光纖通信演示儀的設(shè)計(jì)與制作

黃李容 李奇云 資翔宇 單遙依

摘? ?要：光導(dǎo)纖維廣泛應(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钪胁豢扇鄙俚囊环N技術(shù)。但是，光纖通信的過程卻不是人們可以直接觀測到的，并且很難用語言進(jìn)行描述和解釋。設(shè)計(jì)和制作光纖通信演示儀，能夠清晰地向?qū)W生展示光纖通信的全反射原理，從視覺和聽覺的角度讓學(xué)生深刻感受信息傳遞的過程。該教具還能向?qū)W生展現(xiàn)物理之美、科學(xué)之美、簡約之美。

關(guān)鍵詞：光纖通信;光的全反射;信號轉(zhuǎn)換

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2021）5-0052-3

光導(dǎo)纖維是一種由玻璃或塑料制成的纖維，作為光傳導(dǎo)工具，具有傳輸速度快、容量大、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，是現(xiàn)代通信的主要支柱之一[1]。在人教版高中物理選修3-4第十三章第二節(jié)《全反射》[2]內(nèi)容中，教材花了不少篇幅來介紹光纖通信，但文字描述無法通過感官刺激讓學(xué)生留下深刻印象，教材上的演示實(shí)驗(yàn)也只是凸顯全反射原理，不能形象展示光纖傳遞信息的過程。因此，學(xué)生存在認(rèn)知困難：覺得光纖距離我們遙遠(yuǎn)、原理復(fù)雜、結(jié)構(gòu)也不是很明確?；谝陨蠁栴}，筆者設(shè)計(jì)開發(fā)了教具——光纖通信演示儀。

1? ? 光纖通信演示儀設(shè)計(jì)依據(jù)與原理

1.1? ? 信號處理

從音頻設(shè)備輸出的音頻信號為電壓信號，其每時刻幅值對應(yīng)音頻壓強(qiáng)。取決于設(shè)備廠商不同，該信號一般由交流信號分量和直流信號分量組成。直流分量一般為0～5 V，交流分量最大值一般不超過1.2 V。而半導(dǎo)體激光器的電壓耐受值一般只有2 V左右，為保護(hù)激光器需要對信號進(jìn)行處理。

1.2? ? 激光二極管

激光二極管是一種將電能轉(zhuǎn)換成光能的半導(dǎo)體器件，其產(chǎn)生的光具有功率高、頻率單一、相干性好的特點(diǎn)。結(jié)構(gòu)上由直接帶隙半導(dǎo)體材料制成的PN結(jié)組成。其發(fā)光波長由PN結(jié)的半導(dǎo)體材料的禁帶能級決定。在外加正向電場的作用下，半導(dǎo)體中的載流子電子會發(fā)生定向移動，在越過空間電荷區(qū)與空穴發(fā)生復(fù)合后，電子向低能級躍遷發(fā)光。本文使用的是發(fā)出500～570 nm波長綠色激光的氮化鎵半導(dǎo)體激光頭。

1.3? ? 電流鏡

電流鏡是一種在工業(yè)界電路設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用的一種電路模型，其電路圖如圖1所示，它的受控電流與輸入的參考源電流成一定比例關(guān)系，使得其可以無視負(fù)載端的功率特性而“復(fù)制”輸入原電流，常見于LED燈恒流電路的設(shè)計(jì)中。本文中的光纖通信演示設(shè)備使用電流鏡來消除二極管伏安特性產(chǎn)生的非線性失真。

1.4? ? DC/DC電壓轉(zhuǎn)換

DC/DC是一種開關(guān)式電壓轉(zhuǎn)換電路，使用MOSFET、IGBT等開關(guān)器件產(chǎn)生頻繁切換電路通斷，通過斬波-電感的方式進(jìn)行升壓或通過PWM（脈沖寬度調(diào)制）-電容的方式進(jìn)行降壓，是一種小型化、高效率的電壓轉(zhuǎn)換器件。本文中使用該器件為電流鏡提供恒定低壓電源。

1.5? ? 光電二極管

光電二極管是一種將光信號變換成電信號的半導(dǎo)體器件，由一個封裝的雙極結(jié)型晶體管組成。其PN結(jié)面積大于一般二極管。工作在反向偏壓下時，沒有光照時電流很小，幾乎可以忽略不計(jì)，有光照時PN結(jié)上電子由價帶頂躍遷至導(dǎo)帶底，如果光子吸收發(fā)生在空間電荷區(qū)，則該區(qū)域的載流子就可以發(fā)生移動，形成光電流。光電流注入到基級后，光電流被晶體管增益β顯著放大。本文中使用該器件作為接收光信號的裝置。

1.6? ? 問題分析

單色光源的光功率滿足：

P=Nhν（1）

式中P為光功率，N為光子數(shù)量，h為普朗克常量，ν為光頻率。

而激光二極管在大注入情況下單位時間內(nèi)發(fā)射的光子數(shù)量N可認(rèn)為正比于電流大小I，即：

N∝I（2）

由（1）（2）式聯(lián)合可導(dǎo)出：

P∝I

即：激光二極管光功率正比于流過其的正向電流。

而激光二極管PN結(jié)正向工作時，其伏安特性曲線滿足：

上式中，I是PN結(jié)正向電流，U是加在PN結(jié)兩端的正向電壓，I0是PN結(jié)反向偏壓時的飽和電流，e為電子電量，κ■為玻爾茲曼常數(shù)，T為PN結(jié)的熱力學(xué)溫度，η為修正系數(shù)，值取決于材料。

綜合上式可得出結(jié)論：光信號強(qiáng)度正比于通過二極管的電流，但二極管的伏安關(guān)系是非線性的。使用音頻電壓信號經(jīng)功率放大后施加在二極管上，會導(dǎo)致信號產(chǎn)生非線性失真[3，4]。

為解決這一問題，發(fā)射電路設(shè)計(jì)為一個電壓控制電流源，使用電流鏡鏡像到二極管上，為減小電流鏡組件的壓降，降低功耗，負(fù)載供電使用開關(guān)電路降壓。

2? ? 光纖通信演示儀的設(shè)計(jì)與制作

2.1? ? 音頻發(fā)射模塊的設(shè)計(jì)與制作

發(fā)射模塊電路如圖2所示，音頻信號經(jīng)由J1輸入，經(jīng)過U1.1按比例縮小后送入U1.2、Q1、R8構(gòu)成的電壓跟隨器。Q1、Q2、Q3共同組成電流鏡，將電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號。U2通過R10設(shè)置VADJ電壓。運(yùn)算放大器U1選用NE5532，Q1、Q2、Q3選用B772音頻功率管，D1為起保護(hù)作用的2.2 V齊納二極管。U2選用LM2596S大功率降壓Buck控制器，經(jīng)68 μH 的CDRH功率電感扼流后進(jìn)入C2提供穩(wěn)定的激光管電壓。

2.2? ? 音頻接收模塊的設(shè)計(jì)

接收電路的原理圖如圖5所示，光電流的大小會影響LED1兩端的電壓，該信號變化會經(jīng)過C4耦合進(jìn)入U1放大，通過C1由喇叭放出。

2.3? ? 模擬光纖模塊的制作

模擬光纖部分由水槽和亞克力光柱組成，當(dāng)水槽裝有水時，亞克力光柱和裝有水的水槽分別可以模擬光纖的內(nèi)芯和外殼，空氣、水、亞克力光柱的折射率分別為n0、n1、n2，在數(shù)值上應(yīng)滿足n0>n1>n2。因此，當(dāng)光線以一定角度從空氣射入水中，會在亞克力光柱和水的界面發(fā)生全反射，如圖6所示。

2.4? ? 光纖通信演示儀的設(shè)計(jì)與制作

整個教具實(shí)現(xiàn)了多次信號轉(zhuǎn)換，如圖7所示，發(fā)射端把音頻信號轉(zhuǎn)換為電信號，由其中的光電轉(zhuǎn)換器把電信號轉(zhuǎn)換為光信號，光信號通過模擬光纖傳進(jìn)接收端，接收端的光電轉(zhuǎn)換器把光信號轉(zhuǎn)換為電信號，然后經(jīng)接收端把電信號還原為音頻信號，完成信息傳輸。

使用達(dá)索公司研發(fā)的SolidWorks三維設(shè)計(jì)仿真軟件設(shè)計(jì)并仿真支架結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證完成后使用3D打印機(jī)制造設(shè)計(jì)出來的支架。將各個組件安裝連接在3D打印的支架上。調(diào)節(jié)發(fā)射架激光頭的發(fā)射角度，使其發(fā)出的光在經(jīng)歷亞克力光柱的幾次全反射后到達(dá)信號解碼處理接收模塊的光電二極管上，整個教具的結(jié)構(gòu)如圖8所示。

2.5? ? 演示光纖通信演示儀的操作步驟

連接信號運(yùn)算放大發(fā)射模塊、信號解碼處理接收模塊的電源，將音頻線接入信號運(yùn)算放大發(fā)射模塊;調(diào)節(jié)激光發(fā)射頭角度，使激光在亞克力光柱中形成光路，全反射次數(shù)以光路清晰可見為宜;移動信號解碼處理接收模塊的位置，使激光光斑落在接收器上，揚(yáng)聲器發(fā)出清晰明確的聲音;用手阻擋光路，聲音停止，將手拿開，聲音恢復(fù)，以此演示聲音是由激光傳輸?shù)摹?/p>

3? ? 光纖通信演示儀的創(chuàng)新點(diǎn)與教育功能

3.1? ? 創(chuàng)新點(diǎn)

該教具創(chuàng)新性地將聲音信號調(diào)制到光信號上，以可感的形式展現(xiàn)了光纖中的光信號是如何傳輸信息的;使用300 mW綠色大功率激光模組和亞克力方形光柱形象地展示了光纖中光信號的全反射過程;接收模塊使用了漫反射-透射材料，擴(kuò)大激光信號角度，降低了對整個演示過程的光路準(zhǔn)度要求，操作方便，有助于課堂授課開展的連貫性。

3.2? ? 教育功能

光纖通信演示儀具有豐富的教育價值，不僅可用于“全反射”的教學(xué)，還可用于“光的直線傳播”“光的折射”“光的反射”等內(nèi)容的教學(xué)。該教具能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過程，豐富學(xué)生的非智力因素，培養(yǎng)學(xué)生善于觀察、勇于探究的核心素養(yǎng);還能將生活與物理聯(lián)系起來，培養(yǎng)學(xué)生關(guān)注時事、熱愛科學(xué)的人文素養(yǎng)。也可以豐富教師的教育教學(xué)理論，提高其教學(xué)技能。利用自制教具進(jìn)行教學(xué)，有利于物理實(shí)驗(yàn)的普及，提高物理課堂“教”與“學(xué)”的效果。

參考文獻(xiàn)：

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[2]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理（選修3-4）[M].北京：人民教育出版社，2010.

[3]DonaldA.Neamen（美）.半導(dǎo)體物理與器件（第四版）[M].趙毅強(qiáng)，姚素英，史再峰，等，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2018.

[4]王太軍.“智造”低成本光通信演示實(shí)驗(yàn)及其教學(xué)應(yīng)用[J].物理教學(xué)探討，2018，36（06）：10-12.

（欄目編輯? ? 王柏廬）