電子信号は、標準の「ハードワイヤー」接続を介して、または多くの欠点があったさまざまな種類の無線リンクを使用することによって、何十年にもわたって非常にうまく送信されてきました。

一方、光ファイバーリンクは、長距離のオーディオまたはビデオリンクに使用される場合でも、短距離を処理する場合でも、通常の有線ケーブルと比較していくつかの明確な利点を提供してきました。

光ファイバーのしくみ

光ファイバ回路技術では、光ファイバリンクを使用して、反射率の高い中心コアを備えたケーブルを介して、光周波数の形式でデジタルまたはアナログデータを転送します。

内部的には、光ファイバーは反射率の高い中央コアで構成されており、反射壁を横切る連続的な往復反射によって光を透過させるための光ガイドのように機能します。

光リンクには通常、デジタル信号またはオーディオ信号を光周波数に変換する電気周波数から光周波数への変換回路が含まれています。この光の周波数は、光ファイバの一方の端に「注入」されます。強力なLED 。次に、光は光ケーブルを通って目的の目的地に移動し、そこでフォトセルと光セルによって受信されます。アンプ回路これは、光の周波数を元のデジタル形式またはオーディオ周波数形式に変換します。

光ファイバの利点

光ファイバ回路リンクの主な利点の1つは、電気的干渉や漂遊ピックアップに対する完全な耐性です。

標準の「ケーブル」リンクは、この問題を軽減するように設計できますが、この問題を完全に根絶することは非常に難しい場合があります。

それどころか、光ファイバーケーブルの非電気的特性は、受信機側で拾われる可能性のある外乱を除いて、電気的干渉を重要ではないものにするのに役立ちますが、これは受信機回路の効果的なシールドによっても排除できます。

まったく同様に、通常の電気ケーブルを介してルーティングされるブロードバンド信号は、電気障害を放散し、近くのラジオやテレビの信号を妨害することがよくあります。

しかし、繰り返しになりますが、光ファイバーケーブルの場合、電気放射がまったくないことが本当に証明できます。送信機ユニットが無線周波数放射を発生させる可能性があるとしても、基本的なスクリーニング戦略を利用してケーブルを囲むのはかなり簡単です。

このプラスの点により、多くの光ケーブルを並べて動作させるシステムには、クロストークに関する問題や問題はありません。

もちろん、あるケーブルから次のケーブルに光が漏れる可能性がありますが、光ファイバーケーブルは通常、光の漏れを防ぐ理想的な耐光性の外部スリーブにカプセル化されています。

光ファイバリンクのこの強力なシールドにより、適度に安全で信頼性の高いデータ転送が保証されます。

もう1つの利点は、電気や大電流が流れないため、光ファイバーに火災の危険性の問題がないことです。

また、リンク全体で優れた電気的絶縁を備えているため、アースループの問題が発生することはありません。適切な送信および受信回路により、かなりの帯域幅範囲を処理する光ファイバーリンクに適しています。

広帯域幅のリンクは、同軸電源ケーブルを介して作成することもできますが、最近の光ケーブルは通常、広帯域幅のアプリケーションで同軸タイプと比較して損失が少なくなります。

光ケーブルは通常、スリムで軽量であり、気候条件やいくつかの化学物質の影響を受けません。これにより、電気ケーブル、特に同軸タイプが非常に効果がないことが判明する、住みにくい環境や好ましくないシナリオでそれらをすばやく適用できることがよくあります。

短所

光ファイバ回路には非常に多くの利点がありますが、これらにはいくつかの欠点もあります。

明らかな欠点は、電気信号を光ケーブルに直接転送できないことです。いくつかの状況では、重要なエンコーダおよびデコーダ回路で発生するコストと問題は、まったく互換性がなくなる傾向があります。

光ファイバを使用する際に覚えておくべき重要なことは、通常、光ファイバの最小直径が指定されていることです。光ファイバを鋭い曲線でねじると、その曲がり角でケーブルに物理的な損傷が生じ、ケーブルが役に立たなくなります。

データシートで通常呼ばれる「最小曲げ」半径は、通常、約50〜80ミリメートルです。

通常の有線メインケーブルでのこのような曲がりの結果はまったくあり得ませんが、光ファイバーケーブルの場合、小さなきつい曲がりでも光信号の伝搬を妨げ、大幅な損失につながる可能性があります。

光ファイバーの基礎

光ファイバケーブルは、光を通さない外部スリーブで覆われたガラスフィラメントで構成されているように見えるかもしれませんが、実際にはこれよりもはるかに状況が進んでいます。

現在、ガラスフィラメントは実際のガラスではなくポリマーの形をしています。標準的なセットアップは次の図のようになります。ここでは、屈折率の高い中心コアと屈折率の低い外部シールドを見ることができます。

内側のフィラメントと外側のクラッディングが相互作用する屈折により、ケーブルを介して壁から壁へと効率的にジャンプすることにより、光がケーブルを通過できるようになります。

ケーブルがライトガイドのように走り、コーナーやカーブの周りでスムーズに照明を運ぶことを可能にするのは、ケーブルの壁を横切るこの光の跳ね返りです。

高次モードの光伝搬

光が反射する角度は、ケーブルの特性と光の入力角度によって決まります。上の図では、光線が 「高次モード」 伝搬。

低次モードの光伝搬

ただし、光が浅い角度で供給されているケーブルでは、ケーブルの壁の間でかなり広い角度でバウンドします。この低い角度により、光は各バウンスでケーブルを比較的長い距離を移動できます。

この形態の光伝達は、 「低次モード」 伝搬。これらのモードの両方の実際的な重要性は、高次モードでケーブルを介してベンチャーする光は、低次モードで伝播される光と比較して、かなり遠くまで進む必要があるということです。これにより、ケーブルを介して配信される信号が汚れ、アプリケーションの周波数範囲が狭くなります。

ただし、これは非常に広い帯域幅のリンクにのみ関係します。

シングルモードケーブル

また、 「シングルモード」 単に単一の伝搬モードを有効にすることを目的としたタイプのケーブルですが、この記事で詳しく説明する比較的狭い帯域幅の手法でこの形式のケーブルを使用する必要はありません。さらに、という名前の別の種類のケーブルに出くわす可能性があります 「グレーデッドインデックス」 ケーブル。

これは実際、前述の段付き屈折率ケーブルと非常によく似ていますが、ケーブルの中心近くの高屈折率から外側のスリーブの近くの減少した値への漸進的な変化が存在します。

これにより、光は前に説明したのとまったく同じ方法でケーブルを深く通過しますが、光は直線を伝搬するのではなく、曲線のルート（次の図のように）を通過する必要があります。

光ファイバの寸法

光ファイバケーブルの一般的な寸法は2.2ミリメートルで、内側のファイバの平均寸法は約1ミリメートルです。等しく一致するケーブルに接続する多数のシステムに加えて、このサイズのケーブルを介して接続するためにアクセス可能ないくつかのコネクタを見つけることができます。

通常のコネクタシステムには、ケーブルの先端に取り付けられ、フォトセルを収容するためのスロット（のエミッタまたは検出器を形成する）を備えた回路基板を通常ブラケットで覆う「ソケット」端子にケーブルを保護する「プラグ」が含まれます。光学システム）。

光ファイバ回路設計に影響を与える要因

光ファイバで覚えておく必要のある重要な側面の1つは、エミッタのピーク出力仕様です。フォトセル光の波長について。これは、送信周波数を適切な感度に一致させるために理想的に選択する必要があります。

覚えておくべき2番目の要素は、ケーブルが限られた帯域幅範囲でのみ指定されることです。つまり、損失は可能な限り最小限に抑える必要があります。

光ファイバで通常使用される光センサーと送信機は、ほとんどの場合、赤外線範囲最高の効率で、一部は可視光スペクトルで最適に動作するように意図されている場合があります。

光ファイバケーブルは、多くの場合、終端が未完成の端で提供されます。これは、端が適切にトリミングされて機能しない限り、非常に非生産的である可能性があります。

通常、ケーブルは、かみそりのような鋭いモデリングナイフで直角にスライスし、ケーブルの端を1回の操作できれいに切断すると、適切な効果が得られます。

スライスした端を磨くために細かいヤスリを使用することもできますが、端をカットしただけの場合は、光の効率を大幅に向上させるのに役立たない場合があります。カットが鋭く、鮮明で、ケーブルの直径に対して垂直であることが重要です。

カットに角度があると、光送りの角度がずれて効率が大幅に低下する場合があります。

シンプルな光ファイバーシステムの設計

光ファイバ通信を試してみたい人のために始める基本的な方法は、オーディオリンクを作成することです。

その最も基本的な形式では、これは、変化する単純な振幅変調回路を含み得る。 LED送信機音声入力信号の振幅に応じた明るさ。

これにより、フォトセル受信機の両端で同等に変調する電流応答が発生し、フォトセルと直列に計算された負荷抵抗の両端で対応して変化する電圧を生成するように処理されます。

この信号は、オーディオ出力信号を配信するために増幅されます。実際には、この基本的なアプローチにはそれ自体の欠点が伴う可能性がありますが、主要なアプローチは単にフォトセルからの不十分な線形性である可能性があります。

線形性がないことは、光リンク全体に比例したレベルの歪みの形で影響を及ぼし、その後品質が低下する可能性があります。

通常、大幅に優れた結果をもたらす方法は、周波数変調システムです。これは、標準で使用されているシステムと基本的に同じです。 VHFラジオ放送。

ただし、このような場合、帯域2の無線伝送で使用される従来の100 MHzの代わりに、約100kHzの搬送周波数が使用されます。

以下のブロック図に示すように、このアプローチは非常に簡単です。これは、このフォームの一方向リンク用に設定された原則を示しています。送信機は実際には電圧制御発振器（VCO）であり、タイトルが示すように、この設計からの出力周波数は制御電圧を介して調整できます。

この電圧は音声入力伝送である可能性があり、信号電圧が上下に振動すると、VCOの出力周波数も振動します。 A ローパスフィルタは、VCOに適用される前にオーディオ入力信号を調整するために組み込まれています。

これは、電圧制御発振器と高周波入力信号の間のビートノートのために、ヘテロダインの「ホイッスル」が生成されないようにするのに役立ちます。

通常、入力信号は可聴周波数範囲のみをカバーしますが、より高い周波数で歪みの内容が見られ、無線信号が配線からピックアップされ、VCO信号またはVCOの出力信号周辺の高調波と相互作用する場合があります。

単なるLEDである可能性のある発光デバイスは、VCO出力によって駆動されます。最適な結果を得るために、このLEDは通常高ワットタイプのLED 。これは、ドライバーバッファーステージの使用 LED電源を操作するため。

この次の段階は単安定マルチバイブレータこれは、再トリガー不可能なタイプとして設計する必要があります。

これにより、ステージは、入力パルスの持続時間に依存しないC / Rタイミングネットワークによって決定される間隔で出力パルスを生成できます。

動作波形

これにより、周波数から電圧への変換が簡単で効果的になり、次の図に示すような波形で動作パターンが明確に説明されます。

図（a）では、入力周波数は1対3のマークスペース比で単安定から出力を生成し、出力は25％の時間ハイ状態にあります。

（点線の内側に示されている）平均出力電圧は、結果として出力HIGH状態の1/4になります。

上の図（b）では、入力周波数が2倍に増加していることがわかります。これは、マークスペース比が1：1の指定された時間間隔で2倍の出力パルスを取得することを意味します。これにより、HIGH出力状態の50％であり、前の例の2倍の大きさの平均出力電圧を得ることができます。

簡単に言えば、単安定は周波数を電圧に変換するのに役立つだけでなく、変換によって線形特性を取得することも可能にします。単安定からの出力だけでは、出力が適切なオーディオ信号に安定化されることを保証するローパスフィルタが組み込まれていない限り、オーディオ周波数信号を構築することはできません。

周波数から電圧への変換のこの単純な方法の主な問題は、安定した出力を作成できるようにするために、VCOの最小出力周波数でより高いレベルの減衰（本質的に80 dB以上）が必要なことです。

しかし、この方法は他の考慮事項では非常に単純で信頼性が高く、最新の回路と合わせて、適切に正確な出力フィルタステージを設計することは難しくないかもしれません。カットオフ特性。

キャリアは一般にオーディオ範囲内にない周波数にあり、出力でのリークは結果として聞こえないため、出力のわずかなレベルの余剰キャリア信号はそれほど重要ではなく、無視できます。

光ファイバー送信機回路

光ファイバー送信機の回路図全体を以下に示します。ディスクリート部品を使用して構築された他の多くの構成とともに、VCOのように機能するのに適した多くの集積回路があります。

しかし、低コストの技術では、広く使用されています NE555 が推奨されるオプションになります。確かに安価ですが、パフォーマンス効率はかなり良好です。これは、入力信号をICのピン5に統合することによって周波数変調することができます。このピンは、IC555の1 / 3V +および2 / 3V +スイッチング制限を作成するように構成された分圧器に接続します。

基本的に、上限は増減されるため、タイミングコンデンサC2が2つの範囲を切り替えるのにかかる時間はそれに応じて増減できます。

Tr1は次のように配線されていますエミッタフォロワ LED（D1）を最適に点灯させるために必要な高駆動電流を供給するバッファ段。 NE555自体はLED用に良好な200mA電流を備えていますが、LED用の個別の電流制御ドライバーにより、正確な方法で、より信頼性の高い方法で目的のLED電流を確立できます。

R1はLED電流を約40ミリアンペアに固定するように配置されていますが、LEDは50％のデューティサイクルのレートでオン/オフに切り替えられるため、LEDは実際の定格の50％（約20ミリアンペア）でのみ動作します。

必要に応じてR1値を調整することにより、出力電流を増減させることができます。

光ファイバ送信機抵抗器のコンポーネント（すべて1/4ワット、5％）
R1 = 47R
R2 = 4k7
R3 = 47k
R4 = 10k
R5 = 10k
R6 = 10k
R7 = 100k
R8 = 100k
コンデンサ
C1 = 220µ10Vエレクト
C2 = 390pFセラミックプレート
C3 = 1u63Vエレクト
C4 = 330pセラミックプレート
C5 = 4n7ポリエステル層
C6 = 3n3ポリエステル層
C7 = 470nポリエステル層
半導体
IC1 = NE555
IC2 = 1458C
Tr1 = BC141
D1 =テキストを参照
その他
SK13.5mmジャックソケット
回路基板、ケース、バッテリーなど

光ファイバ受信回路

一次光ファイバー受信機回路図は下の図の上部に見ることができ、出力フィルター回路は受信機回路のすぐ下に描かれています。レシーバーの出力は、灰色の線でフィルターの入力と結合していることがわかります。

D1は検出ダイオード、およびそれは、その漏れ抵抗が一種の光依存抵抗またはLDR効果を作成するのに役立つ逆バイアス設定で機能します。

R1は負荷抵抗のように機能し、C2は検出器ステージと入力アンプ入力の間にリンクを作成します。これにより、2段の容量結合ネットワークが形成され、2段が一緒に機能します。エミッタ接地モード。

これにより、80dBを超える優れた全体的な電圧ゲインが可能になります。かなり強力な入力信号が供給されるとすると、これにより、Tr2コレクタピンで十分に高い出力電圧発振が提供され、単安定マルチバイブレータ。

後者は、C4とR7がタイミング要素のように機能する2つの2入力NORゲート（IC1aとIC1b）を使用して構築された標準のCMOSタイプです。 IC1の他のいくつかのゲートは使用されていませんが、それらの入力は、漂遊ピックアップによるこれらのゲートの誤った切り替えを阻止するためにアースに接続されていることがわかります。

IC2a / bを中心に構築されたフィルターステージを参照すると、基本的に2/3次（オクターブあたり18 dB）のフィルターシステムであり、送信機回路。これらは直列に結合され、合計6つの極と、オクターブあたり36dBの一般的な減衰率を確立します。

“圧力トランスデューサーのしくみ ”

これにより、最小周波数範囲でキャリア信号が約100 dB減衰し、キャリア信号レベルが比較的低い出力信号が得られます。光ファイバ回路は、1ボルトRMSまでの入力電圧をほぼ重大な歪みなしで処理でき、システムの1電圧ゲインよりわずかに小さい電圧で動作するのに役立ちます。

光ファイバー受信機とフィルターのコンポーネント

抵抗器（すべて1/4ワット5％）
R1 = 22k
R2 = 2M2
R3 = 10k
R4 = 470R
R5 = 1M2
R6 = 4k7
R7 = 22k
R8 = 47k
R9 = 47k
R10〜R15 10k（6オフ）
コンデンサ
C1 = 100µ10V電解
C2 = 2n2ポリエステル
C3 = 2n2ポリエステル
C4 = 390pセラミック
C5 = 1µ63V電解
C6 = 3n3ポリエステル
C7 = 4n7ポリエステル
C8 = 330pFセラミック
C9 = 3n3ポリエステル
C10 = 4n7ポリエステル