微环谐振器故障模拟装置设计与实现

朱爱军，陈端勇，胡 聪，许川佩，陈 帅

(1.桂林电子科技大学电子工程与自动化学院，广西桂林 541004；2.广西自动检测技术与仪器重点实验室，广西桂林 541004)

0 引言

随着芯片多处理器(CMPS)密度的增加和大数据时代的到来,基于传统片上网络体系结构的片上系统(SOC)技术在功耗、吞吐率、可靠性以及时延等方面都存在巨大的挑战[1]。为了应对这种挑战，在2008年前后，有研究人员提出将光互联结构应用到片上系统，并将这种结构命名为光片上网络。其在带宽、抗干扰性、能耗等方面比传统片上网络结构有巨大优势。近几年随着硅-光集成技术及工艺的发展，利用高性能、低功耗和低延时的光互连网络(photonic network-on-chip，PNOC)代替金属互联成为可能[1]。

PNOC中的关键光设备是微环谐振器(MRR)，MRR是制作在光波导上的微型环，对温度的波动非常敏感，而且制造工艺复杂，这些原因使得MRR很容易发生故障与制造缺陷，单个MRR的故障会导致所传输的数据信息发生误传甚至丢失，从而导致PNOC的整体性能下降。怎样对MRR故障进行有效的检测是提高PNOC可靠性的关键，而MRR故障模拟器是验证MRR故障检测的关键。

虽然现在MRR应用在很多地方,但是总的来说，主要还是应用在这些方面：滤波器、光开关、激光器、光调制器、传感器等[2]。光开关利用微环谐振器的材料对温度和其他因素敏感。光调制器是利用电极来使MRR的折射率发生变化，这样就会导致输出信号的相位发生相应的变化，然后就可以实现对信号的调制。MRR也可用作传感器，可以用来测试温度和溶液浓度[3]。其作为传感器的理论基础是：被检测物质的变化会引起MRR中的环形波导的折射率变化，这样会使MRR的谐振峰发生变化。这样就可以通过测量这个变化量反映出被测量的变化量。

虽然微环谐振器结构应用广泛，但是国内外大多数研究都没有考虑到微环谐振器的故障检测问题，或者都是基于故障已知的情况下。例如Michael等人提出的一种故障容错的PNOC结构(FT-PHENIC)[4]。这种方法是基于微谐振环故障容错的光路由器和一个自适应路径配置和路由算法[5]。又比如“MinTrim”方法，是为了解决微谐振环谐振波长漂移以及带宽损失问题[6]。所以MRR的故障检测是一个全新又非常重要的课题,而MRR故障模拟器是完成MRR故障检测的基石。

1 MRR故障建模

MRR有2种基本的耦合模式，一种是由单环和2个平行直波导耦合，如图1 ；另一种是单环和2个垂直直波导耦合，如图2。如图1和图2所示，当MRR无故障时，光从Input端输入，当MRR为OFF状态时，光从Through端输出；当MRR无故障时，光从Input端输入，当MRR为ON状态时，光从Drop端输出。

图1 无故障MRR平行直波导耦合

图2 无故障MRR垂直波导耦合

当考虑永久故障模型时， MRR可能会出现2种故障：滞1故障和滞0故障。滞1故障是指当输入端(Input)有光输入时，同时通过控制让MRR处于“OFF”状态，此时光应该从通过端(Through)输出，接收端(Drop)没有光输出，但是由于故障，使光实际从接收端(Drop)输出，模型如图3所示。滞0故障是指当输入端(Input)有光输入时，同时通过控制让MRR处于“ON”状态，此时光应该从接收端(Drop)输出，直通端(Through)没有光输出，但是由于故障，使光实际从直通端(Through)输出，模型如图4所示。

图3 MRR滞1故障

图4 MRR滞0故障

2 故障模拟器设计原理

假设有光时为1，没光时为0，无故障MRR可以简化为如图5(a)所示。

图5所示Input为输入，O1为接收端(Drop)，O2为直通端(Through)，Ctrl为MRR中的控制端。当Ctrl为0时相当于“OFF”状态，为1时相当于“ON”状态；当Iuput输入为1时，Ctrl为“ON”和“OFF”状态时，具体输出如表1所示。

表1 无故障MRR真值表(Input=1)

当MRR出现故障时，真值表如表2所示。

表1与表2对比可以看出出现故障时，O1和O2的值与正常时相反，这样对比可以看出当MRR出现故障时，相当于给控制端加一个反相器，使其状态相反。所以出现故障的MRR可以简化为如图5(b)所示的模型。

图5 MRR简化模型

Ctrl10O101O210故障类型s-a-0s-a-1

采用MRR为核心器件，可以构建光片上网络的光路由器，如图6所示。

图6(a)是一个4×4光路由器 (first 4×4 photonic router，FPR),它具有4段不同的光波导以及4个交叉点,总共有8个MRR；

图6(b)是第一个非阻塞光路由器(first non-blocking photonic router ，FNBPR)，它具有更多的内部交叉点，同样总共有8个MRR。

本文采用MRR故障模拟器分别设计FPR光路由器故障模拟器和FNBPR光路由器故障模拟器。

3 MRR故障模拟器设计

MRR故障模拟器的设计，经过原理分析和方案论证，决定采用SGM3157芯片。SGM3157是模拟开关芯片。

设计MRR故障模拟器电路如图7和图8所示。P1(控制端)连接到74LS164芯片的8个输出端口，IN(输入端)连接到STC89C52芯片的P0的低四位端口，OUT(输出端)连接到STC89C52芯片的P0的高四位端口。

图6 FPR光路由器和FNBPR光路由器

图7 FPR型故障模拟器电路图

4 系统软件设计

单片机通过对4×4故障设置模块，进行判键之后根据读取到的键值不同来对MRR故障模拟器模块进行设置并送显示模块进行显示，之后给MRR故障模拟器模块输入测试矢量，MRR故障模拟器输出相应的值，单片机读取这个值与故障表对比进行故障判断，然后把判断的结果送显示模块进行显示。

进行按键判断之后，将读取到的键值存到参数a中，当a=0或1时，相当于切换MRR故障模拟器模块，就根据模块切换判断故障程序，当a=2和3时，相当于切换二选一芯片的控制端，2的时候控制端给0，3的时候控制端给1；当a=4～11时，意味着给编号位1～8中的一个二选一开关的控制端加反相器，4对应1号，5对应2号，以此类推，11对应8号。举个例子：先按下按键1，键值为0，选择MRR故障模拟器模块为0，之后按下按键3，键值为2，8个二选一开关的控制端输出为全0(0x00)，之后按下按键6，键值为5，8个二选一开关的控制端输出就变为0x02。当a=12时，相当于随机故障，也就是产生一个1～8的随机数，来确定故障设置在哪个开关。故障设置流程图如图9所示。

图8 FNBPR型故障模拟器电路图

图9 故障设置流程图

MRR故障模拟器有4个输入端，4个输出端。单片机先给这4个输入端的中的最低位为1，其余为0，然后单片机读取4个输出端的值与故障表进行对比，当值相等时，就输出该故障的位置。之后依次高1位的输出端为1，读输出端的值与故障表进行对比。直到输入端最高位都给过1并判断完结果为止。故障判断流程图如图10所示。

图10 故障判断流程图

5 实验结果与分析

为了对本文设计的故障模拟器进行验证，首先必须建立待测故障模拟器的故障表。FRR故障表如表3所示，FNBPR故障表如表4所示。

表3中的故障位置列：xs-a-0，表示第x个MRR为呆滞0故障。表3中的故障位置列：xs-a-1，表示第x个MRR为呆滞1故障。表4中含义相同。

针对FPR光路由器故障模拟器和FNBPR光路由器故障模拟器的试验结果如表5。试验结果表明，本文设计的故障模拟器，故障覆盖率可以达到100%。

表3 FRR故障表

表4 FNBPR故障表

表5 MRR故障模拟器FPR与FNBPR模块测试结果

6 结束语

本文建立MRR的故障模型,给出MRR故障模拟器的设计原理，FPR光路由器故障模拟器和FNBPR光路由器故障模拟器的试验结果证明了本文设计的故障模拟器的有效性。下一步的工作，将采用FPGA设计故障模拟器，方便修改任意拓扑结构的光路由器，最终实现可配置的光路由故障模拟器。