ファイバ回路入門:現代高速通信を支える光ファイバ技術の基礎
光ファイバセットアップ(出典:Wikimedia Commons)
かつては電気ケーブルが主流でしたが、長距離・大容量通信の需要に応えきれませんでした。そこで登場したのが光ファイバです。光ファイバは極めて高速で大量のデータを伝送できるため、インターネット回線の多くで採用されています。欠点としてファイバ回路故障がありますが、高密度マルチファイバアレイでは無視できるレベルです。
コンパクトで慢性埋め込み型、高密度アレイのファイバ光回路について詳しく知りたい方は、まさにうってつけの記事です。さっそく始めましょう。
ファイバ回路とは
ファイバ光学は、情報伝達の様々な方式と同じ考え方を用います。例えば電話には有線ケーブルがあります。
光ファイバ回路(出典:Wikimedia Commons)
ファイバ回路とは、情報を乗せた電子(正確には光子)が伝わる経路です。光が情報キャリアとなり、全反射を利用して透明な光導波路内を伝播します。音声はデバイスから壁のソケットへ、さらに局舎へと伝わりますが、初期過負荷故障の可能性があります。
一方、携帯電話はケーブルを使わず、不可視の電波と大規模ニューラルダイナミクスで情報をやり取りします。
光ファイバの種類
光ファイバは伝搬モード(光ビームの通過様式)が異なります。光が異なる角度で跳ね返ったり、コア中心を直進したり、低角度で反射したりします。主に2種類に大別されます。
シングルモードファイバ(SMF)
ガラスコアの直径が小さく(約9µm)、長距離伝送に適しています。小径ゆえに信号減衰が少なく、レーザー光源を用いて単一モードで伝播させるため、より直接的なルートで高帯域幅を実現します。ただし、微小なコアへレーザー光を結合するには精密な調整が必要で、コストが高くなります。
マルチモードファイバ(MMF)
コア径が大きく(50〜62.5µm)、光信号がコア内で多重反射しながら伝播します。大径ゆえに複数の光パルスを同時に送れ、データ伝送量が多い反面、モード分散による信号損失や干渉が生じやすいです。光源はLEDで、シングルモードより安価です。
ファイバ回路の動作原理
ファイバ回路は、光子(光粒子)として情報を光ファイバケーブル内を伝送させます。クラディング(外皮)とガラスコアの屈折率が異なるため、入射光は特定角度で屈折します。光信号がファイバ内を進む際、コアとクラディングの境界で全反射を繰り返し、ジグザグに伝播します。この全反射こそが光を導波路内に閉じ込める鍵です。
ただし、ガラス層の屈折率により光速の約30%遅れ(約2.1×10⁸ m/s)で伝わります。長距離ではリピータ(中継器)を一定間隔で設置し、光信号を電気信号に変換→処理→再び光信号へ変換して再生します。
ファイバ回路の応用
光ファイバは光変調ビームでデータを伝送し、ネットワーク変調にも利用されます。情報はプラスチックまたはガラスのパイプ内を移動します。このアイデアは1950年代に内視鏡(マルチファイバ光度計)で人体内部を非侵襲観察する目的で生まれました。技術者たちは同じ技術で電話通話を光速で伝送することに着目し、FCC(米連邦通信委員会)も採用しました。光ファイバケーブルは光ファイバ(細いプラスチック/ガラス繊維)の束で構成され、1本で25,000回線以上、ケーブル全体で数百万回線を伝送可能です。要するに、光ベース技術で二地点間を情報伝達します。
ファイバ光回路の設計
ファイバ光回路設計(出典:Researchgate c/p Richard Cole)
回路設計は送信側(トランスミッタ)と受信側(レシーバ)の2大ブロックに分けられます。
ファイバ光トランスミッタ回路
低コストなファイバ光トランスミッタ回路に必要な部品:
- 電池
- ケース
- SK1 3.5mmジャック基板
- 回路基板
半導体
- D1(LED)
- IC1(NE555)
- IC2(1458C)
- Tr1(BC141)
コンデンサ
- C1(220µF 10V 電解)
- C2(390pF セラミック)
- C3(1µF 63V 電解)
- C4(330pF セラミック)
- C5(4.7nF ポリエステル)
- C6(3.3nF ポリエステル)
- C7(470nF ポリエステル)
抵抗(全て1/4W、5%)
- R1(47Ω)、R2(4.7kΩ)、R3(47kΩ)、R4(10kΩ)、R5(10kΩ)、R6(10kΩ)、R7(100kΩ)、R8(100kΩ)
NE555を用いるため、十分な性能が期待できます。IC1のピン5に入力信号を接続して周波数制御可能です。ピン5は分圧回路に接続され、NE555の2/3V+と1/3V+のスイッチング閾値を生成します。上限を変えればC2の充放電時間を調整できます。Tr1がエミッタフォロワバッファ段としてD1(LED)に大電流を供給します。IC1単体でも200mA駆動可能ですが、別途LEDドライバを設ければより精密な電流制御が可能です。R1でLED電流を約40mAに設定しますが、LEDは50%デューティでON/OFFするため実効20mAとなります。R1を調整して出力電流を変えられます。
ファイバ光レシーバ回路
レシーバ回路とフィルタに必要な部品:
- ワイヤー
- SK1 25ピンDコネクタ
- 回路基板
- ケース
半導体
- TR1, TR2 BC549(2個)
- D1
- IC1(4001BE)
- IC2(1458C)
- IC3(CA3140E)
コンデンサ
- C1(100µF 10V 電解)、C2(2.2nF ポリエステル)、C3(2.2nF ポリエステル)、C4(390pF セラミック)、C5(1µF 63V 電解)、C6(3.3nF ポリエステル)、C7(4.7nF ポリエステル)、C8(330pF セラミック)、C9(3.3nF ポリエステル)、C10(4.7nF ポリエステル)
抵抗
- R1(22kΩ)、R2(2.2MΩ)、R3(10kΩ)、R4(470Ω)、R5(1.2MΩ)、R6(4.7kΩ)、R7(22kΩ)、R8(47kΩ)、R9(47kΩ)、R10〜R15(10kΩ、6個)
レシーバ出力がフィルタ入力に接続されます。D1は逆バイアスで動作する検出ダイオードで、漏れ抵抗がLDR効果を生みます。R1は負荷抵抗、C2は検出段と入力増幅段を結合するカップリングコンデンサで、2段の容量結合共通エミッタ増幅段を形成します。TR2に十分な入力電圧振動を与えればモノステーブルマルチバイブレータを駆動でき、80dB以上の電圧利得が得られます。フィルタ段は1458C(a/b)を中心とした18dB/oct(2/3次)フィルタで、トランスミッタ回路でも一般的です。
光ファイバのメリット
- 水中使用可能
- 高帯域幅対応
- 軽量・細径・高強度
- 中継なしで長距離伝送可能
- メンテナンス・交換頻度が低い
- 電磁干渉(EMI)に強い
光ファイバのデメリット
- コストが高い
- 施工が労働集約的
- ケーブルが脆い
- ガラス繊維には更なる保護が必要
結び
ファイバ回路は光ファイバ通信の核心です。銅ケーブルより光ファイバケーブルが好まれるのは、高速伝送・大容量帯域幅などのメリットがあるからです。高性能データネットワークや長距離通信に最適です。
ファイバ回路についてご質問やご提案があれば、お気軽にお問い合わせください。
産業技術
- 光ファイバー:技術、製造、未来展望
- 回路保護:安全で効率的な電気配電設計の鍵
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