In einer zunehmend vernetzten Welt stößt die Nachfrage nach Hochgeschwindigkeits- und Hochleistungssignalübertragung an die Grenzen herkömmlicher Koaxialkabelsysteme. In letzter Zeit ist das Interesse der Menschen an der faseroptischen Hochfrequenzübertragung (RFoF) von Tag zu Tag gestiegen. Diese Technologie kombiniert die Vorteile des geringen Verlusts und der hohen Bandbreite von Glasfaser mit der Multifunktionalität der Hochfrequenzkommunikation (Abbildung 1). Das RFoF-System überträgt HF-Signale über Glasfasern und ermöglicht so eine störungsfreie Signalübertragung über große Entfernungen in einer Vielzahl von Anwendungen, von Satelliten-Bodenstationen über entfernte Antenneninstallationen bis hin zu 3G-5G-Infrastruktur- und Verteidigungssystemen. In diesem Artikel werden die Grundprinzipien des RFoF-Systemdesigns untersucht.
Die Hauptfunktionen von RFoF
Abbildung 1: Hauptmerkmale von RFoF. (Bildquelle: NuPhotonics)
Fernübertragung – Signalstärke
Die Leistung von Koaxialkabeln variiert je nach Kabelkonfiguration. Die Einfügungsdämpfung eines typischen dielektrischen SMA-Kabels beträgt etwa 0,25 dB/m (bei 2 GHz). Die Leistung von aufblasbaren Kabeln ist etwas besser, aber die Kosten sind viel höher. Gerade diese hohe Verlusteigenschaft macht die RFoF-Technologie für Übertragungsentfernungen über 50 Meter einsetzbar. In der RFoF-Technologie sind die am häufigsten verwendeten Wellenlängen 1310 nm und 1550 nm. Der Verlust bei einer Wellenlänge von 1310 nm beträgt etwa 0,35 dB/km, während der Verlust bei einer Wellenlänge von 1550 nm nur 0,25 dB/km beträgt. Es zeigt sich, dass der Verlust dieser Technologie deutlich geringer ist als der von Koaxialkabeln.
DigiKey und NuPhotonics vereinfachen den Komponentenbeschaffungsprozess
DigiKey ist weltweit führend bei der Vereinfachung des Beschaffungsprozesses kritischer Komponenten. Hobby-Enthusiasten, Studenten, Profis und große Unternehmen kaufen alle Komponenten über DigiKey. Als führender Hersteller in der HF- und optoelektronischen Geräteindustrie hat NuPhotonics eine Partnerschaft mit DigiKey geschlossen, um benutzerfreundliche und leicht zugängliche Komponentenprodukte für die Branche bereitzustellen, was eine natürliche Weiterentwicklung darstellt (siehe Abbildung 2).
NuPhotonics 10G PIN-Fotodioden-Endfaser FC/APC
Abbildung 2: NuPhotonics10G PIN-Fotodioden-Schwanzfaser FC/APC. (Bildquelle: NuPhotonics)
Obwohl es derzeit einige kommerzielle Lösungen gibt, mangelt es diesen häufig an wirtschaftlichen Vorteilen. In diesem Artikel wird das Standarddesign vorgestellt, das es Benutzern ermöglicht, kostengünstige Speziallösungen mit NuPhotonics-Komponenten zu entwickeln. Die in diesem Artikel besprochenen Produkte und Lösungen können problemlos bei DigiKey erworben werden.
RFoF-Senderdesign – 10G DFB-Laser
Der erste Teil des Entwurfs eines RFoF-Systems ist die Entwicklung des Senders. Für die RFoF-Architektur ist es notwendig, das Daten-RF-Signal auf ein optisches Trägersignal zu modulieren und es dann über eine optische Verbindung zu übertragen. Distributed-Feedback-Laser (DFBs) können direkt durch Hochfrequenzsignale moduliert werden, was sie zu einem idealen Gerät für die Umwandlung elektrischer Hochfrequenzsignale in optische Signale macht. Das Grundprinzip ist in Abbildung 3 dargestellt. Aufgrund der im Laser verwendeten anodenseitigen Vorspannungsmethode ist er auch ein Eingangsanschluss für die HF-Frequenz. Um die Systemsicherheit zu gewährleisten, enthält die Schaltung einen DC-Sperrkondensator (C2). Der Wert von C2 wird entsprechend dem gewünschten Tieffrequenz-Grenzpunkt feinabgestimmt. Der Widerstand R1 im Schaltkreis dient zur Impedanzanpassung des 10-Ω-DFB-Lasers an das 50-Ω-System. Je größer der R1-Wert ist, desto besser ist die Übereinstimmung mit der Verbindung. Der Nachteil besteht jedoch darin, dass dadurch die Einfügungsdämpfung der optischen Verbindung erhöht wird. Dadurch kann eine präzise Pegelsteuerung erreicht werden, um die erforderlichen Impedanzanpassungs- und Einfügedämpfungsindikatoren zu erreichen. Der Widerstand R2 in der Schaltung ist ein Strombegrenzungswiderstand, der den Strom des Lasers begrenzt. Der Induktor L ist ein Pfad mit hoher Impedanz für HF-Signale und auch der Strompfad mit minimaler Impedanz für die Laser-Gleichstromvorspannung. Der Kondensator C1 ist ein optionales Gerät, das als Filterkondensator verwendet wird, um Stromversorgungsrauschen bei vorgespannten T-Typ-Kondensatoren herauszufiltern.
10G-DFB-Laser mit Bias-T-Übergang und Impedanzanpassungsschaltung
Abbildung 3: 10G-DFB-Laser mit Bias-T-Verbindung und Impedanzanpassungsschaltung. (Bildquelle: NuPhotonics)
RFoF-Empfängerdesign – 10G PIN-Fotodiode
Das Licht in optischen Fasern muss in nützlichere elektrische Signale umgewandelt werden. Hierzu können Fotodioden verwendet werden. Wenn Photonen mit ausreichender Energie mit einer Diode kollidieren, entstehen Elektronen-Loch-Paare. Dieser Mechanismus wird auch als interner photoelektrischer Effekt bezeichnet. Diese Löcher bewegen sich in Richtung Anode (+) und Elektronen bewegen sich in Richtung Kathode (-). Dieser Effekt erzeugt einen Photostrom. Aufgrund des Breitbandbetriebs in der Schaltung arbeiten Fotodioden mit Sperrvorspannung. Bei umgekehrter Vorspannung fließt Strom nur dann durch die Fotodiode, wenn einfallendes Licht einen Fotostrom erzeugt. Diese Vorspannungsmethode hat noch einen weiteren Vorteil: Sie verbessert die Linearität der Fotodiode. Durch die Vergrößerung der Verarmungsschicht kann die Reaktionszeit der Sperrvorspannung verkürzt werden. Die Vergrößerung der Sperrschichtbreite verringert die Sperrschichtkapazität und erhöht die Driftgeschwindigkeit der Ladungsträger in der Fotodiode. Die Laufzeit der Ladungsträger verkürzt sich und die Reaktionszeit verkürzt sich entsprechend.
Abbildung 4 zeigt die grundlegende Treiberschaltung einer Fotodiode. Es gibt Ähnlichkeiten zwischen Fotodiodenschaltungen und Laserschaltungen. Kondensator C ist ein DC-Sperrkondensator, der zum Schutz von HF-Anschlüssen verwendet wird. Die Induktivität L ist ein Gleichstrom-Erdungspfad mit niedriger Impedanz, der den Stromfluss vom Gleichstrom-Vorspannungsstift zur Erde ermöglicht, da der Gleichstrom-Sperrkondensator C keinen direkten Erdungspfad hat. Die richtige Wahl von R1 und C1 kann dazu beitragen, die Hochfrequenz-Impedanzanpassung zu verbessern.