面向自动驾驶的硅基光电子车载光网络(SiPhON)系统

逍遥设计自动化

引言
8 a8 a/ {4 j! g& B. Q在快速发展的自动驾驶车辆领域，一个主要挑战是开发能够处理各种传感器和摄像头产生的海量数据的通信系统。针对这个问题，来自庆应义塾大学、东京大学、大阪大学和古河电气工业株式会社的合作团队提出了突破性解决方案。硅基光电子车载光网络（SiPhON）有望彻底改变自动驾驶车辆内部数据传输方式[1]。
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高速车载通信的需求
随着车辆自动化程度提高，越来越多的电子设备如摄像头、激光雷达和雷达系统被使用。这些传感器产生大量数据，需要实时处理以确保安全高效运行。传统车载网络难以满足这些需求，成为全自动驾驶车辆开发的瓶颈。
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SiPhON应运而生，这是一个专为汽车行业设计的尖端光通信系统。该系统旨在提供高速、低延迟的数据传输，满足先进自动驾驶的需求，同时符合汽车环境的严格要求。
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; Y( q8 v/ q9 e9 @" P9 SSiPhON：改变游戏规则的技术
SiPhON利用硅基光电子技术创建高可靠性和高容量的车载网络。系统设计包括一个中央电子控制单元（ECU），内置半导体激光器，而基于硅基光电子集成技术的调制器和接收器则分布在车辆各处的Gateway设备中。
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图1：该图展示了SiPhON系统的配置，显示了中央ECU、Gateway设备以及之间的通信路径。

SiPhON架构由两个主要组件组成：

数据传输网络（D-plane）：这个高速网络传输容量超过50 Gb/s，潜在可超过100 Gb/s。

控制信号传输网络（C-plane）：该网络处理控制信号和协议，用于错误纠正和链路建立。
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SiPhON的主要优势是高可靠性。系统通过复制传输路径和光源实现冗余，在100 Gb/s容量下平均故障时间（MTTF）超过50年。

概念验证演示
为展示SiPhON的能力，研究团队构建了一个模拟车载网络的概念验证系统。该系统成功演示了来自多个源的高带宽数据的低延迟、无错误传输。
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图2：该图显示了概念验证系统的布局，包括主设备、Gateway设备以及各种传感器和摄像头。

演示包括：
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同时传输两个4K摄像头的视频信号，每个10 Gb/s

来自周边监控雷达和激光雷达的低速数据传输

使用传输的摄像头数据进行实时物体和交通标志识别

这次成功的演示证明SiPhON能够处理先进自动驾驶系统所需的各种数据流。
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SiPhON的关键组件
SiPhON系统依赖几个创新组件实现其出色性能：
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' a, W, `: _3 D- \图3：该复合图展示了SiPhON使用的硅基光电子器件的各种组件，包括光线路、模块和波形。
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硅基光电子器件是SiPhON高速能力的核心。这些组件包括：
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MZI（马赫-曾德干涉仪）调制器用于高速数据编码

锗PIN光电探测器用于光信号接收

用于信号放大和处理的集成线路

2. 光纤和电力线复合线束

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2 a7 @9 P! O- S% Y* c" O图4：该图显示了FASPULS（灵活汽车信号和电力统一线系统）复合线束，结合了光纤和电力线。

- `1 \" K* ]# `/ i& T! E8 OFASPULS线束是关键创新，简化了车内布线同时支持高速通信。
主要特点包括：

集成单模光纤和电力线

低连接损耗（1550 nm波长下最大0.4 dB）

高电流容量（每根线50A）

宽工作温度范围（-40°C至105°C）
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SiPhON的优势
SiPhON系统为自动驾驶车辆开发提供了几个显著优势：

高速数据传输：容量超过50 Gb/s（潜在可达100 Gb/s），SiPhON可处理先进自动驾驶所需的海量数据流。

低延迟：光网络确保快速数据传输，这对自动驾驶车辆的实时决策至关重要。

高可靠性：冗余设计和硅基光电子技术的使用使系统异常可靠，MTTF超过50年。

可扩展性：以太网兼容接口允许灵活的流量控制和ECU间传输容量的简单扩展。

简化布线：FASPULS复合线束减少了车辆布线复杂性，同时支持高速通信。
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未来展望
1 N/ i# S& O3 q, `; m- l" g3 _SiPhON的演示标志着自动驾驶车辆技术开发的重要里程碑。随着研究继续，我们期待看到更快、更可靠、高度可扩展的系统出现。
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, u8 s$ ~! @. E4 @! C+ s7 GSiPhON背后的技术有潜力加速自动驾驶系统和互联服务的发展。通过提供强大的高速通信骨干，SiPhON可能实现更先进的驾驶辅助功能，提高车辆安全性，为全自动驾驶车辆奠定基础。
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参考文献
[1] H. Tsuda et al., "Demonstration of a Highly Reliable Si-Photonics-Based In-Vehicle Optical Network (SiPhON) for Autonomous Driving," in 50th European Conference on Optical Communications (ECOC2024), Frankfurt, Germany, Sept. 22-26, 2024, Paper W2A.117.

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