相互接続がますます進む世界では、高速かつ大容量の信号伝送に対する需要が従来の同軸ケーブル システムの限界に挑戦しています。最近、光ファイバー無線周波数伝送 (RFoF) に対する人々の関心が日に日に高まっています。この技術は、光ファイバーの低損失および高帯域幅の利点と、無線周波数通信の多機能性を組み合わせたものです (図 1)。 RFoF システムは、光ファイバーを介して RF 信号を送信し、衛星地上局、リモート アンテナの展開から 3G-5G インフラストラクチャおよび防衛システムに至るまで、幅広いアプリケーションで長距離の干渉のない信号送信を実現します。この記事では、RFoF システム設計の基本原則について説明します。
RFoFの主な機能
図 1: RFoF の主な特徴。 （画像出典：ニューフォトニクス）
長距離伝送 - 信号強度
同軸ケーブルの性能はケーブル構成によって異なります。一般的な誘電体 SMA ケーブルの挿入損失は約 0.25 dB/m (2 GHz で) です。インフレータブルケーブルの性能はわずかに優れていますが、コストははるかに高くなります。まさにこの高損失特性により、RFoF テクノロジーは 50 メートルを超える伝送距離に適用可能になります。 RFoF テクノロジーで最も一般的に使用される波長は 1310 nm と 1550 nm です。波長 1310 nm での損失は約 0.35 dB/km ですが、波長 1550 nm での損失はわずか 0.25 dB/km です。この技術の損失は同軸ケーブルの損失よりも大幅に低いことがわかります。
DigiKey と NuPhotonics によりコンポーネントの調達プロセスが簡素化されます
DigiKey は、重要なコンポーネントの調達プロセスの簡素化において世界をリードしてきました。アマチュア愛好家、学生、専門家、大企業はすべて、DigiKey を通じてコンポーネントを購入しています。 RF およびオプトエレクトロニクス デバイス業界の大手メーカーとして、NuPhotonics は DigiKey と提携して、使いやすく、簡単にアクセスできるコンポーネント製品を業界に提供しています。これは自然な流れです (図 2 を参照)。
NuPhotonics 10G PIN フォトダイオード テール ファイバー FC/APC
図 2: NuPhotonics10G PIN フォトダイオード テール ファイバー FC/APC。 （画像出典：ニューフォトニクス）
現在、いくつかの商用ソリューションが利用可能ですが、多くの場合、経済的な利点がありません。この記事では、ユーザーが NuPhotonics コンポーネントを使用して低コストの特殊なソリューションを開発できるようにする標準設計を紹介します。この記事で説明した製品とソリューションは、DigiKey から簡単に購入できます。
RFoFトランスミッター設計 - 10G DFBレーザー
RFoF システム設計の最初の部分は、送信機の開発です。 RFoF アーキテクチャの場合、データ RF 信号を光搬送波信号に変調し、それを光リンクを通じて送信する必要があります。分布帰還型レーザー (DFB) は、無線周波数信号によって直接変調できるため、無線周波数電気信号を光信号に変換するための理想的なデバイスとなります。基本原理を図 3 に示します。レーザーで使用されているアノード側バイアス方式により、RF 周波数の入力端子としても機能します。システムの安全性を確保するために、回路には DC ブロッキング コンデンサ (C2) が含まれています。 C2 の値は、希望する低周波カットオフ ポイントに応じて微調整されます。回路内の抵抗 R1 は、10 Ω DFB レーザーと 50 Ω システムのインピーダンスを整合させるために使用されます。 R1 値が大きいほどリンクとのマッチングは良くなりますが、光リンクの挿入損失が増加するというデメリットがあります。これにより、正確なレベル制御を実現して、必要なインピーダンス整合と挿入損失指標を達成できます。回路内の抵抗 R2 は、レーザーの電流を制限するために使用される電流制限抵抗です。インダクタ L は、RF 信号の高インピーダンス経路であり、レーザー DC バイアスの最小インピーダンス電流経路でもあります。コンデンサ C1 は、バイアスされた T 型コンデンサ上の電源ノイズを除去するためのフィルタ コンデンサとして使用されるオプションのデバイスです。
バイアス T 接合およびインピーダンス整合回路を備えた 10G DFB レーザー
図 3: バイアス T 接合およびインピーダンス整合回路を備えた 10G DFB レーザー。 （画像出典：ニューフォトニクス）
RFoF レシーバー設計 - 10G PIN フォトダイオード
光ファイバー内の光は、より有用な電気信号に変換される必要があります。このために、フォトダイオードを使用できます。十分なエネルギーを持った光子がダイオードに衝突すると、電子正孔対が生成されます。このメカニズムは内部光電効果としても知られています。これらの正孔はアノード (+) に向かって移動し、電子はカソード (-) に向かって移動します。この効果により光電流が発生します。回路には広帯域動作が含まれるため、フォトダイオードは逆バイアス下で動作します。逆バイアスがかかると、入射光が光電流を生成する条件下でのみ電流がフォトダイオードを通過します。このバイアス方法には、フォトダイオードの直線性が向上するという別の利点もあります。空乏層の大きさを大きくすることで、逆バイアス応答時間を短縮することができます。空乏層の幅が増加すると、接合容量が減少し、フォトダイオード内の電荷キャリアのドリフト速度が増加します。電荷キャリアの通過時間が短縮され、それに応じて応答時間も短縮されます。
図 4 にフォトダイオードの基本的な駆動回路を示します。フォトダイオード回路とレーザー回路には類似点があります。コンデンサ C は、RF ポートを保護するために使用される DC ブロッキング コンデンサです。 DC ブロッキング コンデンサ C には直接的なグランド パスがないため、インダクタ L は低インピーダンスの DC グランド パスであり、DC バイアス ピンからグランドに電流が流れることを可能にします。 R1 と C1 を正しく選択すると、高周波インピーダンスのマッチングを改善できます。