光纖通訊模擬實驗演示儀的研制

李悅 趙振宇

摘?要：物理與日常生活息息相關，因此課堂上物理知識的教學應與實際生活相結合.光導纖維被廣泛應用在生活中的通信、軍事、醫療等多個領域，是人們日常生活中不可缺失的一種技術，但光纖傳輸的過程卻是人們不能直接觀測到的，并且很難用語言進行描述和解釋.設計和制作光纖實驗儀，可以將不可見的光的傳輸轉化為人們可以感受到的聲音信號，清晰地向學生展現光纖傳輸的過程和應用的光的全反射原理.有助于學生更直觀地學習光學知識，并通過光纖實驗儀向學生展現物理之美、科學之美、簡約之美.

關鍵詞：光纖實驗儀;光的全反射

文章編號：1008-4134（2019）21-0043?中圖分類號：G633.7?文獻標識碼：B

作者簡介：李悅（1996-），女，黑龍江哈爾濱人，碩士研究生，研究方向：物理學科教學;

趙振宇（1968-），女，黑龍江哈爾濱人，本科，副教授，碩導，研究方向：教材教法.

光纖通訊技術是近年來快速發展的高新技術.光纖通信是以光波為載頻、光導纖維為傳輸媒介的通訊方式[1].為了便于高中學生學習人教版“光導纖維及其應用”一節的知識，筆者設計制作了光纖通訊模擬實驗演示儀.該儀器在2019年第11屆“格致杯”全國大學生、研究生物理教學技能實驗設計展示活動中榮獲研究生組一等獎.

1?光纖實驗儀的研制

1.1?設計思想

高中生對光纖通訊知識充滿好奇，學生只能從理論上學習光的全反射原理及了解光通訊原理，加之無相應的模擬實驗儀器演示，使得原理抽象又難以理解.因此，筆者選用紅外發射模塊與接收模塊將眼睛看不到的光的傳遞轉化成聲音的傳遞，通過音箱展現出來，通過將彎曲玻璃棒放在空氣中與飽和蔗糖溶液中的對比實驗，強化學生對光的全反射原理的掌握，使學生能夠直觀地、清晰地理解光導纖維的原理及其在通訊方面的應用.

1.2?光導纖維的傳輸光束原理

光導纖維由內芯、包層、涂覆層三部分組成，其中內芯的折射率n1較高，包層的折射率n2較低（空氣的折射率為n0，且n1>n2>n0）.光束在光纖中的傳輸過程如圖1所示.依據光的全反射原理，以一定角度射入光纖界面的光，在內芯和包層的界面之間發生多次全反射，沿著光導纖維的方向傳輸，不從周圍射出，達到傳輸光束的目的.

1.3?光纖通訊原理

光纖通訊分為發射端和接收端兩部分，發射端把音頻信號轉換為電信號，由其中的電光轉換器把電信號電流變為光信號功率，以此完成電光轉換[2].光信號通過光導纖維傳進接收端，由其中的光電轉換器把光信號轉換為電信號電流，以此完成光電轉換，然后經發射端將電信號還原為音頻信號，完成信號傳輸.光纖通訊模擬實驗儀原理框圖如圖2所示.

2?光纖通訊模擬實驗演示儀的制作

2.1?材料準備

根據設計思路，為了實現可視化的功能，所需的材料有MP3、音響（以手機代替）、彎曲石英棒、紅外發射模塊、紅外接收模塊、玻璃板、飽和蔗糖溶液、音頻線、9V電池等.

2.2?光纖實驗儀結構設計及制作

光纖實驗儀主體部分由紅外發射（或接收）模塊、光導纖維（石英棒）、水平直線移動玻璃架三部分組成.

2.2.1?紅外發射接收模塊的制作

圖3和圖4分別為紅外發射模塊和接收模塊的電路圖.

圖3為紅外發射模塊，經AUDIO傳入的信號經三極管Q1放大后使紅外發射管D1和D2發光.由于發射管的發射強度與其通過的電流成正比，所以D1和D2所發出的紅外光受到音頻信號的調制.圖4為紅外接收模塊，其中D2為紅外接收管，當被音頻信號調制的紅外光照射到D2時，在其兩端產生一個隨音頻信號變化的電信號，經C1耦合至Q1，放大，傳送出信號[3].

元件的選擇與制作：三極管Q1選用8050功率管，PCM=300W，ICM=500MA，R1的功率不小于1/4W，D2為紅外線接收管，不用光電二極管，是為了防止受可見光的干擾而影響實驗結果.

根據電路圖制作PCB圖，按照PCB圖對元件進行擺放，如圖5所示.

紅外發射模塊通過3.5mm音頻數據線與MP3相連，將MP3中波動的聲音轉換成紅外光，進行聲光轉換，由直徑為0.5cm的紅外發射頭發出紅外振動信息.紅外接收模塊上的直徑為0.5cm的紅外接收模塊檢測和接收信息，并將該信息解調，以達到聲音還原的目的，信號放大后由與紅外接收模塊相連的音響將聲音還原出來.

2.2.2?光導纖維（石英棒）的制作

高溫特制的直徑為0.6cm、長度為40cm中間彎曲兩端直的石英玻璃棒.

選材石英的原因：石英的折射率比空氣的折射率大，以一定角度入射的光在玻璃棒中實現全反射.

2.2.3?水平直線移動玻璃架的制作

用玻璃和玻璃膠制作一個長為40cm的玻璃支架，并且放在玻璃架上的物體可在水平方向沿直線移動.

2.3?光纖通訊模擬實驗演示儀實物圖

3?演示實驗儀的操作步驟

（1）將紅外發射、接收模塊安裝在水平直線玻璃架上.將紅外發射、接收模塊分別接上電源，紅外發射儀與MP3相連，紅外接收儀與小喇叭相連，觀察實驗現象（小喇叭放出聲音）.

（2）移動玻璃架上的玻璃板使紅外發射模塊與紅外接收模塊之間的距離變遠，觀察在此過程中小喇叭放出聲音的變化（距離越遠聲音越?。?

（3）當紅外發射模塊與紅外接收模塊之間的距離較遠時，將玻璃棒兩端正對紅外發射頭和紅外接收頭，放在玻璃架上，仔細觀察放上玻璃棒的前后聲音的變化 （放上玻璃棒后較放之前聲音變大了） .

（4）將玻璃棒中間彎曲部分浸入裝有飽和蔗糖溶液的容器中，觀察浸入前后聲音的變化（彎曲部分玻璃棒浸入溶液中后幾乎聽不到聲音）.

4?演示實驗儀的特色

文獻介紹的光纖通信模擬實驗演示儀或實驗箱都是大中專院校通信及相關專業的實驗設備，價格昂貴，結構復雜，不適合作為高中生通識教育的教具.在高中物理課堂上，幾乎沒有能夠直觀清晰地展現光纖原理的實驗儀[2].基于此，筆者利用身邊的廢舊物品設計制作了一個光纖通信模擬實驗演示儀，對環境要求不高并且效果很好.

本實驗器材在清晰地展現光導纖維的應用方面，拓展了多個日常生活中的物理原理，做到豐富學生知識，擴展學生思維，在理解全反射原理及光纖通訊知識點基礎上，將多方面知識融會貫通，并且用平時隨處可見的生活用品制成的教具可以激發學生興趣，增加物理的親切感，同時也有利于提高學生的創新素養.

4.1?能夠直觀地演示全反射原理在遠距離傳遞信息方面的應用

通過在光路中加上石英棒（光導纖維）后使聲音突然變大這一現象，第一時間抓住學生的注意力，激發學生的學習興趣，從而講解聲音變大的原因是光在石英棒中發生全反射，減少了光信號在空氣中的消耗.此過程可以使學生更好地理解光纖通信原理，并且將光信息的強弱轉化成聲音的大小，體現了可視化的思想.

4.2?展現光信號在空氣中的衰減過程

可以清晰地展現光信息在空氣中的衰減過程，通過移動玻璃板，改變紅外發射模塊和接收模塊之間距離，可以使學生清楚地觀察到隨著兩個模塊之間距離越來越遠聲音越來越弱，由此可以總結得出光信息在空氣中存在衰減的特點.為了使此現象明顯，實驗儀特意選用紅外線作為光源.

4.3?加深對光的全反射原理的理解

通過對比分析飽和蔗糖溶液的折射率，當彎曲的石英棒置于空氣中時，接收端傳出的聲音很大，此時石英的折射率大于空氣的折射率，光在石英棒中發生全反射.但是當彎曲的石英棒浸入到飽和的蔗糖溶液中時，幾乎聽不見聲音，此時光在石英棒中沒有發生全反射.由于光的全反射產生的條件是從光密介質射入光疏介質，因此可引導學生得出飽和蔗糖溶液的折射率較石英棒的折射率大.此過程既可以鞏固和加深學生對光的全反射產生條件的理解，又可以培養學生的逆向思維，由已知推未知的能力[4].

4.4?拓展調制和解調的過程以及中繼通信的原理

通過調制過程把信號源發出的信息進行加工處理加到載波上，使信息變為適合于信道傳輸的形式.紅外發射模塊就是將電信息調制為適合在石英棒中傳送的光信息.通過解調過程從已調信號中恢復出原調制信號.紅外接收模塊的作用是將接收到的光信息恢復為電信息再傳送給音箱.

中繼是指兩個交換中心之間的一條傳輸道路.中繼通信最早是由19世紀末丹麥數學家愛爾蘭提出的.因為光纖傳送信號時存在功率衰減的問題，光信號在光纖內傳輸時會隨著距離越遠，信號下降越多，當信號小到一定值時，接收端接收信號后無法正確識別信號編碼，就會導致誤碼，所以在光纖傳輸達到一定距離后，要加一個中繼器，將從光纖中接收到的弱信號檢測轉換成電信號，再生或放大后再次激勵光源，轉換成較強的光信號，送入光纖繼續傳輸[5].中繼器可以在遠距離的光纖通訊系統中起到補償光信號的損耗和消除信號畸變及噪聲的影響的作用.本實驗儀可以模擬展示信號中繼這一過程.

參考文獻：

[1]韋早春.光纖通信應用技術淺述與光纖通信教學實驗儀[J].廣西大學學報（自然科學版），1999（12）：34-37.

[2]黃亞忠.多功能光學實驗演示器[J].教學儀器與實驗，2013 （12）：42-43.

[3]林曼虹，吳先球.光的全反射簡易自制教具兩則[J].物理教師，2015 （01）：48-49.

[4]朱玲娟.基于核心素養的物理實驗教學研究[J].考試周刊，2018 （36）：168.

[5]劉敬陽，崔曉磊.淺談現代光纖通信傳輸技術的應用[J].黑龍江科技信息，2012 （35）：102.

（收稿日期：2019-08-06）