；

采用对第k级的待校准开关单元进行校准的方法，按从第二级至第k级的级数顺序逐级校准各级中的待校准开关单元，直至硅基光交换芯片中的所有待校准开关单元完成校准。

本发明还提供了一种基于Banyan网络硅基光交换芯片中开关单元的校准系统，包括：激光器、机械光开关、芯片、驱动电路板、光功率计和计算机，其中：

通过计算机控制的机械光开关使得激光器发出的外部光信号输入指定的光信号输入端口到达对应的开关单元，计算机发送指令到驱动电路板，驱动电路板接收指令后，对指定开关单元加载扫描电压；

在芯片中基于Banyan网络结构分别获得当开关单元为BAR状态或CROSS状态时的最终输出端口，通过光功率计实时通过光信号输出端口探测当开关单元为BAR状态下最终输出端口的总功率P1，以及当开关单元为CROSS状态下最终输出端口的总功率P2，电压扫描过程中计算机实时获取功率计采集的总功率P1以及P2，利用计算机处理得到总功率P1与总功率P2差值与扫描电压的对应曲线，根据曲线处理得到功率差值最大以及最小时对应的扫描电压值，分别记为该开关单元的BAR状态电压以及CROSS状态电压并存入计算机存储器中。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

（1）本发明直接在待校准开关单元加载扫描电压，然后将Banyan网络末端中该待校准开关单元为BAR状态或CROSS状态时对应的输出端总功率P1和P2，并计算总功率差值ΔP=P1-P2，将ΔP最大值对应的扫描电压作为BAR状态电压，将ΔP最小值对应的扫描电压作为CROSS状态电压。上述对开关单元的校准方法避免了接入光耦合器对整个硅基光交换芯片的光损耗，并且由于获取Banyan网络末端的最终输出端的总功率较为容易，因此降低了对开关单元的校准难度；

现有技术中使用光耦合器校准开关单元需要将开关单元的外部光引出一部分进行耦合来校准，当外部光经过多级传递后由于损耗的问题，光信号较弱，再耦合出一部分光用于校准将会变得更加困难，本发明并不需要引出开关单元中的光信号，只需要在待校准开关单元处加载扫描电压，测量Banyan网络末端的最终输出端的总功率完成校准，而对最终输出的总功率的测量简单、方便，因此利用本发明的校准方法能够较为准确和容易的测量各级别的开关单元。

（2）本发明提供的校准方法无需在芯片内部进行额外的设计，直接使用芯片的输入输出端即可完成所有开关单元的校准，降低了芯片的复杂度；在校准过程中，所述方法对理论输出端口进行总功率探测，实现了输入光信号的充分利用，降低了输入端光信号的功率要求。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于Banyan网络硅基光交换芯片中开关单元的校准方法流程图；

图2为本发明实施例提供的S11开关单元的校准示意图；

图3为本发明实施例提供的S21开关单元的校准示意图；

图4为本发明实施例提供的S31开关单元的校准示意图；

图5为本发明实施例提供的开关单元为BAR状态以及CROSS状态时理论输入输出示意图；

图6为本发明实施例提供的基于Banyan网络硅基光交换芯片中开关单元的校准系统示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。

除非另有说明，此处使用的术语（包括科技术语）对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

本发明提供一种基于Banyan网络硅基光交换芯片中开关单元的校准方法，如图1所示，包括：

本发明提供的光交换芯片的网络为8x8的Banyan网络，输入口为1-8，输出口为1’-8’。

（1）如图2所示，对第一级的单一开关单元进行校准，可以理解的是，单一开关单元为每级多个开关单元中的任意一个开关单元：第一级的各个开关单元的编号分别为S11、S12、S13和S14，首先对S11的开关单元进行校准，外部光信号由输入口1输入S11开关单元，S11开关单元处于BAR状态时，基于8x8的Banyan网络理论的最终输出口为1’、2’、3’、4’。S11开关单元处于CROSS状态时，基于8x8的Banyan网络理论的最终输出口为5’、6’、7’、8’。改变加载在S11开关单元上的扫描电压，扫描电压为线性扫描电压，直流电压信号，直流电压信号以0.01-0.02V步进，由-3V扫描至+3V，测量最终输出口为1’、2’、3’、4’的输出口总功率与最终输出口为5’、6’、7’、8’的输出口总功率之差ΔP。输出口总功率的探测可以通过将相应输出口光信号在物理上利用光纤合束器进行非相干合束后进行总功率的探测。输出口总功率的探测也可以通过将相应各个输出口光信号分别测量然后在数学上相加获得。当S11开关单元处于BAR状态时，ΔP有最大值。当S11开关单元处于CROSS状态时，ΔP有最小值。基于ΔP与加载在S11开关单元扫描电压值的关系曲线得到ΔP最大值时加载在S11开关单元的电压值，以及ΔP最小值时加载在S11开关单元的电压值，将ΔP最大值时加载在S11开关单元的电压值作为S11开关单元的BAR状态电压，将ΔP最小值时加载在S11开关单元的电压值作为S11开关单元的BAR状态电压。

（2）对与S11开关单元相连的特定的第二级开关单元进行校准。可以理解的是，特定的第二级开关单元为第二级中要校准的开关单元，第二级中的各个开关单元编号为S21、S22、S23、S24，其中与S11相连的第二级开关单元的编号为S21，S23。

（2.1）如图3所示，对编号为S21的开关单元进行校准，光信号由输入口1输入S11开关单元，将S11开关单元设置为BAR状态，输入S11开关单元的外部光信号将低损耗地传输至S21开关单元，改变加载在S21开关单元上的扫描电压，测量1’、2’最终输出口总功率与3’、4’最终输出口总功率之差ΔP。当S21开关单元处于BAR状态时，ΔP有最大值。当S21开关单元处于CROSS状态时，ΔP有最小值。基于ΔP与加载在S21开关单元扫描电压值的关系曲线得到ΔP最大值以及最小值时加载在S21开关单元的电压值，将ΔP最大值时加载在S21开关单元的电压值作为S21开关单元的BAR状态电压，将ΔP最小值时加载在S21开关单元的电压值作为S21开关单元的CROSS状态电压，从而完成对S21开关单元的校准。

（2.2）对编号为S23的开关单元进行校准，光信号由输入口1输入S11开关单元，将S11开关单元设置为CROSS状态，输入S11开关单元的外部光信号将低损耗地传输至S23开关单元，改变加载在S23开关单元上的扫描电压，并测量5’、6’输出口总功率与7’、8’输出口总功率之差ΔP，基于ΔP与加载在S23开关单元扫描电压值的关系曲线得到记录ΔP最大值以及最小值时加载在S23开关单元的电压值，将ΔP最大值时加载在S23开关单元的电压值作为S23开关单元的BAR状态电压，将ΔP最小值时加载在S23开关单元的电压值作为S23开关单元的CROSS状态电压，从而完成对S23开关单元的校准。

（3）对第三级的特定开关单元进行校准。可以理解的是，第三级的特定开关单元为第三级中要校准的开关单元，第三级中的各个开关单元编号为S31、 S32、S33、S34。

（3.1）如图4所示，选取S31开关单元进行校准，外部光信号由输入口1输入S11开关单元，将S11开关单元设置为BAR状态，将S21开关单元设置为BAR状态，输入S11开关单元的光信号将低损耗地传输并输入S31开关单元。改变加载在S31开关单元上的电压，并测量1’输出口功率与2’输出口功率之差ΔP。基于ΔP与加载在S31开关单元扫描电压值的关系曲线得到ΔP最大值时加载在S31开关单元的电压值，以及ΔP最小值时加载在S31开关单元的电压值，将ΔP最大值时加载在S31开关单元的电压值作为S31开关单元的BAR状态电压，将ΔP最小值时加载在S31开关单元的电压值作为S31开关单元的CROSS状态电压，从而完成对S31开关单元的校准。

（3.2）选取S32开关单元进行校准，外部光信号由输入口1输入S11开关单元，将S11开关单元设置为BAR状态，将S21开关单元设置为CROSS状态，输入S11开关单元的光信号将低损地传输并输入S32开关单元。改变加载在S32开关单元上的电压，并测量3’输出口功率与4’输出口功率之差ΔP。基于ΔP与加载在S32开关单元扫描电压值的关系曲线得到ΔP最大值时加载在S32开关单元的电压值，以及ΔP最小值时加载在S32开关单元的电压值，将ΔP最大值时加载在S32开关单元的电压值作为S32开关单元的BAR状态电压，将ΔP最小值时加载在S32开关单元的电压值作为S32开关单元的CROSS状态电压，从而完成对S32开关单元的校准。

（3.3）选取S33开关单元进行校准，外部光信号由输入口1输入S11开关单元，将S11开关单元设置为CROSS状态，将S23开关单元设置为BAR状态，输入S11开关单元的光信号将低损地传输并输入S33开关单元。改变加载在S33开关单元上的电压，并测量5’ 最终输出口功率与6’ 最终输出口功率之差ΔP。基于ΔP与加载在S33开关单元扫描电压值的关系曲线得到ΔP最大值时加载在S33开关单元的电压值，以及ΔP最小值时加载在S33开关单元的电压值，将ΔP最大值时加载在S33开关单元的电压值作为S33开关单元的BAR状态电压，将ΔP最小值时加载在S33开关单元的电压值作为S33开关单元的CROSS状态电压，从而完成对S33开关单元的校准。

（3.4）选取S34开关单元进行校准，外部光信号由输入口1输入S11开关单元，将S11开关单元设置为CROSS状态，将S23开关单元设置为CROSS状态，输入S11开关单元的光信号将低损地传输并输入S34开关单元。改变加载在S34开关单元上的电压，并测量7’最终输出口功率与8’最终输出口功率之差ΔP。基于ΔP与加载在S34开关单元扫描电压值的关系曲线得到ΔP最大值时加载在S34开关单元的电压值，以及ΔP最小值时加载在S34开关单元的电压值，将ΔP最大值时加载在S34开关单元的电压值作为S34开关单元的BAR状态电压，将ΔP最小值时加载在S34开关单元的电压值作为S34开关单元的CROSS状态电压，从而完成对S34开关单元的校准。

（4）对第一级的其他开关单元进行校准：将外部光信号依次通过S12、S13和S14开关单元。

对S12的开关单元进行校准，外部光信号由输入口3输入S12开关单元，S12开关单元处于BAR状态时，基于8x8的Banyan网络理论的最终输出口为1’、2’、3’、4’。S12开关单元处于CROSS状态时，基于8x8的Banyan网络理论的最终输出口为5’、6’、7’、8’。改变加载在S12开关单元上的扫描电压，并测量最终输出口为1’、2’、3’、4’的输出口总功率与最终输出口为5’、6’、7’、8’的输出口总功率之差ΔP。当S12开关单元处于BAR状态时，ΔP有最大值。当S12开关单元处于CROSS状态时，ΔP有最小值。基于ΔP与加载在S12开关单元扫描电压值的关系曲线得到ΔP最大值时加载在S12开关单元的电压值，以及ΔP最小值时加载在S12开关单元的电压值，将ΔP最大值时加载在S12开关单元的电压值作为S12开关单元的BAR状态电压，将ΔP最小值时加载在S12开关单元的电压值作为S12开关单元的BAR状态电压，从而完成对S12开关单元的校准。

对S13的开关单元进行校准，外部光信号由输入口6输入S13开关单元，S13开关单元处于BAR状态时，基于8x8的Banyan网络理论的最终输出口为5’、6’、7’、8’。S13开关单元处于CROSS状态时，基于8x8的Banyan网络理论的最终输出口为1’、2’、3’、4’。改变加载在S13开关单元上的扫描电压，并测量最终输出口为5’、6’、7’、8’的输出口总功率与最终输出口为1’、2’、3’、4’的输出口总功率之差ΔP。当S13开关单元处于BAR状态时，ΔP有最大值。当S13开关单元处于CROSS状态时，ΔP有最小值。基于ΔP与加载在S13开关单元扫描电压值的关系曲线得到ΔP最大值时加载在S13开关单元的电压值，以及ΔP最小值时加载在S13开关单元的电压值，将ΔP最大值时加载在S13开关单元的电压值作为S13开关单元的BAR状态电压，将ΔP最小值时加载在S13开关单元的电压值作为S13开关单元的BAR状态电压，从而完成对S13开关单元的校准。

对S14的开关单元进行校准，外部光信号由输入口8输入S14开关单元，S14开关单元处于BAR状态时，基于8x8的Banyan网络理论的最终输出口为5’、6’、7’、8’。S14开关单元处于CROSS状态时，基于8x8的Banyan网络理论的最终输出口为1’、2’、3’、4’。改变加载在S14开关单元上的扫描电压，并测量最终输出口为5’、6’、7’、8’的输出口总功率与最终输出口为1’、2’、3’、4’的输出口总功率之差ΔP。当S14开关单元处于BAR状态时，ΔP有最大值。当S14开关单元处于CROSS状态时，ΔP有最小值。基于ΔP与加载在S14开关单元扫描电压值的关系曲线得到ΔP最大值时加载在S14开关单元的电压值，以及ΔP最小值时加载在S14开关单元的电压值，将ΔP最大值时加载在S14开关单元的电压值作为S14开关单元的BAR状态电压，将ΔP最小值时加载在S14开关单元的电压值作为S14开关单元的BAR状态电压，从而完成对S14开关单元的校准。

（5）对硅基光交换芯片中的其他开关单元进行校准：设置光信号由输入口3输入S12开关单元，设置S12开关单元为BAR状态时，输入S12开关单元的光信号将低损地传输并输入S22开关单元，改变加载在S22开关单元上的扫描电压，并测量1’、2’输出口总功率与3’、4’输出口总功率之差ΔP，基于ΔP与加载在S22开关单元扫描电压值的关系曲线得到ΔP最大值以及最小值时加载在S22开关单元的电压值，将ΔP最大值时加载在S22开关单元的电压值作为S22开关单元的BAR状态电压，将ΔP最小值时加载在S22开关单元的电压值作为S22开关单元的BAR状态电压，从而完成对S22开关单元的校准。

设置光信号由输入口3输入S12开关单元，设置S12开关单元为CROSS状态时，输入S12开关单元的光信号将低损地传输并输入S24开关单元，改变加载在S24开关单元上的扫描电压，并测量5’、6’输出口总功率与7’、8’输出口总功率之差ΔP，基于ΔP与加载在S24开关单元扫描电压值的关系曲线得到记录ΔP最大值以及最小值时加载在S24开关单元的电压值，将ΔP最大值时加载在S24开关单元的电压值作为S24开关单元的BAR状态电压，将ΔP最小值时加载在S24开关单元的电压值作为S24开关单元的BAR状态电压，从而完成对S24开关单元的校准。

如图5所示，当开关单元的输入端0对应输出端为0’，输入端1对应输出端为1’时为BAR状态，当开关单元的输入端0对应输出端为1’，输入端1对应输出端为0’时为CROSS状态。

可以理解的是以8x8的Banyan网络为单元进行阵列排布形成nxn的Banyan网络也适用于本发明提供的一种基于Banyan网络硅基光交换芯片中开关单元的校准方法。

本发还提供了一种基于Banyan网络硅基光交换芯片中开关单元的校准系统，如图6所示，包括：激光器、机械光开关、封装后的硅基光交换设备、光功率计和计算机，封装后的硅基光交换设备包括芯片、驱动电路板、光信号输入端口、光信号输出端口和通信接口，其中：

通过计算机控制的机械光开关使得激光器发出的外部光信号输入指定的光信号输入端口到达对应的开关单元，计算机发送指令通过通信接口到达驱动电路板，驱动电路板接收指令后，通过电学连接对芯片上的指定开关单元加载扫描电压；

在芯片中基于Banyan网络结构分别获得当开关单元为BAR状态或CROSS状态时的最终输出端口，通过光功率计实时通过光信号输出端口探测当开关单元为BAR状态下最终输出端口的总功率P1，以及当开关单元为CROSS状态下最终输出端口的总功率P2，电压扫描过程中计算机实时获取功率计采集的总功率P1以及P2，利用计算机处理得到总功率P1与总功率P2差值与扫描电压的对应曲线，根据曲线处理得到功率差值最大以及最小时对应的扫描电压值，分别记为该开关单元的BAR状态电压以及CROSS状态电压并存入计算机存储器中；

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。