基于片上光频梳的数据中心光载太赫兹无线互连芯片及系统

本发明属于通信领域，具体涉及一种基于片上光频梳的数据中心光载太赫兹无线互连芯片及系统。

背景技术：

1、随着人工智能、大数据等技术的迅速发展，数据处理量呈现出爆炸性的增长。在这样的背景下，数据中心作为信息处理的核心，其对通信容量的需求也随之急剧增加。传统数据中心依赖于实体线缆进行布线，这种方式不仅布线复杂，而且占据了大量的空间。这种大量的线缆布置使得数据中心的散热需求显著提高，从而增加了散热设备的成本和能源消耗。因此为满足数据中心对于高速、大容量的通信需求，寻找更高效的通信技术变得尤为重要。

2、当前，尽管毫米波5g技术已被应用于数据中心，但面对数据中心不断增长的巨大数据吞吐量，其仍显得力不从心。其主要瓶颈在于通信速率的限制，因为以5g为代表的毫米波通信技术，其通信速率相对较低，难以满足现今以及未来高速增长的通信容量需求。

3、近年来，太赫兹通信技术逐渐受到业界关注，这种技术在0.1-10thz的频段内展现出卓越的数据传输速率，为数据中心带来了一种前沿的解决策略。太赫兹通信技术目前主要可划分为全电子学和光学太赫兹两大方向。全电子学的太赫兹技术依赖电子技术产生高功率的太赫兹信号，从而实现较长的通信距离。然而，其主要的通信频率普遍在300ghz以下，这一特点虽然确保了稳定的传输，但也限制了其数据传输速率，尤其在追求高频段和大带宽时面临诸多技术难题。另一方面，光学太赫兹技术可以采用光学差频方法生成太赫兹信号，这使得其能够触及更高的通信频率，并在高载波频率下实现更高的数据速率。此外，该技术充分利用了光电器件的高调制带宽、高线性等优势，为通信速率的进一步提升铺设了坚实的基础。目前，利用光学分立器件来实现光载太赫兹无线通信的策略已逐渐完善。但是分立器件形式的太赫兹通信系统设计会导致设备体积较大，占地面积多，不仅增加了成本，而且不利于在数据中心机柜与机柜或机柜内部间进行互连通信，因此其体积和能耗对数据中心来说并不理想。由此可见，如何实现光载太赫兹通信系统的集成化并应用于数据中心互连已经成为新的关键。

4、在公开号为cn112564819a的中国发明专利中，公开了一种基于直接检测的光电太赫兹高速通信系统。该系统的发射端利用强度调制并通过光电探测器来发射太赫兹信号，而接收端则采用直接检波方法来完成太赫兹的无线通信。尽管如此，该专利使用的是分立器件，其中并未涉及到集成器件的使用，并且也未采纳相干通信技术，这在一定程度上限制了其在数据中心及其他高端应用场景下的性能表现。

5、而在另一篇名为“towards mmic-based 300ghz indoor wirelesscommunication systems”的非专利文献中也深入探讨了太赫兹通信技术。该研究通过传统的全电子学倍频技术，并采用qpsk调制，成功实现了64gbit/s的传输速率。尽管该技术实现了前后端的集成，但其通信速率并未达到光学路线的最高水平，且存在较高的功耗问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有技术中太赫兹通信系统应用于数据中心存在的缺陷，并提供一种基于片上光频梳的数据中心光载太赫兹无线互连芯片及系统。

2、本发明所采用的具体技术方案如下：

3、第一方面，本发明提供了一种用于数据中心光载太赫兹无线互连芯片的光载太赫兹发射端芯片，所述光载太赫兹发射端芯片包括光频梳发生部分、光信号处理部分和太赫兹外差发射部分；

4、所述光频梳发生部分通过第一激光器产生单一频率光信号，再经片上硅基光波导由第一高q值微环谐振器产生频域上等间隔的第一光频梳；

5、所述光信号处理部分包含n路光信号处理通路，其中n为不小于2的整数；第1路光信号处理通路包括第一光滤波器和第一光放大器，用于对所述第一光频梳进行滤波和放大进而产生第一本振信号；其余的n-1路光信号处理通路均包括第一光滤波器、第一光放大器和iq调制器，所述第一光频梳通过片上硅基光波导输入每条光信号处理通路，由第一光滤波器和第一光放大器对其进行滤波和放大，再通过iq调制器利用外部输入的iq信号对放大后的光信号进行调制，进而产生n-1路频率间隔大于或等于系统设定的通信带宽的调制光信号，通过片上硅基光波导传输至所述太赫兹外差发射部分；

6、所述太赫兹外差发射部分包含n-1路太赫兹发射链路，n-1路太赫兹发射链路一一对应接收n-1路调制光信号作为输入，每一路太赫兹发射链路通过第一光电探测器将来自片上硅基光波导的调制光信号和第一本振信号进行差频处理，同时将光学信号转换成为第一电信号，再通过片上波导互连由第一电放大器将第一电信号放大后通过发射天线以太赫兹信号形式对外发射至光载太赫兹接收端芯片。

7、作为上述第一方面的优选，所述n-1路调制光信号的中心频率等间隔递增。

8、作为上述第一方面的优选，所述第一激光器优选采用dfb激光器。

9、作为上述第一方面的优选，所述第一光滤波器优选采用微环滤波器。

10、作为上述第一方面的优选，所述第一光放大器优选采用半导体光学放大器。

11、作为上述第一方面的优选，所述第一光电探测器优选采用单行载流子光电二极管。

12、作为上述第一方面的优选，所述第一电放大器优选采用低噪声放大。

13、作为上述第一方面的优选，所述发射天线优选采用硅基片上天线。

14、作为上述第一方面的优选，光载太赫兹发射端芯片中的器件均采用片上硅基集成。

15、第二方面，本发明提供了一种用于数据中心光载太赫兹无线互连芯片的光载太赫兹接收端芯片，所述光载太赫兹接收端芯片包括太赫兹本振生成部分和太赫兹下变频部分；

16、所述太赫兹本振生成部分包含第二激光器、第二高q值微环谐振器和n路太赫兹本振生成通路，其中n为不小于2的整数；第二激光器产生的单一频率光信号经由第二高q值微环谐振器产生频域上等间隔的第二光频梳后，分别通过片上硅基光波导输入n路太赫兹本振生成通路中；第1路太赫兹本振生成通路包括第二光滤波器和第二光放大器，用于对所述第二光频梳进行滤波和放大进而产生第二本振信号；其余n-1路太赫兹本振生成通路均包括第二光滤波器、第二光放大器、第二光电探测器和电滤波器；所述第二光频梳通过片上硅基光波导输入每条太赫兹本振生成通路，由第二光滤波器和第二光放大器对其进行滤波和放大，进而产生n-1路频率间隔大于或等于系统设定的通信带宽的接收端光信号，每一路太赫兹本振生成通路再在片上硅基光波导传播下通过第二光电探测器将自身通路产生的接收端光信号和第二本振信号进行差频处理，同时将光学信号转换成为第二电信号，最后由片上波导互连输入电滤波器滤除第二电信号中的直流分量后输出太赫兹本振信号；

17、所述太赫兹下变频部分包括n-1路电信号处理通路，每一路电信号处理通路均包括接收天线、第二电放大器和混频器，n-1路电信号处理通路分别通过接收天线一一对应接收所述光载太赫兹发射端芯片发射的n-1路太赫兹信号，并传输至第二电放大器进行放大，再由混频器将放大后的太赫兹信号与对应频率的所述太赫兹本振信号进行混频处理，下变频至供后端数字信号处理模块进行数字解调的中频信号。

18、作为上述第二方面的优选，所述n-1路接收端光信号的中心频率等间隔递增。

19、作为上述第二方面的优选，所述第二激光器优选采用dfb激光器。

20、作为上述第二方面的优选，所述第二光滤波器优选采用微环滤波器。

21、作为上述第二方面的优选，所述第二光放大器优选采用半导体光学放大器。

22、作为上述第二方面的优选，所述第二光电探测器优选采用单行载流子光电二极管。

23、作为上述第二方面的优选，所述电滤波器优选采用共面波导太赫兹滤波器。

24、作为上述第二方面的优选，所述接收天线优选采用硅基片上天线。

25、作为上述第二方面的优选，所述第二电放大器优选采用低噪声放大器。

26、作为上述第二方面的优选，所述混频器优选采用肖特基混频器。

27、作为上述第二方面的优选，光载太赫兹发射端芯片中的器件均采用片上硅基集成。

28、第三方面，本发明提供了一种基于片上光频梳的数据中心光载太赫兹无线互连芯片，其包括如上述第一方面任一所述的光载太赫兹接收端芯片和上述第二方面任一所述的光载太赫兹发射端芯片，所述光载太赫兹接收端芯片和所述光载太赫兹发射端芯片通过所述发射天线和所述接收天线的配合进行光载太赫兹无线互连通信。

29、第四方面，本发明提供了一种基于片上光频梳的数据中心光载太赫兹无线互连系统，其包括如上述第三方面所述的数据中心光载太赫兹无线互连芯片以及发射端数字信号处理模块和接收端数字信号处理模块；

30、所述发射端数字信号处理模块用于将数据中心的发射端网口传输的原始数据映射成为预定调制方式的iq信号，并将iq信号输入所述光载太赫兹发射端芯片中，供所述光载太赫兹发射端芯片中的iq调制器对光信号进行调制；

31、所述接收端数字信号处理模块用于对混频器中输出的中频信号进行采样和处理，提取出其中的iq信号并重新映射成为所述原始数据，再输入至数据中心的接收端网口。

32、本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

33、1)本发明在数据中心引入太赫兹无线通信技术，旨在利用太赫兹频段的丰富频谱资源，凭借高带宽、低延迟、高速率等特点，突破数据中心无线通信的容量上限，可以解决当前数据中心毫米波通信速率无法满足日益增长的通信需求的问题，从而为未来数据中心的高速通信需求提供支持。

34、2)本发明提出了通信分立器件的集成化方案来解决传统太赫兹通信系统设备体积大的问题。本发明在发射端和接收端芯片上采用单一激光源通过频梳发生器和滤波器生成所需的太赫兹信号源，结构简单并都集成在单个硅衬底上。且在接收端通过采用光电探测器对两个不同频率的激光信号进行差频，生成混频的太赫兹信号，代替传统通信系统中的太赫兹固态源或倍频器，使器件小型化。相较于传统分立器件和阵列激光器信号源，本发明具有体积小、功耗低的优点，更适合应用于数据中心场景。

35、3)本发明通过引入片上微环光频梳，产生多个等间隔的频率信号，太赫兹无线互连收发芯片的集成，来降低太赫兹互连的功率，降低互连能源消耗，还可以提高通信的多通道可拓展性、效率、稳定性。