古河电工：硅光技术赋能未来自动驾驶车载光网络

1. 研究背景与目标

1.1 自动驾驶对车载通信的需求

      在汽车行业向自动驾驶转型的进程中，车载通信架构正经历深刻的技术革新。自动驾驶车辆配备了大量传感器，如4K摄像头、LiDAR（激光雷达）和雷达等，这些传感器产生海量数据，要求车载网络具备高带宽（超100 Gbps）和低延迟特性，以确保车辆的安全与高效运行。

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      传统车载网络面临诸多挑战，如线束重量大，随着车辆电子设备的增加，线束成本和重量问题愈发突出；在电动汽车中，电磁兼容性（EMC）要求极为严苛，普通电路易受电磁场影响，需使用电磁屏蔽电缆，但其存在重量和灵活性问题，且在长距离干线传播中，传播损耗严重，难以扩展带宽。

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1.2 现有光通信技术的局限与硅光子技术的优势

      为解决传统车载网络的问题，光通信技术被引入车载领域。目前，已有25/50G BASE - AU（IEEE802.3cz，多千兆位车载光以太网，即OMEGA）作为车载光网络标准。然而，OMEGA应用的980 nm垂直腔面发射激光器（VCSEL）在恶劣汽车环境中，存在系统可靠性下降的问题。硅光子技术则展现出独特优势，它能将光波导和电子电路集成到硅衬底上，实现高速、大容量、低功耗传输，成为解决车载通信难题的潜在方案。

2. SiPhON系统概念与架构

2.1 SiPhON系统概述

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      SiPhON系统是一种基于硅光子学的车载光网络系统，其核心是独立分布连续波激光器，并将集成有光调制器和探测器的硅光子器件以环形连接，实现车辆内部的通信。该系统由MASTER设备和Gateway设备构成，MASTER设备作为系统的核心，负责整体控制和信号处理；Gateway设备分布在车辆的各个区域，作为传感器的接口，将区域内集成的信号传输至MASTER设备。

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2.2 设备组成

2.2.1 MASTER设备

      MASTER设备集成了多种关键组件。其中，连续波光源采用DFB激光器，具有高稳定性和长寿命的特点。此外，设备内部还包含与MZM光调制器和光开关集成的光探测器，以及用于接收光信号的光探测器。MASTER设备具备通过光开关切换到冗余系统的功能，大大提高了系统的可靠性。在SiPhON系统中，有传输同步信号的控制平面（C平面）和传输容量不超过10 Gbps的数据平面（D平面），每个设备由FPGA控制，确保系统的灵活运行和高效管理。

2.2.2 Gateway设备

       Gateway设备配备了调制和检测（MD）光电路。MD光电路是集成了调制器和探测器的器件，且为光调制器和PD各配备2个通道以确保冗余。通过一对偏置值（高/低）的组合，MD光电路可改变消光特性，基于电压控制实现三模式操作：

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1. 直通Thru操作：Gateway设备抑制光功率衰减，将光信号传递给下一个Gateway设备，保证信号在环形网络中的稳定传输。

2. 接收Listen操作：Gateway设备接收从MASTER设备传输的光信号，以便获取系统控制信息和相关数据。

3. 发送Talk操作：Gateway设备通过光调制器对连续光进行调制，将本地传感器数据加载到光信号上并传输，实现数据的上传。

3. SiPhON系统优势

3.1 系统可靠性

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      从EMC性能和传播距离的角度，光信号传输在区域式汽车通信网络中优势明显。与OMEGA相比，SiPhON系统在可靠性方面表现突出。

      在OMEGA的菊花链网络配置中，若配备五个Gateway设备，为保持冗余需2条通道的光网络，整个系统将安装20个VCSEL。由于发光器件寿命受温度和电流密度影响显著，VCSEL在恶劣温度环境和自发热情况下，寿命会大幅缩短。

      而在SiPhON系统中，DFB激光器仅集中在MASTER设备中，通过控制其工作温度在25 - 50°C之间，可极大延长激光器寿命。经计算，SiPhON系统在100 Gbps传输容量下，平均故障间隔时间（MTTF）超100年；而OMEGA网络中，当Gateway设备环境温度达80°C时，系统寿命不足一年。

3.2 低延迟性能

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      通过计算机仿真，对比了以太网系统中菊花链式系统与SiPhON系统的低延迟性能。当6个摄像机向行车记录仪传输未压缩的4K 60p图像时，以太网系统（基于“AVB + TSN”规范配置）从摄像机6到行车记录仪的视频流量最小延迟为34 µs，最大延迟为90 µs；而SiPhON系统的最小延迟为3.5 µs，最大延迟为12 µs。此外，SiPhON系统通过优化时隙分配模式，可实现50 Gbps或更高的传输性能，能更好地满足自动驾驶中对实时数据传输的低延迟要求。

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4. 原型制备及其评估

4.1 MD光模块设计

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      MD光模块采用低温共烧陶瓷（LTCC）封装，LTCC适合构建多层结构，有利于实现高密度封装，且能形成空腔，减少引线键合引起的寄生电感。模块中，使用硅衬底（厚度300 µm）作为隔板调整MD光电路的光轴高度。

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      模块除MD光电器件外，还集成了跨阻放大器（TIA）和电容。其光端口为250 µm间距的8芯结构（2芯用于信号输入，2芯用于输出，4芯用于定位），单模光纤以对接结构连接到光波导。经测试，MD光模块在直通操作时插入损耗为–10 dB，发送操作时消光比为5.5 dB，Listen操作时即使从后置放大器输出也能确认良好的眼图，展现出良好的性能。

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4.2 车载光缆与电源系统

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      为满足车载光网络的布线需求，开发了灵活的车载信号和电源统一线路系统（FASPULS）。该系统集成了电源线和信号线，能够通过2极50 A电源提供高达100 A的电源，布线采用铝线减轻重量。在电缆中心，安装了4线OFS制造的Micro - Links（µlinx）航空光纤电缆作为通信线路。µlinx电缆具有出色的性能，工作温度范围为–65至150°C，远超车载部件要求标准。同时，该电缆通过了ISO标准中规定的振动测试（ISO16750 - 3），在汽车环境中具有良好的可靠性和环境耐受性。

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5. 演示测试

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      2024年3月，在庆应大学八神校区研究大楼进行了SiPhON系统的演示测试。测试系统中，MASTER设备和4个Gateway通过光链路连接，两个4K摄像机、一个LiDAR和一个控制器局域网（CAN）接口的雷达通过以太网交换机连接到Gateway，所有信息汇总到MASTER设备。

      测试过程中，监视器A上的虚拟驾驶场景由4K摄像机拍摄，数据通过SiPhON系统传输到执行图像处理的计算机，最后场景投影到监视器B上。各设备通过FASPULS链接，实现了电源供应和数据通信的一体化，成功验证了SiPhON系统在自动驾驶场景中的可行性和有效性。

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6. 未来展望

      尽管SiPhON系统已取得阶段性成果，但为实现实际应用和推广，仍面临诸多挑战。未来需要增加Gateway设备的链接级数，以扩展系统规模；降低调制器器件的损耗，维持损耗预算；开发针对发热的热控制技术，确保系统在复杂环境下稳定运行；探索先进的经济生产技术，降低成本。预计到2036年左右，随着车载光通信带宽需求提升至不少于50 Gbps，SiPhON系统有望通过持续优化，在自动驾驶车辆中得到广泛应用，为自动驾驶技术的发展提供强大支撑。

(原文链接如下：http://furukawa.co.jp/en/rd/review/fr056/fr56_12.pdf)