デジタル印刷機への光伝送技術の応用
Application of Optical Transmission Technology
for Digital Printing System
要 旨
近年、印刷市場において、従来の印刷技術のような 製版工程が不要で、かつ、高速印刷が可能なデジタル 印刷機が必要となっている。デジタル印刷機は、大量 の画像データを高速に処理するため、データ伝送速度 の高速化が要求される。この要求に応えるために、デ ジタル印刷機への光伝送技術の応用を検討した。 デジタル印刷機において、コントローラーから画像 出力部へのデータ伝送に必要となる構成を検討し、下 り 3ch・上り 1ch の非対称伝送が可能な光モジュール を開発した。チャネルあたりの伝送速度は 4.25Gbps であり、12.75Gbps のデータ伝送が可能となる。 伝送品質を確保するために、ボード上の各ポイント での伝送損失を考慮したジッタバジェットによる ジッタの最悪値設計を行い、光伝送システムとして設 計・評価を実施した。 評価の結果、全てのポイントで設計値を満足してい ることを確認した。また、システムテストにおいて、 ばらつきなどを含めた最悪の評価条件で伝送品質を 確保できた。Abstract
執筆者 浜田 勉（Tsutomu Hamada） 杉渕 大樹（Hiroki Sugibuchi） 木島 勝（Masaru Kijima） 小西 泰彰（Yasuaki Konishi） 赤松 学（Manabu Akamatsu） 上村 健（Takeshi Kamimura） 山本 滋（Shigeru Yamamoto） 研究技術開発本部 システム技術研究所（System Technology Laboratory, Research & Technology Group）
Recently, there has been growing demand for high-speed digital printing systems in the printing market. In order to increase the data transmission speed for processing large amounts of image data, the feasibility of using optical transmission technology in digital printing systems has been discussed.
A system to transmit data from the controller to the image output unit was considered and an optical module developed to realize asymmetric transmission using three downstream channels and one upstream channel. The transmission speed of each channel is 4.25 Gbps, thus achieving a total data transmission speed of 12.75 Gbps.
To assure transmission quality, the module was designed based on worst-case values in considering the jitter from transmission loss at each point on the board. The optical transmission system including the developed module was then evaluated and found to satisfy all design values at all the points.
1. 緒言
近年、印刷市場においては従来の印刷技術の ような製版工程が不要で、かつ、高速印刷が可 能なデジタル印刷機が必要となっている。デジ タル印刷機は、大量の画像データを高速に処理 すると共に、システム内のデータ伝送速度の高 速化が要求される。また、高速な画像処理を実 現するために、外付けのコントローラーが必要 となる（図 1）。 こ の 外 付 け コ ン ト ロ ー ラ ー DFE （ Digital Front End ） か ら 画 像 出 力 部 IOT （ Image Output Terminal）へのデータ伝送は 1 色当た り 10 Gbps（Giga bit per second）以上の 伝送速度の要求がある1）。また、DFE から IOTまでの距離は 20-30m になるものもある。 この要求に応えるために、デジタル印刷機への 光伝送技術の採用を検討した。富士ゼロックスで は、レーザープリンター用の光源として面発光型 レーザーVCSEL（Vertical Cavity Surface Emitting Laser ） を 自 社 開 発 し て き た 2 ）。
VCSEL はデータ通信領域において、光通信用 の光源として一般的に用いられるようになって いる。自社においても VCSEL を光通信用の光 源 と し て 用 い た 光 DVI （ Digital Visual Interface）リンクなどの光伝送モジュールを製 品化している 3）。今回は、これらの技術をデジ タル印刷機に応用した。 以下、2 章で設計仕様、3 章で設計仕様の中 でも特に重要な伝送品質設計について述べる。 4 章で試作した光モジュールの単体評価結果、 5 章で光伝送システムとしての評価結果を述べ る。最後に 6 章でまとめる。
2. 設計仕様
2.1 要求仕様 高速印刷および大量の画像データを高速に処 理するデジタル印刷機には、データ伝送の高速 化と伝送距離の長距離化が要求される。具体的 な DFE から IOT へのデータ伝送の要求仕様を 以下に示す。 ① 1 色あたりの伝送速度：12Gbps ② 伝送距離：最長 30m ③ 伝送方向：双方向伝送 ④ 共通 I/F による光伝送とメタル伝送の実現 ⑤ モジュールサイズ：PCI スロットに 2 モ ジュール搭載できること 1 色あたりの伝送速度としては 12Gbps の 要求がある。これは、印刷速度と解像度から決 まる画像データ伝送量から求められる。最長 30m の伝送距離はデジタル印刷機本体のサイ ズと DFE の配置から必要となる。また、IOT から DFE への制御信号の伝送も必要であり、 伝送方向としては、双方向伝送が要求される。 さらに、デジタル印刷機の商品ラインナップ に適用することを考えると、光伝送だけでなく、 低コストなメタル伝送も必要となり、光伝送と メタル伝送の I/F を共通化する要求もある。PCI（Peripheral Component Interconnect） スロットに光伝送もしくはメタル伝送モジュー ルを 2 個搭載できるサイズも要求となる。
2.2 伝送システム仕様
要求仕様に対応するため DFE から IOT への 光伝送システムとして、図 2 のブロック図に示 すような FPGA（Field Programmable Gate Array）からの出力を光送受信モジュールで伝 送し、FPGA に入力するシステムを設計した。 FPGA Tx Rx FPGA 光ファイバー 光送受信モジュール 図1. デジタル印刷機の構成 Digital Printing System
DFE 画像 IOT 伝送 DFE IOT 画像伝送 図2. 伝送システムブロック図 Transmission System Block Diagram
FPGA は DFE 側および IOT 側との I/F を司 ると共に、ここに伝送プロトコルをハードウェ ア実装している。 伝送システムの設計仕様を以下に示す。 ① 伝送速度：4.25Gbps/ch ② 伝送チャネル：下り 3ch/上り 1ch ③ 伝送距離：最長 30m ④ BER：10-12以下 伝送システムのチャネル当たりの伝送速度は 4.25Gbps とした。1 色当たり 12Gbps の伝 送速度の要求に対し、マルチチャネル化で高速 化を実現するものである。4.25Gbps/ch で 12Gbps を達成するため 3ch 必要であり、双 方向伝送の要求もあるので、伝送チャネルは下 り 3ch・上り 1ch の 3 対１の非対称伝送を採 用した。3 対 1 の非対称伝送は、従来の光伝送 モジュールにはない構成となっている。伝送距 離は要求である最長 30m とした。
伝送システムとしての BER（Bit Error Rate） は 10-12以下とした。BER は（エラーの数）/ （全送信データ量）で表され、データが正しく 伝送できたかどうかの指標となる。伝送システ ムでの BER が 10-12以下の場合、エラー訂正 処理を併用することで、BER は 10-19から 10-20となり、商品寿命の間にエラーフリーを 保証できる。 さらに、メタル伝送 I/F との共通化を図るた めに、光モジュールを子基板の構成とし、スタッ クコネクターでシステムボードと接続可能な構 成とした（図 3）。システムボードとは、伝送シ ステムにおいてプロトコルが実装されている FPGA が搭載されたボードであり、画像データ や制御信号を伝送している。具体的には 3.4 節 でその構成について述べる。 2.3 光モジュールの構成 光モジュールには、Tx（Transmitter：送信 モジュール）と Rx（Receiver：受信モジュー ル）の 2 種類が存在する（図 3）。これは戻り 信号があるため、下記のようなチャネル構成に なるためである。 ① Tx モジュール（送信 3ch/受信 1ch） ② Rx モジュール（送信 1ch/受信 3ch） 次に、これらのモジュールを用いた伝送品質 設計について述べる。
3. 伝送品質設計
3.1 設計課題 特に伝送速度が 1Gbps を超える場合、伝送品 質を確保するためには、アイパターンのジッタの 低減が重要となる。従来の光モジュールの伝送品 質設計においては、電気信号の伝送距離が短く、 基板上でのジッタ特性の悪化は大きな問題にな らなかった。しかし、今回の伝送システムの様に、 光モジュールを子基板の構成とし、システムボー ドとの接続をスタックコネクターとした場合、基 板上の伝送路での損失が問題となる。 3.2 設計手法 今回は伝送品質を確保するため、ジッタバ ジェットによる最悪値設計を行った。これは、 周囲温度や動作条件など最悪条件を設定し、基 板上の各ポイントでジッタの最悪値を見積り、 加算することで伝送品質を確保する手法である。 上述の課題に対しては基板の伝送損失やコネ クターの損失を考慮したジッタバジェット設計 を実施した。図 4 に基板上の A～E の各設計ポ イントを示す。 A：FPGA 直近の出力 B：光 Tx モジュールへの入力 C：光 Tx モジュールの光出力 D：光 Rx モジュールの電気出力 E：FPGA への入力 今回設計した伝送システムでは、特にポイン ト A～B 間と、ポイント D～E 間の伝送に課題 がある。即ち、基板上での伝送距離が比較的長 図3. 光モジュールの構成 Optical Module Structure図4. 測定ポイント Test Point く、コネクターを介しての接続となるため、基 板およびコネクターでの伝送損失を考慮して設 計を行う必要があった。 3.3 ジッタバジェット設計 図 4 の各ポイントでのジッタバジェット設計 を行った。各ポイントでのジッタは環境条件も 含めたばらつきの最大値による設計としている。 この最悪値設計により、システムとしての伝送 品質を確保できる。 ここで、ジッタの単位は UI（Unit Interval） で表され、伝送速度に依らず、伝送クロック信 号の 1 周期を 1UI としたものである。ジッタは 一般的に以下のように分類される。 ・RJ（Random Jitter） ・DJ（Deterministic Jitter） ・TJ（Total Jitter） RJ はランダムジッタで主に温度などに起因 するジッタである。DJ は確定的ジッタで主に データの符号間干渉により発生するジッタであ る。TJ はトータルジッタで DJ と RJ の和であ り、ここでは、DJ と TJ について設計を行った。 各ポイントのジッタバジェットを表 1 に示す。 ポイント A から E のジッタは絶対値であり、 ジッタはこの値以下となれば良い。図 4 に示す <TxΔ>は光 Tx モジュールのジッタの増分で、 ポイント B～C の差分となる。ただし、差分と
Test Point DJ RJ TJ Unit Point A 0.140 0.190 0.330 UI Point B 0.154 0.190 0.344 UI Point C 0.274 0.230 0.504 UI Point D 0.316 0.290 0.606 UI Point E 0.330 0.290 0.620 UI Tx△ 0.120 0.130 0.250 UI Tx+Rx△ 0.163 0.219 0.382 UI なるのは DJ のみで、RJ が二乗和で加算される ため、TJ は単純な差分とならない。また、 <Tx+RxΔ>は光 Tx モジュールおよび光 Rx モ ジュールを組み合わせたジッタの増分で、ポイ ント B～D の差分となる。 今回の伝送システムで特徴的となるポイント A～B とポイント D～E 間については基板の伝 送損失によるジッタの増加分を考慮した設計と した。具体的には、過去の実験結果から基板の 伝送損失により DJ が 0.014UI 増加すること を見込んでいる。RJ は基板の伝送損失では増 加しないと考えられるので、TJ の増加分も DJ 同様に 0.014UI とした。 3.4 試作したシステムボード構成 試 作 し た シ ス テ ム ボ ー ド の 構 成 は 、 光 モ ジュールを 2 個接続できる形態となっている （図 5）。システムボードと光モジュールはス タックコネクターにより接続されている。 図 5 は光 Tx モジュールを 2 個搭載した例で あり、PCI のスロットに挿入可能なボード構成 となっている。 表1. ジッタバジェット Jitter Budget 図5. システムボードの構成 System Board Design
4. 光モジュール単体評価
4.1 評価方法 試作した光モジュールの単体評価として、 ① 基板およびコネクターの損失の影響 ② 光 Tx モジュールのばらつき ③ 光 Rx モジュールのばらつき を波形およびジッタで評価した。波形の評価 はマスクテストが指標となり、ジッタの評価は 表 1 に示したバジェット値が指標になる。 4.２節では、FPGA からの出力波形をポイン ト A、B で評価し、基板およびコネクターによ る損失の影響を確認した。 4.3 節では、ポイント C の光波形を評価し、 ジッタを測定した。測定結果から最悪サンプル を選定し、以降の評価に使用した。 4.4 節では、ポイント E の電気波形を評価し、 ジッタを測定した。 4.2 FPGA 出力評価（ポイント A および ポイント B） FPGA からの出力評価として、まず、ポイン ト A とポイント B の波形を比較した。図 6 に 室温での波形の比較結果を示す。 ポイント B においては、ポイント A と比較し て、基板およびコネクターによる伝送損失の影 響で波形が劣化していることが分かる。具体的 には、波形の立上り・立下りが鈍っている。こ のポイント A とポイント B の波形の違いが設計 時に考慮されるべき点であり、ジッタ増加の要 因となる。 Point B DJ RJ TJ Unit 測定値 0.100 0.140 0.240 UI Target 0.154 0.190 0.344 UI ジッタが増加しているポイント B で DJ およ び TJ を評価した結果を表 2 に示す。測定値は 3 つのサンプルの各 3ch の測定結果の最大値 を示している。 この結果から TJ は 0.24UI 以下となり、表 1 のバジェット値の指標である 0.344UI 以下 を満足していることが確認できた。 4.3 光出力特性評価（ポイント C） 光 Tx モジュールの出力特性評価として、ま ず、ポイント C での光波形を評価し、マスクテ ストをクリアすることを確認した（図 7）。 次に、3 つの光 Tx モジュールと 3 つの光 Rx モジュールの各 ch のジッタを評価した。図 8 にポイント C でのジッタ増分<TxΔ>の測定結 果を示す。表 1 で示したバジェット値は図中破 線で示してあり、この場合 TJ は 0.246UI と なっている。TJ および DJ 共に全 ch で表 1 の バジェット以下であることが確認できた。 以下の評価は図 8 の測定で用いた光 Tx モ ジュールのうち、<TxΔ>が最大となる最悪サン プルを用いて行った。 図6. ポイント A、B での差動出力波形 Electrical Wave-Form at Point A and B図7. ポイント C の光出力波形 Optical Wave-form at Point C 表2. ポイント B でのジッタ
4.4 電気出力特性評価（ポイント E） 電気出力特性評価として、まず、光 Rx モ ジュールのポイント E での電気波形を評価した。 図 9 にジッタが最も大きい光 Rx モジュールの 電気出力波形を示す。ポイント E での波形はポ イント C の波形と比較して、立上りが鈍ってい るが、マスクテストをクリアしていることを確 認した。これは、ファイバー・チャネルの規格 の評価条件で定められた光量に対する波形評価 である。具体的には、光 Tx モジュールからの 光出力をアッテネーターで-12.5dBm に減衰 させ、光 Rx モジュールに入力した。 次に、3 つの光 Rx モジュールの各 ch のポイ ント E でのジッタを評価した。図 10 に光 Rx モジュールでのジッタ増分<Tx+RxΔ>の測定結 果を示す。表 1 で示したバジェット値は図中破 線で示してあり、この場合 TJ は 0.382UI と なっている。TJ および DJ 共に全 ch で表 1 の バジェット以下であることが確認できた。 以上の結果から、光モジュール単体ではジッ タは設計値以下となり、問題のないことが確認 できた。
5. 伝送システム評価
5.1 評価方法 次に光モジュールを用いてシステムボード間 の伝送品質を評価した結果を述べる。ここでは、 光モジュールとして、前述の単体評価で最も ジッタの大きいものを使用して評価を行った。 試作したシステムボードの FPGA を信号源 とすると出力ジッタを制御することができない。 そこで、信号源をシステムボードの FPGA では なく、ジッタを印加した信号を出力できる信号 源とし、FPGA の仕様の最大値となるジッタを 印加し、最大ジッタ試験を行った。 5.2 節ではポイント E での電気波形を評価し た。４章と同様に、マスクテストとジッタバ ジェットが指標となる。 5.3 節では伝送システムとして BER の評価 を行った。BER の評価において、ばらつきなど の最悪条件に加え、光 Rx モジュールにクロス トーク信号を入力し、伝送システムとしての最 悪条件としている。 5.2 最大ジッタ試験における波形評価 光 Tx モジュールにジッタバジェット上の最 悪値となる最大ジッタを印加し、光 Rx モジュー ルで受信した時のポイント E での電気波形を評 価した。以下に測定条件をまとめる。 図8. ポイント C のジッタ特性 Jitter Output at Point C図9. ポイント E の電気出力波形 Electrical Wave-form at Point E
図10. ポイン E でのジッタ特性 Jitter Output at Point E
① 最大ジッタを印加できる信号源を使用 ② 光 Tx モジュールの最悪サンプルを使用 ③ 光信号を-15.0ｄBm（最小受信感度）に 減衰 ④ 光 Rx モジュールの最悪サンプルを使用 ⑤ 雰囲気温度を 0℃から 60℃まで変えた 雰囲気温度を 0℃から 60℃まで変化させた 波形を図 11 に示す。ポイント E での波形は、 雰囲気温度が変わっても変化はなく、いずれも マスクテストをクリアした波形となっている。 次に、雰囲気温度を 0℃から 60℃まで変化 させた時のジッタを評価した。評価結果を図 12 に示す。温度が上がるにつれてジッタは増加傾 向にあるが、図中破線で示してある表 1 のバ ジェット以下であることが確認できた。 5.3 最大ジッタ試験における BER 評価 最後に、光 Tx モジュールに最大ジッタを印 加し、伝送システムとして BER を評価した。 図 13 にその評価系を示す。 雰囲気温度は、5.2 節の評価で最もジッタの 大きかった 60℃に設定した。更に、光 Rx モ ジュールの評価 ch 以外の ch にクロストーク信 号を印加した状態を伝送システムとしての最悪 条件としている。 評価結果としてトータル 12 時間のエラーフ リーを確認した。これにより伝送システムとし ての BER は 1.6×10-14以下となり、仕様であ る 10-12以下を統計的に 95％の確率でクリア していると言える。 以上の評価結果により、光伝送システムとし ても品質を確保できていることが確認できた。 図13. 最大ジッタ印加試験の評価系 Measurement System of Max Jitter Test 図12. ポイント E のジッタ温度特性
Jitter Output at Point E
図11. ポイント E の電気出力波形 Electrical Wave-form at Point E
