基于太陽能電池的光通信演示儀

(華南師范大學物理與電信工程學院，廣東 廣州 510006)

1 引言

近年來，光通信技術在各種通信手段中脫穎而出，成為現代通信廣泛使用的技術，并在軍事、社會生產、生活中起著越來越重要的作用.光通信作為一項現代高端領域的科學技術，在物理學教學中，使學生對光通信的基本原理和過程有一個基本的了解，是十分重要和有必要的.

歷年來都有光通信的產品涌現，但光通信實現效果一直存在失真的問題，而且發射的激光頭容易燒壞.因此，本文創新性地利用LED燈發射光信號、太陽能電池進行接收的光通信演示儀，實現了失真率低、信號傳輸效率高等效果.

2 實驗原理

2.1 傳統的光通信原理[1]

將要傳送的信息(如音頻信息)變成電信號，然后調制到激光器發出的激光束上，使光的強度隨電信號的幅度(頻率)變化而變化，在接收端，應用光電效應原理，光電池收到光信號后把它轉換成電信號，經解調后恢復原信息，這就是光通信的原理.

圖1

光通信流程如圖1所示，把音頻信號輸入功放中，被放大的音頻信號屬于電壓變化，輸入到激光頭中，激光的亮度會隨輸入電壓的變化而改變，光強變化的頻率、幅度包含了關于音頻的信息，即是將音頻信號調制成光強的模擬信號，以電壓調變光信號.

在接受的一端，由于光電效應，即光子照射在器件上，使電路產生電流或電導特性發生變化的效應，光電池接收到隨時間改變的亮度，即在輸出電壓上也表現出同樣的變化，將此電壓變化再次放大傳至喇叭，最后播出與輸入信號相同的音頻信號.

2.2 創新實驗——基于太陽能電池的光通信裝置[2][3]

本文創新的光通信裝置，主要利用LED燈能隨輸入電壓不同而在亮度上迅速做出反應，而太陽能電池輸出的電壓會隨著接收到的光強度而變化.利用音頻輸入與直流電源串聯，兩者電壓相加再串聯LED燈，LED燈亮度會隨輸入電壓而改變，發出的光包含有輸入信號的信息，即以電壓調光信號.在接受端，太陽能電池輸出的電壓隨著接收到的光亮度變化而變化，輸出電壓經過功率放大器進行功率放大，然后再輸入到喇叭，喇叭就可以播出與輸入信號相同的音頻了.

圖2

如圖2所示，在光通信裝置中的光源，需具備電壓與亮度有敏銳變化，并且有極短的反應時間，其(亮滅)反應頻率高達約100MHz[4]，已遠高于聲音頻率(20Hz～20000Hz).由于輸入電壓不同而需LED對應亮度的時間變化，顯然其他光源無法達成此極快反應時間的要求.并且由于光源輸出信號是聲音信號，電壓變化頻率也對應于聲波頻率，因此人眼無法辨別.

3 裝置的制作與使用

3.1 制作材料

1個鋁盒，3個旋鈕，1個按鈕開關，大量LED燈，1塊太陽能電池，1個12V電源，2根音頻線，1個功率放大集成電路板，2個轉換接口，1個喇叭，2個3.5mm音頻插頭，2個3×1排針，1個變壓器，1個可調電位器，6個香蕉插座，1個復位開關，1個撥動開關，1塊線路板，不同阻值的電阻，電容，粗細不同的線材等.

使用40mm×70mm的亞克力有機玻璃板作為底板，用于固定部分元件.或者使用木板作為底板，可分為發射裝置與接收裝置兩個部分.

3.2 制作過程

(1)焊接可調直流電源電路板，接入開關，固定在底板上.

(2)焊接轉換接頭的音頻插座與排針.

(3)將LED燈并聯焊接，作為發射端，并接入兩個開關控制LED燈接入的數量.

(4)串聯電源、LED燈發射端與音頻輸入端，完成發射裝置.

(5)將鋁盒鉆孔，放入功率放大集成電路，安裝好旋鈕與開關，用螺絲固定在底板上.

(6)將太陽能電池的輸出電壓通過轉換接頭、音頻線輸入到功率放大器.

(7)焊接香蕉插頭與線材，插頭固定在底板上.

(8)固定喇叭位置.將功率放大器音頻輸出，通過轉換接頭輸入到喇叭.

3.3 實驗裝置

實驗裝置如圖3所示，輸入轉換接頭、輸出轉換接頭分別為音頻輸入與音頻輸出的音頻線插座，焊接時將音頻插座的正負極接到兩個排針上，用排線分別接到兩個香蕉插頭，成為一個可拆卸的電路元件.

1.LED燈發射端 2.太陽能電池 3.喇叭4.輸出轉換接頭 5.音頻線 6.功率放大器7.輸入轉換接頭 8.可拆卸電線插座9.MP3音頻播放器 10.可調電源

3.4 使用方法

(1)按照實驗原理圖，將音源輸入、LED燈、電源輸入串聯接好，將太陽能電池與功放輸入端、功放輸出端與喇叭分別接好，功放使用12V電源.

(2)開啟電源前，把功放的音量和高低音向左旋到最小.調節音頻輸入信號，開啟發射裝置電源和功放電源.

(3)調節發射裝置的輸入音頻與接收功放的音量旋鈕，以及發射和接收信號端的位置.

(4)調節太陽能電池與LED燈發射端之間的距離，距離越遠，喇叭發出的聲音越小，說明太陽能電池接收的光信號變弱了，也就是說，距離是影響光通信效果的一個因素.

(5)在太陽能電池與LED燈之間放一塊不透光的紙板(或木板)遮擋

LED燈的光，遮住的光越多，喇叭的聲音就越小.使用LED燈排的開關，控制LED燈的數量變化，分別減少一半和減少四分之三的燈，聽喇叭聲音的變化情況.

3.5 實驗結果分析與討論

(1)發射端發射距離遠、失真率低

利用LED燈作為發射端光源，具有方向性好，強度大等優勢，能夠實現較大距離傳輸，而且有利于觀察LED燈亮度的變化，解決了以往教具的激光頭容易燒壞的缺點.經過反復測試與實驗，選擇LED燈以及調試出適合LED燈發射音頻信號的電壓，成為發射音頻信號失真率的決定性因素.

(2)接收端面積增大、音質提高、可操作性提高

LED燈的頻率高，太陽能電池接收到LED燈隨音頻變化的亮度，在輸出電壓上發生相應的變化，反應同樣很靈敏，使音質得到了提高.與面積只有1平方厘米的硅光電池比較，太陽能電池的面積大大增大，接收效率得到提高，操作起來更加方便，便于學生觀察該實驗，演示效果更好.

4 結束語

光電傳聲裝置利用太陽能電池作為接收端來演示光通信原理，通過設計、制作，不僅使我們加深了對光通信原理的認識，而且只要充分利用身邊材料，設計更新穎、直觀的裝置，一定能達到事半功倍的演示效果.

參考文獻：

[1]李玉權，朱勇，王江平.光通信原理與技術[M].北京：科學出版社，2006：4-15.

[2]黃顯吞.光通信演示實驗裝置的改進[J].物理通報,2009,(10).

[3]韓長明.光通信演示實驗裝置的設計與制作[J].物理實驗，2000，20(12).

[4]任霞.LED燈與節能[J].企業技術與發展，2010，29(5).