Ladda ner artikeln här (länk, pdf). Fler tekniska rapporter finns på etn.se/expert

Fördelen blir ännu större när fordonen elektrifieras, vilket adderar kraftelektronik med höga effekter. Ethernet är utan tvekan det protokoll som kommer att användas och IEEE:s arbetsgrupp 802.3 håller på att bereda vägen för gigabithastigheter. Det finns redan en arbetsgrupp för 802.3cz.

KDPOF är ett av de företag som driver arbetet framåt och vi har visat att det går att implementera ett fordonsnät med 50 Gbit/s baserat på komponenter som normalt används i vanliga datanät.

Ljuskällan är en nyckelkomponent. Här passar en ytemitterande laser, så kallad VCSEL, bäst. Den klarar höga datatakter och har ett lågt pris. Tekniken bakom ytemitterande lasrar är välkänd, mogen och används i två vanliga tillämpningar: optiska sensorer i mobiltelefoner och kommunikation i datacenter. Den senare typen av lasrar kan även användas i fordon som drar nytta av dess redan låga pris och höga prestanda.

De ytemitterande lasrar som används i data­center lever ett betydligt bekvämare liv än de kommer att få i ett fordon. Arbetstemperaturer från 0 °C till 70 °C stöds normal, vilket räcker för många tillämpningar eftersom de ofta sitter i utrymmen med luftkonditionering. Fordonsindustrin kan inte erbjuda den komforten. Där gäller allt från isande kyla till en stekhet sommardag. I praktiken innebär det –40 °C till +105 °C vilket motsvarar nivå 2 i AEC-Q100-standarden som används av fordonsindustrin.

Men det kommer att leda till problem att köra en ytemitterande laser vid en omgivningstemperatur på +105 °C eftersom prestanda degraderas. Systemet måste därför designas för att hantera detta, särskilt som laserns substrat kommer att känna av en temperatur som är ändå högre. Därför måste man ha en marginal som gör att substratet håller sig inom –40 °C till +125 °C. KDPOF:s lösning klarar det även med hänsyn tagen till processvariationer hos de olika ytemitterande lasrarna.
Lasrarna måste inte bara klara en ­tuffare miljö, de måste också leva längre. Fiber­optiska transceivrar i datacenter kan gå sönder efter några år och byts då ut vid det regelbunda underhållet. Metoden fungerar eftersom det finns redundanta kommunikationskanaler. Den här typen av lösningar är inte acceptabla i fordonsindustrin. Den har mycket höga krav på tillförlitligheten hos elektroniken, och den kan sammanfattas som 10 FIT (Failures In Time). Det betyder att den förväntade felfrekvensen hos en komponent som mest är tio efter en miljard timmars driftstid. Ett annat sätt att uttrycka det är att färre än tio av tusen produkter får fallera efter en miljon timmars användning.

För att kunna garantera det måste de ytemitterande lasrarna vara i en miljö som är mindre stressande. Vi kan inte göra något åt temperaturområdet men vi kan åtminstone se till så att lasern påverkas mindre av den lägre strömdensiteten. Samtidigt leder lägre strömdensitet till att laserns livslängd ökar. Strömdensiteten definieras av arbetsströmmen och den aktiva ytan. Därför måste vi driva lasern med minsta möjliga ström. Problemet är att ljuset från lasern är proportionellt mot strömmen så när vi minskar strömmen kommer mindre ljus att nå mottagaren. Till detta kan läggas att lägre strömdensitet resulterar i lägre bandbredd hos lasern och högre relativt brus (RIN).

Vi behöver ett kommunikationssystem som är designat för att fungera med den här lägre strömmen; ett system som fungerar perfekt i svårare förhållanden än de som finns på kontor och i serverhallar.

KDPOF:s system klarar det och ger felfri kommunikation med låga strömdensiteter i VCSEL:n. Funktionen hos lasern verfieras genom att använda den som ljuskälla i en datalänk och samtidigt mäta bitfel.

Testsignalen kommer från en vågformsgenerator (AWG) och bitfelen mäts med programvara på en kommunikationsanalysator (DCA oscilloskop).
• AWG: Keysight M8194A 120 GSa/s vågforms­generator
• DCA: Keysight N1092C DCA-M oscilloskop

Kommunikationen sker med 50 Gbit/s. På mottagarsidan behövs speciell hårdvara som i framtiden kommer att vara implementerad i en kiselkrets men för den här demonstrationen användes algoritmer som laddas in i kommunikationsanalysatorn. Algoritmerna klarar inte realtidskommunikation utan instrumentet processar data som lagrats i minnet.

Småsignalen från kanal två på vågformsgeneratorn går tillsammans med en offsetström (bias) till lasern via en koaxialkabel. Offsetströmmen skapas av ett noggrant ström- och mätinstrument (SMU), Keysight B2901A. Inkopplingen sker via ett bias-t (Marki Microwave BTN-0040, 40 kHz till 40 GHz). SMU:n levererar en noggrant styrd ström till lasern på samma sätt som en integrerad krets kommer att göra i framtiden. Samma anslutning som levererar strömmen används för att mäta spänningsfallet över lasern.

Lasern är karakteriserad och förhållandet mellan framspänningsfallet och temperatur vid en given ström är känt. Genom att mäta framspänningsfallet med SMU:n går det att få realtidsdata om temperaturen i laserns substrat. Temperaturen i övergången (junc­tion) kan också beräknas med hjälp av den termiska resistansen mellan substratet och övergången i kombination med de faktiska likströmsförhållandena.

Ljuset från lasern kopplas till fibern med en FC-kontakt via optisk upplinjering. Det här steget behövs eftersom den ytemitterande lasern som används kommer i form av en okapslad halvledare som trådbondats till substratet.

Den andra änden av den 40 meter långa fibern ansluts till den optiska ingången på kommunikationsanalysatorn.

En nyckelkomponent i den här implementationen är klockåtervinningen som görs genom att klockans fas laddas in i instrumentet som en del av mottagaralgoritmen. Den här lösningen fungerar inte för frekvensåtervinning även om den kommer att användas i den integrerade kisellösningen eftersom den måste göras i realtid. Därför är det nödvändigt att mata instrumentet med en klockreferens som har exakt rätt frekvens. Det sker genom att generera en fyrkantsvåg på kanal ett i vågformsgeneratorn och ansluta den till triggeringången (Clock in). Frekvensen på referensklockan som används är den samma som datatakten, 26,88 GHz.

För att styra temperaturen hos VCSEL:n används ett Peltierelement som har fysisk kontakt med kortet den är monterad på. En kylfläns med en fläkt sitter på andra sidan av Peltierlementet och bidrar till att få bort värmen. Lasern är innesluten i ett hölje av genomskinligt metakrylat som både skyddar den och ser till att temperaturen är stabil.

Peltierlementet styrs av en temperaturkontroller som är programmerad att ge en högre temperatur än vad man vill ha i lasern. Orsaken är den termiska resistansen mellan Peltier­elementet och laserns substrat. Det ­behövs en temperatur på närmare 145 °C för att nå 125 °C i lasern. Temperaturen mäts, som tidigare beskrivet, via framspänningsfallet.

En dator i chassit till vågformsgeneratorn styr större delen av uppställningen medan själva vågformsgeneratorn styrs via PCIe, och därmed även vilket testmönster som skickas ut, modulationen och datatakten.

Vågformsgeneratorn är kopplad till kanal­analysatorn via en USB-kanel och kan styra bearbetningen av mottaget data liksom ­verifiera att det kommit fram korrekt.

SMU:n som mäter spänningsfallet över ­lasern är ansluten med Ethernetkabel.

En liknande uppställning som den här användes för en presentation för gruppen som arbetar med IEEE 802.3cz Study Group.

Komponenter som användes
En sak som är värd att lyfta fram är att den här demonstrationen inte använder en specialtillverkad VCSEL utan en modell för datacenter. Det är ULM850-25-TT-V03 från Trumpf som ger 25 Gbit/s.

Två varianter av multimodfiber av glas användes, OFS:s HCU-MF050T 50/200/230 GiHCS och ClearCurve Mid-Temperature Specialty Optical Fiber for Harsh Environments MM50BI-XMT-H från Corning. De har i princip samma optiska egenskaper som de fibrer som används i datacenter men med en speciell ytbehandling som skyddar mot höga temperaturer och mekaniska påfrestningar.
Utsänd signal och test av mottagningen

Vågformsgeneratorn ger en elektrisk ­signal med slumptalsdata som modulerar ­enligt PAM4 med en datatakt på 26,88 Gbit/s. ­Denna signal driver lasern efter det att en offsetspänning adderats.

Den resulterande signalen i den optiska fibern tas emot på kanalanalysatorns optiska ingång. Efter sampling visar instrumentet två olika ögondiagram.

Det första representerar den signal som instrumentet ser på ingången. På grund av den höga datatakten – och den låga optiska effekten när den ytemitterande lasern tvingas arbeta vid hög temperatur och med låg ström – kan man notera att den mottagna signalen inte har ett ”öppet öga”, det är omöjligt att skilja mellan de fyra olika nivåerna i PAM4-modulationen. Mjukvaran i instrumentet gör det möjligt att bearbeta insamlat data med en modell av KDPOF:s referensmottagare. På samma sätt som den framtida kiselkretsen utför mottagaren i kanalanalysatorn de steg i signalbehandlingen som behövs för att tolka signalen. Bland annat ingår återvinning av klockfasen och kanalutjämning liksom hantering av fel som följer av den begränsade bandbredden, höga distorsionen och bruset från lasern när den drivs med låg ström vid en hög temperatur.

Resultatet syns i det andra diagrammet som har ett öppet öga. Nu är det möjligt att skilja på de fyra nivåerna i PAM4-modulationen.

I signalbehandlingen ingår också felkorrigering (FEC). Denna är implementerad i modellen av mottagaren så bitfelet efter felkorrigering kan mätas. I figur 4 finns ett exempel med ett ögondiagram och annan intressant information från mottagaren. Det är histogram före utjämning, histogram över felfrekvensen i modulationen (MER) och bitfelen efter felkorrigering. Dessutom visas temperaturen i laserns substrat och i det aktiva området tillsammans med den uppmätta framspänningen och offsetströmmen med tillhörande strömdensitet.