技術干貨| 淺談車載光纖通信

        電氣和自動駕駛結構大大推動了布線系統的挑戰，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規范，所需電纜直徑不斷增大的重量與電動動力總成的續航距離之間存在嚴重的矛盾。此外，汽車應用、使用和安全對網絡帶寬提出了更高的要求。光網絡技術得益于其固有的靜電隔離、魯棒性、低成本和低重量，從而具備了傳統銅線鏈路難以達到的優勢：

        1.  減少車輛質量：塑料光纖（POF）是目前可靠的解決方案之一，塑料光纖可以承受惡劣的環境、振動、錯位、污染、濕度、寬溫度范圍等，POF允許快速動態彎曲、緊靜態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的，對電磁場具有天然的免疫性和穩定性，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。光纖傳輸的優勢包括在非常嘈雜的環境中，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絡實現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，并將在網絡中傳輸和處理大量未壓縮的高視覺圖像數據流。在不久的將來，全自動駕駛系統需要10Gbps或更高的數據速率，對于傳統銅線網絡需要付出的代價更高。光纖能夠傳輸的帶寬容量更大，可以支持更多的用戶同時訪問，因此在高流量和高帶寬使用場景下，光纖更適合網絡連接，也可以降低網絡的傳輸延遲，提高網絡的響應速度。

        MOST(面向媒體的系統傳輸)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，并采用環形拓撲結構。經過多年發展衍生出了MOST25、MOSTI50等多種不同種類的物理層傳輸音頻、視頻、語音和數據信號。

        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左右帶寬的通信系統。以太網通信標準則采用16脈沖調幅(PAM)和轉發糾錯(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.

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的優勢在于高速調制產業經驗，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。因此硅光的優勢在于硅的高導熱系數、1310nm波段的優秀性能以及超大晶圓的低成本屬性。但硅不能發光，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境，也未必能保持住光路穩定性。

        另一方面，數據中心或工業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境下工作15-20年，且不允許損壞和更換，這才能達到車規級標準。汽車行業對電子元件的可靠性設定了非常苛刻的目標，可以用一個數字來概括：10 FIT（1 FIT的定義:運行10億小時出現一個故障），在通信行業里這一標準一般小于125 FIT。