車載光纖通信
 

　　隨著ADAS(高階駕駛輔助系統(tǒng))、汽車智能網(wǎng)聯(lián)、V2X和信息娛樂技術的不斷發(fā)展，車載電子系統(tǒng)和應用數(shù)量迅速增加。不斷增長的車內傳輸數(shù)據(jù)量對車載通信網(wǎng)絡造成了巨大的數(shù)據(jù)帶寬和安全性需求，傳統(tǒng)的車載總線技術已經不能滿足當今高速傳輸?shù)囊蟆ｃ~纜的廣泛使用導致了嚴重的電磁干擾(EMI)，同時也存在CAN、LIN、FlexRay等傳統(tǒng)總線技術不太容易解決的問題。在此背景下，車載光纖通信技術逐漸受到關注和重視，除了大大提高數(shù)據(jù)傳輸率外，還具有抗電磁干擾、減少電纜空間和車輛質量等優(yōu)點，在未來具有很大的發(fā)展?jié)摿ΑEEE 標準化組織802.3 工作組在2019年就啟動了標準的研究工作，要在車內實現(xiàn)短距離光纖通信，這些年相繼推出了802.3.cy、802.3.cz等一系列技術標準。
 

　　車載光纖通信優(yōu)勢

來源：濱松光子學株式會社，車載網(wǎng)絡
 

　　電氣和自動駕駛結構大大推動了布線系統(tǒng)的挑戰(zhàn)，其面臨的問題主要包括電磁干擾、帶寬和減重。通信速率超過100 Mb/s的銅線鏈路需要較重和昂貴的解決方案才能符合嚴格的EMC規(guī)范，所需電纜直徑不斷增大的重量與電動動力總成的續(xù)航距離之間存在嚴重的矛盾。此外，汽車應用、使用和安全對網(wǎng)絡帶寬提出了更高的要求。光網(wǎng)絡技術得益于其固有的靜電隔離、魯棒性、低成本和低重量，從而具備了傳統(tǒng)銅線鏈路難以達到的優(yōu)勢：
 

　　1.  減少車輛質量：塑料光纖(POF)是目前可靠的解決辦法之一，塑料光纖可以承受惡劣的環(huán)境、振動、錯位、污染、濕度、寬溫度范圍等，POF允許快速動態(tài)彎曲、緊靜態(tài)彎曲和浸泡在液體中。此外，光纖鏈路的使用也可以大大減輕系統(tǒng)的重量，有相關研究表明，與屏蔽雙絞線(STP)相比，塑料光纖可將重量減少30%以上；在使用光纖后，頭燈模塊的質量可以從190.9g減少到81g。
 

　　2.  減少電磁干擾：光纖內部的光信號是通過光纖傳輸而不是以電流的形式傳輸?shù)模瑢﹄姶艌鼍哂刑烊坏拿庖咝院头€(wěn)定性，使用光傳輸線時不會產生電磁干擾威脅，電磁兼容性能會變得更好。光纖傳輸?shù)膬?yōu)勢包括在非常嘈雜的環(huán)境中，如具有高電壓和非常低開關時間的電力電子設備，具有更高的電磁兼容性，因其固有的接地隔離，可以保證安全性。此外，通過光學連接電子控制單元(ECU)，可以將不同系統(tǒng)間的噪聲限制在產生它的ECU中，避免其傳播到整個車輛。而這些用基于銅的網(wǎng)絡實現(xiàn)類似的隔離是非常困難和昂貴的。
 

　　3.  滿足更高帶寬的需求：ADAS和自動駕駛將使用許多傳感器組件，并將在網(wǎng)絡中傳輸和處理大量未壓縮的高視覺圖像數(shù)據(jù)流。在不久的將來，自動駕駛系統(tǒng)需要10Gbps或更高的數(shù)據(jù)速率，對于傳統(tǒng)銅線網(wǎng)絡需要付出的代價更高。光纖能夠傳輸?shù)膸捜萘扛螅梢灾С指嗟挠脩敉瑫r訪問，因此在高流量和高帶寬使用場景下，光纖更適合網(wǎng)絡連接，也可以降低網(wǎng)絡的傳輸延遲，提高網(wǎng)絡的響應速度。
 

　　車載光纖通信發(fā)展歷程
 

　　1997年，光纖通信系統(tǒng)以數(shù)字數(shù)據(jù)總線(D2B)標準的形式應用于車載，D2B由流量損耗階躍折射率塑料光纖(SI-POF)和LED光源組成。
 

　　MOST(面向媒體的系統(tǒng)傳輸)標準成立于1998年，通過階躍折射率塑料光纖(SI-POF)作為物理介質，并采用環(huán)形拓撲結構。經過多年發(fā)展衍生出了MOST25、MOSTI50等多種不同種類的物理層傳輸音頻、視頻、語音和數(shù)據(jù)信號。
 

　　隨著通信帶寬的不斷增長，光纖通信技術的標準也在不斷更新。IEEE1394的標準(IDB)-1394采用了VCESL激光器和硬聚合物包層二氧化硅光纖(HPCF)來匹配500Mbps左右?guī)挼耐ㄐ畔到y(tǒng)。以太網(wǎng)通信標準則采用16脈沖調幅(PAM)和轉發(fā)糾錯(FEC)來增加SI-POF的帶寬用于Gbps級車載光纖通信。下表介紹了車載光纖通信技術的發(fā)展歷史和應用場景。
 

幾種光纖通信技術的應用場景和oem廠商
 

車載光纖通信技術產生的內在驅動以及技術發(fā)展
 

　　參考文獻：Wang W, Yu S, Cao W, et al. Review of in-vehicle optical fiber communication technology[J]. Automotive Innovation, 2022, 5(3): 272-284.
 

　　產業(yè)鏈發(fā)展方案
 

　　目前車載光纖通信采取的方案還有不少有待解決的爭議。主要是在光纖和光通信尤其是激光器的選型上。
 

　　首先光纖，可選光模塊常用的多模光纖OM3，光纖材料是SiO2，還有一些廠家想推塑料光纖。塑料比玻璃會便宜，且耐彎曲，但是，塑料光纖產業(yè)鏈不成熟，想做好性能的話，初期成本不會低，畢竟光纖通信的光纖制造工藝已經到了極其成熟的地步，沒有任何的前期研發(fā)成本和設備成本。塑料光纖的可靠性問題在于不耐高溫，玻璃光纖的可靠性問題在于容易折斷。
 

　　另一方面，使用哪一類激光器也是爭論的重點。目前有三個方案，一個是850 nm VCSEL，一個是980 nm VCSEL，一個是硅光集成方案。850 nm的優(yōu)勢在于高速調制產業(yè)經驗，但Trumpf在2021年802.3.cz工作組中的報告顯示目前850 nm激光器在可靠性上明顯不如980 nm。980nm的優(yōu)勢在于低損耗、低色散和大功率的可靠性經驗，但實際上980nm通常應用在無信號調制下，一旦要調制信號，就需要重新設計，現(xiàn)有的可靠性很可能要重新評估。
 

　　850 nm和980 nm都用的是GaAs材料，導熱率46W/m.k，硅的導熱率150W/m.k。GaAs是化合物半導體，晶圓尺寸較小(4-6英寸)，硅的晶圓有8-12英寸。因此硅光的優(yōu)勢在于硅的高導熱系數(shù)、1310nm波段的優(yōu)秀性能以及超大晶圓的低成本屬性。但硅不能發(fā)光，激光器還是得用InP材料體系，也就是硅光+InP的組合，這樣導熱和價格依然存在問題。此外硅波導很小，對于汽車不斷震動的應用環(huán)境，也未必能保持住光路穩(wěn)定性。
 

　　車載光模塊及光電器件可靠性要求
 

　　上一段談到，通信產品的可靠性對產業(yè)鏈選型有非常重要的影響。主要是因為車載光纖通信中對光模塊的要求與數(shù)據(jù)中心、工業(yè)級應用相比更嚴苛。以光纖為例，由于高溫振動、化學品、汽油的存在，車載光纖的工作環(huán)境極為惡劣，所以車載光纖從設計上就要考慮惡劣環(huán)境的影響。從不同行業(yè)的可靠性標準中我們也可以略窺一二，在汽車行業(yè)廣泛使用的 AEC?Q資格標準規(guī)定車內電子設備要支持?40°C~105°C甚至更高的環(huán)境溫度范圍。而在通信行業(yè)標準中往往只要求芯片的環(huán)境溫度在-40℃~85℃。
 

　　另一方面，數(shù)據(jù)中心或工業(yè)場景中光模塊可以定期更換，對使用壽命要求相對較短。但是車載光模塊，要至少在不同的惡劣環(huán)境下工作15-20年，且不允許損壞和更換，這才能達到車規(guī)級標準。汽車行業(yè)對電子元件的可靠性設定了非常苛刻的目標，可以用一個數(shù)字來概括：10 FIT(1 FIT的定義:運行10億小時出現(xiàn)一個故障)，在通信行業(yè)里這一標準一般小于125 FIT。
 

　　總結
 

　　隨著智能駕駛及通感一體化等應用場景的深入發(fā)展，車載光纖通信技術迎來了較快速的發(fā)展，未來車載光纖通信技術將采用更實時的通信協(xié)議和更靈活的拓撲結構，使車載通信更快、更高效。因此，光纖通信技術將會成為汽車領域進一步發(fā)展的重要技術之一。目前，國內車載光纖通信領域雖未大量宣傳報道，多家車廠以及相關企業(yè)已經開始進行相關布局，比如華為提出的“全光智能車”架構、今年光博會上光迅等企業(yè)提到的車載光通信和通感一體化，一些設備供應商也有相關產品進行跟進。總而言之，智能汽車 “光進銅退” 的趨勢已經不可逆轉，提前布局，才能在車載光通信產業(yè)中掌握先發(fā)優(yōu)勢。
 

　　廣電計量光電子器件驗證服務
 

　　廣電計量完成激光發(fā)射器、探測器全套AEC-Q102車規(guī)認證的第三方檢測機構，具備APD、VCSEL、PLD等批次性驗證試驗能力。在此基礎上，廣電計量現(xiàn)已全面開展通信用光電子器件的可靠性測試認證服務，在人才隊伍上，形成以博士、專家為核心的光電器件測試分析團隊，具備國內電子器件測試標準解讀能力和試驗能力，能夠提供一站式光電子器件測試方案。