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(guān)，因此課堂上物理知識的教學(xué)應(yīng)與實際生活相結(jié)合.光導(dǎo)纖維被廣泛應(yīng)用在生活中的通信、軍事、醫(yī)療等多個領(lǐng)域，是人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇笔У囊环N技術(shù)，但光纖傳輸?shù)倪^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(shè)計和制作光纖實驗儀，可以將不可見的光的傳輸轉(zhuǎn)化為人們可以感受到的聲音信號，清晰地向?qū)W生展現(xiàn)光纖傳輸?shù)倪^程和應(yīng)用的光的全反射原理.有助于學(xué)生更直觀地學(xué)習(xí)光學(xué)知識，并通過光纖實驗儀向?qū)W生展現(xiàn)物理之美、科學(xué)之美、簡約之美.

關(guān)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(biāo)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(xué)科教學(xué);

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

光纖通訊技術(shù)是近年來快速發(fā)展的高新技術(shù).光纖通信是以光波為載頻、光導(dǎo)纖維為傳輸媒介的通訊方式[1].為了便于高中學(xué)生學(xué)習(xí)人教版“光導(dǎo)纖維及其應(yīng)用”一節(jié)的知識，筆者設(shè)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(xué)生、研究生物理教學(xué)技能實驗設(shè)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(shè)計思想

高中生對光纖通訊知識充滿好奇，學(xué)生只能從理論上學(xué)習(xí)光的全反射原理及了解光通訊原理，加之無相應(yīng)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(fā)射模塊與接收模塊將眼睛看不到的光的傳遞轉(zhuǎn)化成聲音的傳遞，通過音箱展現(xiàn)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(xué)生對光的全反射原理的掌握，使學(xué)生能夠直觀地、清晰地理解光導(dǎo)纖維的原理及其在通訊方面的應(yīng)用.

1.2?光導(dǎo)纖維的傳輸光束原理

光導(dǎo)纖維由內(nèi)芯、包層、涂覆層三部分組成，其中內(nèi)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(jù)光的全反射原理，以一定角度射入光纖界面的光，在內(nèi)芯和包層的界面之間發(fā)生多次全反射，沿著光導(dǎo)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(fā)射端和接收端兩部分，發(fā)射端把音頻信號轉(zhuǎn)換為電信號，由其中的電光轉(zhuǎn)換器把電信號電流變?yōu)楣庑盘柟β?，以此完成電光轉(zhuǎn)換[2].光信號通過光導(dǎo)纖維傳進接收端，由其中的光電轉(zhuǎn)換器把光信號轉(zhuǎn)換為電信號電流，以此完成光電轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)發(fā)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(zhǔn)備

根據(jù)設(shè)計思路，為了實現(xiàn)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(fā)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(jié)構(gòu)設(shè)計及制作

光纖實驗儀主體部分由紅外發(fā)射（或接收）模塊、光導(dǎo)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(fā)射接收模塊的制作

圖3和圖4分別為紅外發(fā)射模塊和接收模塊的電路圖.

圖3為紅外發(fā)射模塊，經(jīng)AUDIO傳入的信號經(jīng)三極管Q1放大后使紅外發(fā)射管D1和D2發(fā)光.由于發(fā)射管的發(fā)射強度與其通過的電流成正比，所以D1和D2所發(fā)出的紅外光受到音頻信號的調(diào)制.圖4為紅外接收模塊，其中D2為紅外接收管，當(dāng)被音頻信號調(diào)制的紅外光照射到D2時，在其兩端產(chǎn)生一個隨音頻信號變化的電信號，經(jīng)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(jié)果.

根據(jù)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(fā)射模塊通過3.5mm音頻數(shù)據(jù)線與MP3相連，將MP3中波動的聲音轉(zhuǎn)換成紅外光，進行聲光轉(zhuǎn)換，由直徑為0.5cm的紅外發(fā)射頭發(fā)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(diào)，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(dǎo)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(xiàn)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(fā)射、接收模塊安裝在水平直線玻璃架上.將紅外發(fā)射、接收模塊分別接上電源，紅外發(fā)射儀與MP3相連，紅外接收儀與小喇叭相連，觀察實驗現(xiàn)象（小喇叭放出聲音）.

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

（3）當(dāng)紅外發(fā)射模塊與紅外接收模塊之間的距離較遠(yuǎn)時，將玻璃棒兩端正對紅外發(fā)射頭和紅外接收頭，放在玻璃架上，仔細(xì)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?qū)嶒炏涠际谴笾袑Ｔ盒Ｍㄐ偶跋嚓P(guān)專業(yè)的實驗設(shè)備，價格昂貴，結(jié)構(gòu)復(fù)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(xiàn)光纖原理的實驗儀[2].基于此，筆者利用身邊的廢舊物品設(shè)計制作了一個光纖通信模擬實驗演示儀，對環(huán)境要求不高并且效果很好.

本實驗器材在清晰地展現(xiàn)光導(dǎo)纖維的應(yīng)用方面，拓展了多個日常生活中的物理原理，做到豐富學(xué)生知識，擴展學(xué)生思維，在理解全反射原理及光纖通訊知識點基礎(chǔ)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(fā)學(xué)生興趣，增加物理的親切感，同時也有利于提高學(xué)生的創(chuàng)新素養(yǎng).

4.1?能夠直觀地演示全反射原理在遠(yuǎn)距離傳遞信息方面的應(yīng)用

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

4.2?展現(xiàn)光信號在空氣中的衰減過程

可以清晰地展現(xiàn)光信息在空氣中的衰減過程，通過移動玻璃板，改變紅外發(fā)射模塊和接收模塊之間距離，可以使學(xué)生清楚地觀察到隨著兩個模塊之間距離越來越遠(yuǎn)聲音越來越弱，由此可以總結(jié)得出光信息在空氣中存在衰減的特點.為了使此現(xiàn)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(dāng)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(fā)生全反射.但是當(dāng)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(fā)生全反射.由于光的全反射產(chǎn)生的條件是從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)，因此可引導(dǎo)學(xué)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(xué)生對光的全反射產(chǎn)生條件的理解，又可以培養(yǎng)學(xué)生的逆向思維，由已知推未知的能力[4].

4.4?拓展調(diào)制和解調(diào)的過程以及中繼通信的原理

通過調(diào)制過程把信號源發(fā)出的信息進行加工處理加到載波上，使信息變?yōu)檫m合于信道傳輸?shù)男问?紅外發(fā)射模塊就是將電信息調(diào)制為適合在石英棒中傳送的光信息.通過解調(diào)過程從已調(diào)信號中恢復(fù)出原調(diào)制信號.紅外接收模塊的作用是將接收到的光信息恢復(fù)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?shù)缆?中繼通信最早是由19世紀(jì)末丹麥數(shù)學(xué)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(nèi)傳輸時會隨著距離越遠(yuǎn)，信號下降越多，當(dāng)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(dǎo)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(zhuǎn)換成電信號，再生或放大后再次激勵光源，轉(zhuǎn)換成較強的光信號，送入光纖繼續(xù)傳輸[5].中繼器可以在遠(yuǎn)距離的光纖通訊系統(tǒng)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(yīng)用技術(shù)淺述與光纖通信教學(xué)實驗儀[J].廣西大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），1999（12）：34-37.

[2]黃亞忠.多功能光學(xué)實驗演示器[J].教學(xué)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(yǎng)的物理實驗教學(xué)研究[J].考試周刊，2018 （36）：168.

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

（收稿日期：2019-08-06）