Special Issue LAN 963-8642 1 Recent Trend of In-Vehicle Fiber-Optic LAN Systems Nori SHIBATA Department of Electrical and Electronics Engineering, College of Engineering, Nihon University, 1 Aza-Nakagawara, Tamura-machi, Koriyama-shi, Fukushima 963-8642 Received March 23, 2010 We describe recent trends of standardization of automobile LANs and key technologies for automobile fibering. Regarding the standardization, specifications of MOST and IDB-1394 are listed. Their specifications suggest the higher bit-rate bi-directional transmission in automobile LANs. A lightinduced self-written (LISW) waveguide connecting between optical devices is promising for automobile fibering, since it is expected to reduce the packaging cost of optical transceivers. The relevant transmission experiment beyond the bit rate of 1 Gb/s is also presented. Key Words: Global warming, Automobile LAN, Light-induced self-written waveguide, Bi-directional optical transmission 1 3 CO 2 ECU: Electronic Control Unit 1 ECU ECU Fig. 1 Fig. 1 Photograph of wire harness with connectors and its deployment inside an automobile. ECU TDM: Time-Division-Multi-plexing WDM: Wavelength-Division-Multiplexing POF: Plastic Optical Fiber HPCF: Hard Polymer Clad Fiber 2 FTTH Fiber-To-The-Home 3 LAN 38 8 LAN 571
LAN MOST Media Oriented Systems Transport IDB-1394 ITS Data Bus 1394 LISW: Light-Induced Self-Written waveguide 4 6 1 1 Gb/s 7 9 Table 1 Automobile LANs and relevant specifications. 2 MOST IDB-1394 LAN Fig. 2 3 LAN / LAN LAN LAN LAN Table 1 LAN 1 Mb/s CAN Controller Area Network LAN 10 Mb/s FlexRay FlexRay 2 FlexRay FlexRay Consortium CAN FlexRay LAN MOST IDB-1394 150 Mb/s 800 Mb/s MOST 1994 D2B Digital Domestic Data Bus IDB-1394 IEEE-1394 1394b MOST IDB-1394 Step-Index SI-POF MOST IDB-1394 0 1 NRZ Non-Return-to- Zero LED LED POF LAN 5.6 Mb/s D2B 25 Mb/s MOST@25 150 Mb/s MOST 800 Mb/s IDB-1394 VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting Laser 10 GI-POF Graded-Index-POF HPCF LAN 1 7 9 POF SI-POF HPCF Table 2 HPCF POF 1 mm HPCF 200 μm PCF HPCF POF Table 2 Comparison of SI-POF and HPCF. Fig. 2 Three major automobile LANs belong to wiring/ fibering system which control body elements, engine/suspension/brake, and multimedia/ entertainment through power sources management system. 572 2010 8
Special Issue 散に起因した伝送帯域は POFに比べてHPCFがより広 帯域となり 高速性に優れている 3 自己形成光導波路技術 車載系光LANを経済的に構築するためには TDM伝 送やWDM伝送と呼ばれる多重化システム技術と部品点 数の削減を目指した部品 モジュール化技術がキーとな る さらに 双方向光トランシーバーを構成する光源 LED VCSEL 光 検 出 器 PD: Photo-Diode 波 長 合 分波フィルター WDM filter レンズなどの光部品を高 精度に配置するための実装技術が重要となる 自己形成光導波路技術は光部品のモジュール化におい て レンズを不要とし VCSELやPDなどのチップ間を 無調芯で光インターコネクトできる技術である 自己形 成光導波路の作製はFig. 3 a に示すように 光硬化樹 脂中に高光強度のレーザービームを光ファイバから出射 させ ビームの伝播方向に自動的に光導波路を形成する ものである4,5 また 光導波路となるコアはFig. 3 b c に示すように 光導波路の長手方向にコア径がほぼ 一定の領域が得られ コア断面の形状は光ビームの形状 と光硬化樹脂中を伝播するビームの光電界強度分布に依 存する これを利用して 光ファイバの基底伝播モード HE11 モ ー ド よ り 一 つ 高 次 のLP11 TE01 で あ るLP01 TM01 HE21 モードのみを励振し LP11モードの出射光 を光硬化樹脂中に伝播させると 2分岐の光導波路を形 成することができる 同様に LP21モードの出射光を利 用すれば 4分岐の光導波路が形成される このように 選択的に伝播モードの励振を行うことにより 自己形成 光導波路技術を用いて1 2 1 4の光分岐素子を作製 することができる 自己形成光導波路の光損失の波長特 Fig. 3 Light-induced self-written (LISW) waveguide, (a) high-intensity beam from an optical fiber creates growing waveguide, as a result, (b) cured core region is automatically formed, and (c) SEM photographs also show LISW waveguides with uniform circularity. 第 38 巻第 8 号 車載系光LANの最近の動向 Fig. 4 Optical loss spectrum of a light-induced selfwritten waveguide. Photograph of the core crosssection is also shown in the inset of this figure. 性をFig. 4に示す 図から 600 nm 850 nmの波長域で 光損失値はほぼ一定値であり 0.4 0.5 db/cm程度であ ることが分かる 4 1 Gb/s級光トランシーバー技術 一般に1芯双方向光通信を行う手段としては 時間軸 圧縮多重TCM Time Compression Multiplexing と上り信 号 の 送 出 タ イ ミ ン グ を 制 御 す るTDMA Time-DivisionMultiple Access 技術を駆使したピンポン TCM/TDMA 伝送方式と WDMを用いた方式がある3 ピンポン伝 送方式が適用できる伝送速度は 50 Mb/sである した がって この方式を用いて1 Gb/s級の高速光伝送を行う ことは難しい そこで 車載光LANを意識した1 Gb/s級 の双方向光伝送実験では 波長λ = 780 nmと850 nmの2 波長によるWDM方式が用いられる 自己形成光導波路技術を用いた光送受信モジュールを トランシーバー化し これを用いた1芯双方向光伝送系 Fig. 5 WDM-based bi-directional transmission system employing light-induced self-written (LISW) waveguides, VCSELs operating at the wavelengths of 780 and 850 nm, and Si-pinPD. The detailed optical module configuration is also shown at the bottom. 573
の 構 成 をFig. 5に 示 す 自 己 形 成 光 導 波 路 は780 nmと 850 nmの信号を光合分波するためのwdmフィルターを 介して VCSELとpin-PDのチップ間インターコネクト を無調芯で実現するために用いられる 1芯双方向光伝 送実験はコア径が200 μmの光ファイバを用いて1.25 Gb/s の伝送速度で行われた5 その結果 誤り率BER = 10 12 で平均受光感度 12.5 dbm@780 nm および 13.6 dbm@850 nm が得られている 動作波長は異なるものの これらの受 光感度は MOSTとIDB-1394がそれぞれ規定する受光感 度の範囲 24 2 dbmおよび 22 2 dbmを満足して おり 自己形成光導波路技術を用いた光送受信モジュー ルの有用性を示すものといえる 次に VCSEL pin-pd 送受信用IC回路を同一基板 上に実装した1 Gb/s動作の光トランシーバーを用いた伝 送実験9 について述べる Fig. 6は光送受信モジュールの 外 観 写 真 と 背 面 に 位 置 す る 基 板 上 に 実 装 さ れ た VCSEL pin-pd VCSELの ド ラ イ バ ーIC お よ び レ Fig. 6 Photograph of optical transceiver employing a VCSEL and pin-pd with the respective driver and receiver ICs. Fig. 7 Bit-error rate curves for 1 Gb/s signals in bidirectional transmission experiment using a HPCF, and VCSELs operating at 780 and 850 nm. 574 シーバーICの配置を示す 波長λ = 780 nmと850 nm動作 のVCSEL共に単一縦モード発振のものが用いられ 受 光 素 子 に は0.4 0.5 A/Wの 高 感 度Si-pinPDが 用 い ら れ た 27-1の擬似ランダム信号を用いて評価された誤り率 特性をFig. 7に示す 波長λ = 780 nmにおいては片方向伝 送に比べ 双方向伝送で若干の受光感度劣化が見られる が 両波長に対するBER曲線は良好な結果を示してい る 図 か ら BER = 10 12に お け る 平 均 受 光 感 度 は 16.2 dbm@780 nm および 14.3 dbm@850 nmであり これらは前述の自己形成光導波路を用いた光トランシー バーによる結果と同様 MOSTとIDB-1394の規定を満足 している 5 まとめ 車載系光LANの標準化動向として MOSTとIDB-1394 について述べ 自己形成光導波路技術を用いた光トラン シーバー構成および最近の1 Gb/s級光トランシーバーを 用いた伝送実験について述べた Fig. 8は商用化された幹線系光伝送システム FTTHシ ステム および車載系光LANの伝送容量と商用化時期 の関係を示す 幹線系光伝送システムは1998年以降 WDM技術の採用により大容量化が急速に進み 40 Gb/s を 基 本 と す るWDM技 術 と 位 相 変 調 符 号 化 し た4値 の DQPSKを用いて1芯の単一モードファイバあたり1.6 Tb/ sの光伝送システムが既に商用化されている2 また 幹 線系の超高速 大容量化に大きな影響を与えたのがアク セス系のブロードバンド化である アクセス系は高速イ ンターネット 映像配信 音声の3つのサービスを提供 3 するため PON Passive Optical Network を基本とする 網トポロジーが採用され WDM技術を用いてギガビッ トイーサ GE: Gigabit Ethernet による高速インターネッ トアクセスと超広帯域FM一括変換技術11 による映像配 信のサービスインテグレーションを可能としたことによ り高速 大容量化が進んだ 一方 車載系光LANにおける商用実績は先に述べた D2B@5.6 Mb/sとMOST@25 Mb/sの2例であり その伝送 容量の増加傾向は 1998年以前の幹線系光伝送システム Fig. 8 Transmission capacity trend in commercially available optical transmission systems deployed in backbone network, FTTH, and automobile fiberoptic LANs. レーザー研究 2010 年 8 月
Special Issue 10 10 1 Gb/s 1 IDB-1394@800 Mb/s 1 1 90 (2007) 309. 2 45 (2007) 25. 3 FTTH/ADSL 1999. 4 M. Kagami, T. Yamashita, and H. Ito: Appl. Phys. Lett. 79 (2001) 1079. 5 M. Kagami, T. Yamashita, M. Yonemura, and T. Matsui: IEICE Trans. Electron. E90-C (2007) 1061. 6 O. Sugihara, H. Tsuchie, H. Endo, N. Okamoto, T. Yamashita, M. Kagami, and T. Kaino: IEEE Photon. Technol. Lett. 16 (2004) 804. 7 M. Yonemura, A. Kawasaki, S. Kato, M. Kagami, and Y. Inui: Opt. Lett. 30 (2005) 2206. 8 12 (2009) 417. 9 IEICE Technical Report OPE 20009-171. (2009) 57. 10 2003. 11 B J83-B (2000) 948. BER bit error rate curve Bit Error Rate BER t N tr N er BER BER P ave BER P ave BER = N er / N tr BER 38 8 LAN 575