Special Issue
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 light-induced 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
車載系光LANの最近の動向
柴田 宣
日本大学 工学部電気電子工学科 （〒963-8642 福島県郡山市田村町徳定字中河原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）
Fig. 1 Photograph of wire harness with connectors and its deployment inside an automobile.
1．はじめに 自動車市場のニーズは，「安心・安全」，「環境への配 慮」，「快適性」の3つである．中でも最近注目されている ニーズが「環境への配慮」である．温室効果ガスの削減は 世界的規模において，待ったなしの状況にある．事実， 先進国の燃費規制強化が環境車開発を加速し，低価格車 づくりと並んで，車の環境技術はより一層の進化が求め られる．ガソリン車においては，エンジン点火のタイミ ングの最適化による化石燃料の効率的活用と車の軽量化 によるCO2削減への寄与が重要であった．動力源がガソ リンエンジンと電気モーターによるハイブリッド車や電 気自動車が環境車として注目され，より一層の軽量化が 求められる．また，車の電子化の潮流は環境車にも及 ぶ．電子制御ユニット（ECU: Electronic Control Unit）の搭
載数量は増加傾向1） にあり，ECU間を結ぶリンクの数は 必然的に増大する．このECU間のリンク数の増大は車載 ネットワークがハンドリングする情報量の増大を意味 し，同時に，Fig. 1に外観を示すワイヤーハーネスと呼 ばれる自動車用組電線による接続数が増大する．これ は，銅線の量的増大による車体重量への影響を考慮する 必要が生じ，軽量化と広い車内空間を確保するための省 スペース化を実現する上で重要となる． 車の光化は車の軽量化と「快適性」を確保するための省 スペース化への寄与が期待できる．すなわち，メタルの 伝送線では端末機器の追加に対して別線を必要とするた め，軽量化と省スペース化への寄与が難しい．一方，光 ファイバは銅線よりも軽量であり，メタル線に比べて高 速・大容量化への対応が容易である．具体的には，多数 のECUか ら の 信 号 を 同 一 光 フ ァ イ バ 中 に 時 分 割 多 重 （TDM: Time-Division-Multi-plexing）による高速化技術と 波 長 多 重（WDM: Wavelength-Division-Multiplexing）に よ る大容量化技術を駆使して省線化し，その結果，車の軽 量化実現に寄与できる．車の光化に適用される光ファイ バとしては，プラスチックファイバ（POF: Plastic Optical Fiber）やハードポリマークラッドファイバ（HPCF: Hard Polymer Clad Fiber）が挙げられる．光の高速・大容量化 を目指した技術は，既にバックボーンネットワークを支 える幹線系光伝送システム2） や家庭までの光化を意味す るアクセス系のFTTH（Fiber-To-The-Home）システム3） に 展開されている．したがって，車載系光LANの今後の 高速・大容量化の動向を把握する上で，これら陸上の光
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.
Table 2 Comparison of SI-POF and HPCF.
高速となるため，光の適用が考えられている．MOSTは 1994年に欧州車に採用されたインタフェース規格である D2B（Digital Domestic Data Bus）か ら 移 行 し た も の で あ る． ま た，IDB-1394はIEEE-1394の1394b規 格 を 基 本 と する車載規格である．MOSTやIDB-1394が規定する光伝 送媒体は屈折率分布が階段状（Step-Index）のSI-POFであ る． ま た， 網 ト ポ ロ ジ ー と し て，MOSTは リ ン グ 網， IDB-1394はツリー網を採用している．伝送路符号はこ れらの方式共通で，符号“0”または“1”が連続する場合に 同 じ 振 幅 レ ベ ル を 維 持 し 続 け るNRZ（Non-Return-to-Zero）フォーマットが用いられる．また，光源にはLED が用いられる． これまで，LEDとPOFを用いた車載実績のある情報系 光LANと し て，5.6 Mb/sのD2Bと25 Mb/sのMOST@25が 挙げられる．今後の高速・大容量化を意識した取組みと し て，150 Mb/sのMOSTや800 Mb/sのIDB-1394規 格 の 実 現 へ 向 け て， 面 発 光 レ ー ザ ー（VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting Laser）10）
と屈折率分布がほぼ二乗分布と なっているGI-POF（Graded-Index-POF）やHPCFとの組み 合わせによる光LANが検討され，光ファイバ1芯による 双方向光伝送実験7 9） が実施されている．代表的なPOFで あるSI-POFとHPCFの光伝送特性の比較をTable 2に整理 した．この表から，伝送帯域と光損失の両面でHPCFが 優れていることが分かる．ここで，伝送帯域について補 足する．POFのコア径が1 mmであるのに対し，HPCFの それは200 μmである．これに加え，PCFの動作波長が可 視域よりも長波長側であるため，HPCFの伝播モード数 はPOFのそれに比べて少ない．したがって，多モード分 （ITS Data Bus 1394）について概要を述べ，車の光化へ向
けた光モジュール化技術を紹介する．一つは，チップ間 の光インターコネクトを高い精度で実現するための自己 形 成 光 導 波 路 技 術（LISW: Light-Induced Self-Written waveguide）4 6） であり，もう一つは1芯の光ファイバを用 いて双方向光伝送を可能とする伝送速度が1 Gb/s級の光 トランシーバー技術7 9） である． 2．MOSTとIDB-1394 車に搭載されるLANは，Fig. 2に示すように車体系， 走行制御系，情報系の3つに大別される．車体系LANは パワーウインドウ，ワイパー，フロント/リアランプ， 空調などが対象である．走行制御系LANは車の基本機 能である「走る，曲がる，止まる」を掌るエンジン，サス ペンション，ブレーキが対象である．これらの車載エレ メントは，車の安全運行上極めて重要であるため，走行 制 御 系LANは高い 信 頼 性 と 実 時 間 応 答 性 が 要 求さ れ る． 情 報 系LANは ナ ビ ゲ ー シ ョ ン， リ ア シ ー ト エ ン ターテイメントなどのマルチメディア機器を対象とし， 車載端末機器の追加に対する拡張性が要求される． 車載系LANについて，その対象とするエレメント， ネットワークトポロジー，伝送媒体，最大伝送速度，伝 送路長，ノード数をTable 1に整理した．現在，車体系， 走行制御系のLANとして広く普及しているのは，最大 伝送速度1 Mb/sのCAN（Controller Area Network）である． ま た， 次 世 代 の 走 行 制 御 系LANと し て 最 大 伝 送 速 度 10 Mb/sのFlexRayが注目されている．FlexRayの特徴は 高速性と2重化による信頼性向上であり，欧州や日本の 自動車メーカが中心となって，そのプロトコル規格の策 定がFlexRayコンソーシアム（FlexRay Consortium）で行わ れている．また，CANとFlexRayの伝送媒体はメタル線 で あ る． 一 方， 情 報 系LANのMOSTお よ びIDB-1394で は，最大伝送速度がそれぞれ150 Mb/sおよび800 Mb/sと
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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.
Fig. 4 Optical loss spectrum of a light-induced self-written waveguide. Photograph of the core cross-section is also shown in the inset of this fi gure.
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 confi guration is also shown at the bottom. 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 fi lter），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 で あ るLP01（HE11）モ ー ド よ り 一 つ 高 次 のLP11（TE01， 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 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-Division-Multiple 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. 7 Bit-error rate curves for 1 Gb/s signals in bi-directional transmission experiment using a HPCF, and VCSELs operating at 780 and 850 nm.
Fig. 8 Transmission capacity trend in commercially available optical transmission systems deployed in backbone network, FTTH, and automobile fiber-optic LANs. 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 = 1012 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 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 = 1012 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 するため，PON（Passive Optical Network）3）
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 [email protected] 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. 6 Photograph of optical transceiver employing a
VCSEL and pin-PD with the respective driver and receiver ICs.
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レ ー ザ ー ワ ー ド
BER曲線（bit error rate curve）
通信回線を経由してデジタルデータを送受信する際， 通信回線で発生する雑音や，信号の減衰が原因となって データに誤りが発生する場合がある．送信したデータ符 号が雑音などにより誤る割合を符号誤り率，あるいは単 に誤り率（Bit Error Rate）といい，英語の頭文字を並べて
BERと書く．ある時間tの間に送信されたビット数をNtr， その時間内に発生した誤りのビット数をNerとするとき， 誤り率BERは， BER = Ner / Ntr と表わされる．光通信においては，光中継器や光受信機 で受信信号を識別するとき，雑音や隣接光パルスからの 干渉，および光パルス位置のゆらぎによりパルスがしき い値以下に抑えられた場合や，パルスがないときに雑音 がしきい値を越えた場合に誤りが生じる．ある誤り率を 達成するためには確保しなければならない信号電力対雑 音電力比が存在するため，誤り率BERと平均受光電力
Paveの関係を求める必要がる．BERとPaveの関係において
得られた曲線をBER曲線という． （柴田 宣） に対する10年で伝送容量が10倍のトレンドと類似してい る．1 Gb/s級の1芯双方向光伝送実験の結果から，技術 的にはIDB-1394@800 Mb/s実現へ向けた実証がなされた といえる．今後は，光ならではの車載アプリケーション の普及に加えて，さらなる軽量化を目指した環境車の普 及が車の光化を加速するものと考える． 謝 辞 自己形成光導波路技術について御助言，御議論いただ きました豊田中央研究所の各務 学室長，1芯双方向光伝 送実験について御議論いただきました矢崎総業（株）技術 研究所の古川 眞一部長に深く感謝致します．また，日 ごろ御支援頂く産業技術総合研究所ネットワークフォト ニクス研究センター，石川 浩センター長に深謝しま す． 参考文献 1） 大倉 勝徳，飯田 眞喜男，鈴木 康利，永見 啓朗：電子情報 通信学会誌 90 (2007) 309. 2） 柴田 宣：日本オプトメカトロニクス協会，光技術コンタク ト 45 (2007) 25. 3） 三 木 哲 也， 青 山 友 紀 監 修：FTTH/ADSL教 科 書 （ ア ス キー出版局，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） 山下 達弥，各務 学，安田 孝，後藤 英樹：エレクトロニク ス実装学会誌 12 (2009) 417.
9） 川井 裕輝，漆畑 卓朗，中田 敦，古川 眞一：電子情報通信 学 会， 信 学 技 報，IEICE Technical Report OPE 20009-171. (2009) 57.
10） 伊賀 健一，小山 二三夫 編著：面発光レーザの基礎と応 用（共立出版，2003）.
11） 柴田 宣，菊島 浩二，桜井 尚也，渡辺 隆市：電子情報通信 学会論文誌 B J83-B (2000) 948.
