光纖通信演示儀的設計與制作

戚慧珊 李智豪 勞健濤 蒲小年

華南師范大學物理與電信工程學院(510006)

隨著信息時代的到來，在互聯(lián)網(wǎng)上流動著的數(shù)據(jù)出現(xiàn)了井噴式的增長，核心網(wǎng)中傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送金屬電纜不堪重負，信息傳輸容量的不足成為阻礙互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的瓶頸。光纖通信的出現(xiàn)很好地解決了這些問題，其具有抗干擾能力強、傳輸容量大、傳輸時延低等優(yōu)點，在信息傳輸領域中得到了高速的發(fā)展和廣泛的應用，并逐步地取代了金屬傳輸線纜的地位。事實上，光纖通信的核心原理并不復雜，其主要涉及光電信號調(diào)制解調(diào)與光信號遠距離無損耗傳輸?shù)汝P鍵技術。本文以實驗演示儀的設計與制作的流程來介紹實現(xiàn)光纖通信所需的主要環(huán)節(jié)及關鍵技術。

1 實驗裝置基本原理

1.1 模擬基帶直接光強調(diào)制

模擬基帶直接光強調(diào)制是指利用承載信息的模擬基帶信號，直接對發(fā)射端光源(發(fā)光二極管或半導體激光器)進行光強調(diào)制，使光源輸出光的功率隨時間變化的波形和輸入模擬基帶信號的波形成比例。實驗裝置選用的光源為半導體激光器，其具有單色性好、方向性強、亮度大及相干性強等優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)電信號到光信號的高效轉(zhuǎn)換。光纖通信演示裝置系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 光纖通信演示裝置系統(tǒng)框圖

1.2 光的全反射

當光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時，同時發(fā)生折射和反射。如果入射角逐漸增大，則折射光線離法線越來越遠，且光強越來越弱，反射光卻越來越強。當入射角增大到某一角度，使折射角達到90°時，折射光完全消失，只剩下反射光，這種現(xiàn)象叫做全反射。光信號在光導纖維內(nèi)發(fā)生全反射現(xiàn)象，以相同的反射角度不斷地反復全反射向前傳播，直至從光纖的另一端射出，從而實現(xiàn)光信號在光導纖維內(nèi)的傳輸。

1.3 光電轉(zhuǎn)換

半導體PN結(jié)光伏效應是指在光的照射下，P區(qū)近表面層激發(fā)出電子—空穴對，其中電子將擴散到PN結(jié)區(qū)并被結(jié)電場拉到N區(qū)，空穴也將依賴擴散及結(jié)電場的作用進入P區(qū)，并在結(jié)區(qū)兩邊產(chǎn)生勢壘。在可見光及紅外光譜區(qū)工作的硅光電二極管，就是基于PN結(jié)的光伏效應而工作的。在外界光的照射下，硅光電二極管將入射的光能轉(zhuǎn)變成流過PN結(jié)的電流，實現(xiàn)光信號到電信號的轉(zhuǎn)換。

2 實驗裝置的制作

2.1 實驗裝置所需材料

5 m W半導體激光器、光電二極管、直徑為2 mm的光導纖維、LM386運放芯片、NPN三極管、3.5 mm音頻插口、揚聲器、玻纖電路板、電阻電容及導線若干。

2.2 實驗裝置電路結(jié)構

2.2.1 信號發(fā)射端

圖2 信號發(fā)射端電路原理圖

如圖2所示，實驗裝置的發(fā)射端為NPN型三極管組成的共射極放大電路，其目的是將音頻輸入信號進行功率放大來驅(qū)動半導體激光器，使激光器所發(fā)出光的功率隨時間變化的波形和音頻輸入信號的波形成比例，從而實現(xiàn)電信號到光信號轉(zhuǎn)換。其中，三極管的輸入及輸出端串聯(lián)濾波電容，可有效地濾除電路內(nèi)部的直流噪聲，提高激光器工作時的穩(wěn)定性。

2.2.2 信號接收端

由圖3可知，信號接收端主要由光電二極管和功率放大電路組成。光導纖維中傳輸來的光信號被光電二極管接收，并轉(zhuǎn)換為與光信號強度隨時間變化的波形成比例的電信號，實現(xiàn)光信號到電信號的轉(zhuǎn)換。功率放大電路將光電二極管輸出的微弱電信號進行功率放大，驅(qū)動揚聲器發(fā)出聲音。

圖3 信號接收端電路原理圖

3 探究實驗的操作步驟

3.1 信號發(fā)射端與接收端的連接

使用音頻傳輸線連接手機與演示儀的信號發(fā)射端，將半導體激光器和光電二極管分別與光導纖維的兩端進行連接，并在接口處纏繞遮光膠布。連接完成后的實驗裝置實物如圖4所示。

圖4 光纖通信演示儀實物圖

3.2 探究性實驗的設計

為更好地讓學生了解影響光纖通信質(zhì)量的主要因素，并加深學生對實現(xiàn)光的全反射的條件的理解，可利用光纖通信演示儀進行如下探究性實驗。

3.2.1 探究激光入射角度對音頻傳輸質(zhì)量的影響

調(diào)節(jié)音頻輸入信號的音量大小為50%，將激光器與光電二極管正對光導纖維端面，并做好遮光措施，保持光導纖維為近似直線狀態(tài)，記錄揚聲器的音量大小及音質(zhì)優(yōu)劣。在光導纖維端面垂直方向上傾斜激光器，使得激光器與光導纖維主軸的夾角慢慢變大，記錄揚聲器音量及音質(zhì)的變化。繼續(xù)傾斜激光器，直至揚聲器無音樂輸出。當激光器正對光導纖維端面時，實驗裝置揚聲器發(fā)出的音樂與手機揚聲器發(fā)出的無明顯差異。在傾斜激光器的過程中，揚聲器聲音的音量開始變小且音質(zhì)變差。當激光器與光導纖維主軸夾角約為70°時，揚聲器無音樂輸出。

3.2.2 探究光導纖維曲率半徑對音頻傳輸質(zhì)量的影響

調(diào)節(jié)音頻輸入信號的音量大小為50%，將激光器與光電二極管正對光導纖維端面，在接頭處纏繞遮光膠布，保持光導纖維為近似直線狀態(tài)，記錄揚聲器音量大小及音質(zhì)優(yōu)劣。彎曲光導纖維，使其曲率半徑為20 cm，記錄揚聲器音量及音質(zhì)的變化。繼續(xù)彎曲光導纖維，使其曲率半徑慢慢變小，記錄揚聲器音量及音質(zhì)的變化。當光導纖維曲率半徑為20 cm時，揚聲器發(fā)出的聲音與原始聲音無明顯差異。在縮小光纖曲率半徑的過程中，揚聲器發(fā)出的聲音音量逐漸變小，但仍具有可辨析度。當光纖的曲率半徑縮小為4 cm時，揚聲器發(fā)出的聲音無法分辨。

3.2.3 探究激光發(fā)射功率對音頻傳輸質(zhì)量的影響

保持光導纖維為近似直線狀態(tài)，并使激光器與光電二極管正對光導纖維端面，調(diào)節(jié)激光信號發(fā)射端的音頻輸入信號的大小，記錄揚聲器音量大小及音質(zhì)優(yōu)劣。調(diào)節(jié)音頻輸入信號的音量至最大及最小，記錄揚聲器音量及音質(zhì)的變化。當輸入音量為100%時，揚聲器發(fā)出的聲音嘈雜且刺耳，并出現(xiàn)了聲音失真的現(xiàn)象。繼續(xù)減小音頻輸入信號的音量至13%，此時揚聲器發(fā)出的聲音較微弱且難以分辨。

4 結(jié)語

實驗裝置性能穩(wěn)定，演示效果明顯，可結(jié)合物理學原理進行講解，用于物理課堂上的探究實驗演示，能夠活躍課堂課堂氣氛，提高學生對物理知識學習的積極性。同時，實驗演示裝置電路原理簡單，所需元件材料經(jīng)濟實惠，設計及制作過程危險系數(shù)低，可應用于中學生的課外科技制作與電子設計競賽等實踐性較強的興趣課程，有效地培養(yǎng)學生的動手實踐能力與科學探索精神。