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(lè)技術(shù)的不斷發(fā)展，車載電子系統(tǒng)和應(yīng)用數(shù)量迅速增加。不斷增長(zhǎng)的車內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)量對(duì)車載通信網(wǎng)絡(luò)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(shù)已經(jīng)不能滿足當(dāng)今高速傳輸?shù)囊蟆ｃ~纜的廣泛使用導(dǎo)致了嚴(yán)重的電磁干擾(EMI)，同時(shí)也存在CAN、LIN、FlexRay等傳統(tǒng)總線技術(shù)不太容易解決的問(wèn)題。在此背景下，車載光纖通信技術(shù)逐漸受到關(guān)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(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，在未來(lái)具有很大的發(fā)展?jié)摿ΑEEE 標(biāo)準(zhǔn)化組織802.3 工作組在2019年就啟動(dòng)了標(biāo)準(zhǔn)的研究工作，要在車內(nèi)實(shí)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

車載光纖通信優(yōu)勢(shì)

電氣和自動(dòng)駕駛結(jié)構(gòu)大大推動(dòng)了布線系統(tǒng)的挑戰(zhàn)，其面臨的問(wèn)題主要包括電磁干擾、帶寬和減重。通信速率超過(guò)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(yán)格的EMC規(guī)范，所需電纜直徑不斷增大的重量與電動(dòng)動(dòng)力總成的續(xù)航距離之間存在嚴(yán)重的矛盾。此外，汽車應(yīng)用、使用和安全對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬提出了更高的要求。光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(dá)到的優(yōu)勢(shì)：

1. 減少車輛質(zhì)量：塑料光纖（POF）是目前最可靠的解決方案之一，塑料光纖可以承受惡劣的環(huán)境、振動(dòng)、錯(cuò)位、污染、濕度、寬溫度范圍等，POF允許快速動(dòng)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(guān)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(zhì)量可以從190.9g減少到81g。

2. 減少電磁干擾：光纖內(nèi)部的光信號(hào)是通過(guò)光纖傳輸而不是以電流的形式傳輸?shù)模瑢?duì)電磁場(chǎng)具有天然的免疫性和穩(wěn)定性，使用光傳輸線時(shí)不會(huì)產(chǎn)生電磁干擾威脅，電磁兼容性能會(huì)變得更好。光纖傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)包括在非常嘈雜的環(huán)境中，如具有高電壓和非常低開(kāi)關(guān)時(shí)間的電力電子設(shè)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(guò)光學(xué)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(chǎn)生它的ECU中，避免其傳播到整個(gè)車輛。而這些用基于銅的網(wǎng)絡(luò)實(shí)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(dòng)駕駛將使用許多傳感器組件，并將在網(wǎng)絡(luò)中傳輸和處理大量未壓縮的高視覺(jué)圖像數(shù)據(jù)流。在不久的將來(lái)，完全自動(dòng)駕駛系統(tǒng)需要10Gbps或更高的數(shù)據(jù)速率，對(duì)于傳統(tǒng)銅線網(wǎng)絡(luò)需要付出的代價(jià)更高。光纖能夠傳輸?shù)膸捜萘扛螅梢灾С指嗟挠脩敉瑫r(shí)訪問(wèn)，因此在高流量和高帶寬使用場(chǎng)景下，光纖更適合網(wǎng)絡(luò)連接，也可以降低網(wǎng)絡(luò)的傳輸延遲，提高網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)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?jǐn)?shù)據(jù)總線(D2B)標(biāo)準(zhǔn)的形式首次應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)成立于1998年，通過(guò)階躍折射率塑料光纖（SI-POF）作為物理介質(zhì)，并采用環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)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(yǔ)音和數(shù)據(jù)信號(hào)。

隨著通信帶寬的不斷增長(zhǎng)，光纖通信技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)也在不斷更新。IEEE1394的標(biāo)準(zhǔn)(IDB)-1394采用了VCESL激光器和硬聚合物包層二氧化硅光纖(HPCF)來(lái)匹配500Mbps左右?guī)挼耐ㄐ畔到y(tǒng)。以太網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)則采用16脈沖調(diào)幅(PAM)和轉(zhuǎn)發(fā)糾錯(cuò)(FEC)來(lái)增加SI-POF的帶寬用于Gbps級(jí)車載光纖通信。下表介紹了車載光纖通信技術(shù)的發(fā)展歷史和應(yīng)用場(chǎng)景。

幾種光纖通信技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景和oem廠商

車載光纖通信技術(shù)產(chǎn)生的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)以及技術(shù)發(fā)展

參考文獻(xiàn)：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(chǎn)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(zhēng)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(huì)便宜，且耐彎曲，但是，塑料光纖產(chǎn)業(yè)鏈不成熟，想做好性能的話，初期成本不會(huì)低，畢竟光纖通信的光纖制造工藝已經(jīng)到了極其成熟的地步，沒(méi)有任何的前期研發(fā)成本和設(shè)備成本。塑料光纖的可靠性問(wèn)題在于不耐高溫，玻璃光纖的可靠性問(wèn)題在于容易折斷。

另一方面，使用哪一類激光器也是爭(zhēng)論的重點(diǎn)。目前有三個(gè)方案，一個(gè)是850 nm VCSEL，一個(gè)是980 nm VCSEL，一個(gè)是硅光集成方案。850 nm的優(yōu)勢(shì)在于高速調(diào)制產(chǎn)業(yè)經(jīng)驗(yàn)，但Trumpf在2021年802.3.cz工作組中的報(bào)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(shì)在于低損耗、低色散和大功率的可靠性經(jīng)驗(yàn)，但實(shí)際上980nm通常應(yīng)用在無(wú)信號(hào)調(diào)制下，一旦要調(diào)制信號(hào)，就需要重新設(shè)計(jì)，現(xiàn)有的可靠性很可能要重新評(píng)估。

850 nm和980 nm都用的是GaAs材料，導(dǎo)熱率46W/m.k，硅的導(dǎo)熱率150W/m.k。GaAs是化合物半導(dǎo)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(shì)在于硅的高導(dǎo)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(dǎo)熱和價(jià)格依然存在問(wèn)題。此外硅波導(dǎo)很小，對(duì)于汽車不斷震動(dòng)的應(yīng)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(chǎn)品的可靠性對(duì)產(chǎn)業(yè)鏈選型有非常重要的影響。主要是因?yàn)檐囕d光纖通信中對(duì)光模塊的要求與數(shù)據(jù)中心、工業(yè)級(jí)應(yīng)用相比更嚴(yán)苛。以光纖為例，由于高溫振動(dòng)、化學(xué)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(shè)計(jì)上就要考慮惡劣環(huán)境的影響。從不同行業(yè)的可靠性標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定車內(nèi)電子設(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(chǎng)景中光模塊可以定期更換，對(duì)使用壽命要求相對(duì)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(dá)到車規(guī)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。汽車行業(yè)對(duì)電子元件的可靠性設(shè)定了非常苛刻的目標(biāo)，可以用一個(gè)數(shù)字來(lái)概括：10 FIT（1 FIT的定義:運(yùn)行10億小時(shí)出現(xiàn)一個(gè)故障），在通信行業(yè)里這一標(biāo)準(zhǔn)一般小于125 FIT。

總結(jié)

隨著智能駕駛及通感一體化等應(yīng)用場(chǎng)景的深入發(fā)展，車載光纖通信技術(shù)迎來(lái)了較快速的發(fā)展，未來(lái)車載光纖通信技術(shù)將采用更實(shí)時(shí)的通信協(xié)議和更靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使車載通信更快、更高效。因此，光纖通信技術(shù)將會(huì)成為汽車領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展的重要技術(shù)之一。目前，國(guó)內(nèi)車載光纖通信領(lǐng)域雖未大量宣傳報(bào)道，多家車廠以及相關(guān)企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行相關(guān)布局，比如華為提出的“全光智能車”架構(gòu)、今年光博會(huì)上光迅等企業(yè)提到的車載光通信和通感一體化，一些設(shè)備供應(yīng)商也有相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行跟進(jìn)。總而言之，智能汽車 “光進(jìn)銅退” 的趨勢(shì)已經(jīng)不可逆轉(zhuǎn)，提前布局，才能在車載光通信產(chǎn)業(yè)中掌握先發(fā)優(yōu)勢(shì)。

廣電計(jì)量光電子器件驗(yàn)證服務(wù)

廣電計(jì)量是國(guó)內(nèi)首家完成激光發(fā)射器、探測(cè)器全套AEC-Q102車規(guī)認(rèn)證的第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)，具備APD、VCSEL、PLD等批次性驗(yàn)證試驗(yàn)?zāi)芰ΑＴ诖嘶A(chǔ)上，廣電計(jì)量現(xiàn)已全面開(kāi)展通信用光電子器件的可靠性測(cè)試認(rèn)證服務(wù)，在人才隊(duì)伍上，形成以博士、專家為核心的光電器件測(cè)試分析團(tuán)隊(duì)，具備國(guó)內(nèi)權(quán)威的光電子器件測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)解讀能力和試驗(yàn)?zāi)芰Γ軌蛱峁┮徽臼焦怆娮悠骷y(cè)試方案。