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Connected Car | In-Vehicle-Netzwerke 05 2020 Elektronik automotive 21 bewährt ausgereift und optimiert und wird in zwei Schlüsselanwendungen vielfach eingesetzt in optischen Sensoren für Mobiltelefone und für die Kommunikation in Rechenzentren Die VCSELs aus Rechenzentren eignen sich auch für die Kommunikation in Fahrzeugen So lässt sich im AutomotiveBereich bereits von deren Kostenund Geschwindigkeitsvorteilen profitieren In den Rechenzentren arbeiten die VCSELs jedoch unter weniger anspruchsvollen Betriebsbedingungen als im Auto Dort reichen Betriebstemperaturbereiche von 0 °Cbis 70 °Caus da die optischen Transceiver sich meist in klimatisierten Räumen befinden In Automobilanwendungen ist das nicht so denn für die Elektronik im Auto muss eine zuverlässige Kommunikation auch bei extremen Temperaturen gewährleistet sein von frostig beim Starten bei kaltem Wetter bis zu erdrückend heiß im Inneren eines bereits laufenden Autos Das Ziel ist die Einsatzfähigkeit im Bereich von -40 °Cbis +105 °C Umgebungstemperatur was der Automobil-Qualifikation AEC-Q100 Grade 2 entspricht Würde man die VCSELs aus Rechenzentren bei einer Umgebungstemperatur von 105 °Cbetreiben wird ihre Leistung beeinträchtigt In der Folge kommt es zu Ausfällen da das System nicht darauf ausgerichtet ist Um die VCSELs unter Automobilbedingungen störungsfrei einzusetzen müssen die Beeinträchtigungen bei hohen Temperaturen kompensiert werden Das Kommunikationssystem muss die Leistung des VCSEL über den gesamten Betriebstemperaturbereich von -40 °Cbis +105 °C Umgebungstemperatur sicherstellen Das Substrat des VCSEL wird sogar eine noch höhere Temperatur erreichen so dass ein zulässiger Junction-Temperaturbereich von -40 °Cbis +125 °Cangestrebt wird um genügend Spielraum zu haben Das Kommunikationssystem von KDPOF unterstützt den VCSEL-Betrieb in diesem Bereich und bezieht zudem die möglichen technologischen Prozessvariationen zwischen den verschiedenen VCSELs ein VCSELs für die Automobilindustrie müssen nicht nur in einer rauen Umgebung sondern auch sehr lange zuverlässig funktionsfähig bleiben In Rechenzentren dürfen faseroptische Transceiver FOT nach einigen Jahren ausfallen und im Rahmen regelmäßiger Wartungsarbeiten ersetzt werden Service Level Agreements SLA zwischen dem Anbieter der Kommunikationsausrüstung und dem Betreiber garantieren redundante Kommunikationskanäle und kurze Lösungszeiten Auf die Verwendung in Fahrzeugen ist das nicht übertragbar Die Automobilindustrie hat sehr anspruchsvolle Erwartungen an die Zuverlässigkeit der elektronischen Komponenten 10 FIT Failures in Time Das bedeutet dass die erwartete Ausfallrate eines Bauteils nach einer Milliarde Gerätestunden höchstens 10 Ausfälle beträgt das heißt nach einer Million Betriebsstunden dürfen nicht mehr als 10 von 1000 Geräten ausfallen Um dieser Anforderung entsprechen zu können muss der VCSEL unter weniger belastenden Bedingungen arbeiten An der Temperatur lässt sich nichts ändern aber es ist möglich den VCSEL weniger zu beanspruchen indem die Stromdichte herabgesetzt wird Je geringer die Stromdichte die durch seine Struktur fließt umso länger hält der VCSEL Die Stromdichte wird durch den Betriebsstrom und die aktive Fläche des Bauteils bestimmt Daher ist es nötig den VCSEL mit dem geringstmöglichen Strom zu betreiben Allerdings ist die optische Ausgangsleistung des Lasers proportional zum Strom Eine Reduktion des Stroms führt zu einer schwächeren optischen Leistung auf der Empfangsseite der Kommunikation Darüber hinaus wirkt sich die geringere Stromdichte auch vermindernd auf die Bandbreite des VCSEL aus und erhöht das Rauschen der relativen Intensität Relative Intensity Noise RIN Das Kommunikationssystem muss für diesen geringeren Strom ausgelegt sein und sogar unter schwierigeren Bedingungen als in der normalen Datenübertragungsanwendung perfekt funktionieren Das System von KDPOF erfüllt die Anforderungen und erzielt eine durchgehend fehlerfreie Kommunikation mit niedriger Stromdichte im VCSEL Aufbau der Demonstration Um die Funktion des VCSEL zu verifizieren wird er als Lichtquelle einer Datenübertragung verwendet und deren Richtigkeit überprüft Das Übertragen bei einer gegebenen VCSELSubstrattemperatur und das Verifizieren des empfangenen Signals ist im Testaufbau zu sehen Bild 2 Ein Arbiträrgenerator Arbitrary Waveform Generator AWG erzeugt das Testsignal das ein Digital-Communication-Analyzer-DCA-Abtastoszilloskop überprüft Die folgenden Modelle kommen im Testaufbau zum Einsatz Der 120-GSa s-Arbiträrgenerator M8194A von Keysight 120 GSa s und das Abtastoszilloskop N1092C DCA-Mebenfalls von Keysight Die Übertragung erfolgt in Echtzeit mit einer tatsächlichen Geschwindigkeit von 50 Gbit s Empfangsseitig ist der Einsatz eines speziellen Empfängers berücksichtigt Diesen Empfängertyp wird KDPOF zukünftig als eigenes Silizium-Bauteil bereitstellen Für die Demo übernimmt die Aufgabe jedoch ein Softwaremodul mit digitaler Signalverarbeitung das in das DCA-Oszilloskop geladen ist Da das Modul nicht in Echtzeit rechnen kann muss das DCA die im Speicher erfassten Wellenformen nachbearbeiten Das Modul ist Teil der Erweiterungsmöglichkeit für den Benutzer die durch die Bild 1 KDPOF-Demo auf dem Automotive-Ethernet-Kongress im Februar 2020 in München Bilder KDPOF