光通信模擬系列演示儀的設(shè)計(jì)和制作

滕閣　潘星志　魏萌　于思?！×_海軍

摘? ?要：光通信演示實(shí)驗(yàn)是中學(xué)物理教學(xué)的一大難點(diǎn)?；诎l(fā)光二極管、手電筒、激光等常見光源，設(shè)計(jì)了一系列光通信模擬演示儀。每一種演示儀均能從視覺和聽覺角度展示“光可攜帶信息”這一個(gè)光通信實(shí)驗(yàn)的核心特征。同時(shí)，該儀器結(jié)合其他光學(xué)教具，還可以很好地演示光的反射、折射、全反射等光學(xué)現(xiàn)象，具有很好的拓展性，在教學(xué)、科普、提升學(xué)生核心素養(yǎng)等方面具有重要意義和價(jià)值。

關(guān)鍵詞：光通信;信息轉(zhuǎn)換;核心素養(yǎng)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2022）6-0052-4

目前，在中學(xué)教科書中有關(guān)光通信的知識(shí)主要是描述性和介紹性的，缺乏讓學(xué)生深入了解光通信的可操作性的實(shí)驗(yàn)。教師通常用激光在水流中的全反射來類比演示光在光纖中的傳導(dǎo)。但是，此實(shí)驗(yàn)的缺陷在于無(wú)法演示“光信號(hào)可以攜帶信息”這一光通信的本質(zhì)特征，學(xué)生無(wú)法真切地感受和探究音頻信號(hào)的發(fā)射（調(diào)制）、傳輸、接收（解調(diào)）等光通信傳輸?shù)膶?shí)質(zhì)過程。當(dāng)前也有許多研究者利用運(yùn)算放大器和控制器[1-2]、集成電路[3-4]、音樂芯片和壓電器[5]等器件設(shè)計(jì)了一些光通信演示實(shí)驗(yàn)。不過這些實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)電路相對(duì)比較復(fù)雜，物理（科學(xué)）教師在器材選購(gòu)、設(shè)計(jì)制作甚至操作演示等環(huán)節(jié)存在較大的困難或障礙?；诖耍卷?xiàng)目利用發(fā)光二極管、手電筒、激光筆等常見光源，設(shè)計(jì)了一系列光通信模擬演示儀。每種演示儀均能從視覺和聽覺角度展示“光可攜帶信息”這一個(gè)光通信實(shí)驗(yàn)的核心特征。該系列演示儀具有原理簡(jiǎn)潔、演示效果震撼、器材選購(gòu)方便、設(shè)計(jì)制作簡(jiǎn)單、拓展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在教學(xué)、科普、提升學(xué)生核心素養(yǎng)等方面具有重要意義和價(jià)值。

1? ? 光通信系統(tǒng)工作的基本流程

低頻信號(hào)（如聲音信號(hào)）易散射、衍射，因此直接傳送距離不遠(yuǎn)。而光是一種電磁波，高頻、不易衍射，可遠(yuǎn)距離傳輸。光通信的核心就是將低頻信號(hào)調(diào)制到光信號(hào)中去，調(diào)制信號(hào)經(jīng)過遠(yuǎn)距離傳輸后，通過接收設(shè)備解調(diào)后還原低頻信號(hào)。圖1是光通信系統(tǒng)工作基本流程，主要包含電光轉(zhuǎn)換、信息傳輸和光電轉(zhuǎn)換三個(gè)過程。

2? ? 基于發(fā)光二極管的光通信演示儀的設(shè)計(jì)

2.1? ? 簡(jiǎn)易光通信演示儀發(fā)射端的設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)低頻信號(hào)的發(fā)射，需設(shè)法將聲音信號(hào)調(diào)制到光信號(hào)上。圖2所示的是一種最簡(jiǎn)單的光通信演示儀發(fā)射端的設(shè)計(jì)。聲音通過收音機(jī)、功放、手機(jī)等音源的音頻接口（耳機(jī)插口）輸出，實(shí)現(xiàn)聲電轉(zhuǎn)換。制作時(shí)只需將音頻線公端插入耳機(jī)口，兩端并聯(lián)到光源上面，于是音頻信號(hào)就加到了光信號(hào)上，光源的亮度就會(huì)隨輸入信號(hào)而變，實(shí)現(xiàn)了音頻信號(hào)對(duì)光的調(diào)制，這樣光束中包含了要傳遞的聲音信息。

優(yōu)點(diǎn)：光源可選用LED（發(fā)光二極管）、激光頭、小燈珠等。選材方便、制作簡(jiǎn)單、原理通俗易懂。

缺點(diǎn)：解調(diào)后聲音較小，有較大的背景噪聲。

關(guān)鍵：音頻線要選用兩節(jié)或三節(jié)類型的。兩節(jié)式的音頻線只有兩條接線端，直接將這兩條線并聯(lián)到光源兩端;三節(jié)式的音頻線則有三條線（左聲道、右聲道和接地端），如圖2，需要將左右聲道合在一起作為一端，接地端為另一端，兩端并在燈泡上。可以用多用電表測(cè)定每一個(gè)端口。

2.2? ? 光通信演示儀接收端的設(shè)計(jì)

圖1中，接收設(shè)備需要將調(diào)制后的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。傳統(tǒng)做法是用光電二極管來實(shí)現(xiàn)該光電轉(zhuǎn)換[2]，但光電二極管得到的電流微弱，經(jīng)過揚(yáng)聲器的電聲轉(zhuǎn)換后，聲音小、噪聲大?；诖?，我們用硅光電池（太陽(yáng)能電池）取代傳統(tǒng)的光電二極管來實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，得到的是電流較大、與傳遞信號(hào)變化規(guī)律相同的電信號(hào)。使用時(shí)，只需將揚(yáng)聲器的插頭插入音頻線母端接口。當(dāng)經(jīng)過調(diào)制后的光束照射到太陽(yáng)能電池板上面，音箱還原出最初聲音。將光源擋住、移走或關(guān)閉，則揚(yáng)聲器不發(fā)聲。設(shè)計(jì)裝置的電路圖如圖3所示。

關(guān)鍵：太陽(yáng)能電池板和音頻線母端相連，也是把左右聲道作為一端，接地端為另一端，分別焊接到太陽(yáng)能電池板的正負(fù)極上。

2.3? ? 優(yōu)化后的基于LED的光通信演示儀的設(shè)計(jì)

在簡(jiǎn)易光通信演示儀發(fā)射端的設(shè)計(jì)方案中，即使使用大功率的揚(yáng)聲器，輸出的聲音還是較小，噪聲較大。基于此，我們利用LED （0.5 W）燈珠、電感（≥10 mH）、直插式電解電容（50 μF左右）、音頻線、太陽(yáng)能電池板（5.5 V、80 mA、60×60 mm規(guī)格）、2節(jié)5號(hào)干電池、電池盒、開關(guān)等器材，設(shè)計(jì)了一款優(yōu)化后的基于LED的光通信演示儀。電路圖和實(shí)物圖分別如圖4、圖5所示。在圖4中，電感L和LED、開關(guān)K、干電池E串聯(lián)，然后音頻信號(hào)通過隔直電容C加于L兩端。小燈泡的亮度就會(huì)隨輸入信號(hào)而變，實(shí)現(xiàn)了用音頻信號(hào)對(duì)光的調(diào)制。在電容的“通交阻直”，電感的“通低頻阻高頻”、過濾噪聲、穩(wěn)定電流等的共同作用下，噪聲得到了很好的抑制，聲音也得到了最大化、最清晰、無(wú)失真地還原播放。

優(yōu)點(diǎn)：本設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)易光通信演示儀發(fā)射端的設(shè)計(jì)方案來說較為復(fù)雜，但此種設(shè)計(jì)聲音音量大，可以完美無(wú)瑕地還原音質(zhì)，達(dá)到光通信演示實(shí)驗(yàn)十分震撼和神奇的效果。經(jīng)過筆者體驗(yàn)，此方案比簡(jiǎn)易光通信演示儀發(fā)射端的設(shè)計(jì)方案的音量大2～5倍左右。白色LED具有亮度高、功耗低、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因此本演示儀經(jīng)久耐用。同時(shí)，本實(shí)驗(yàn)的電感還可自行繞制，加上電路焊接，可體驗(yàn)DIY的樂趣。該LED光源仍然可以用激光頭、小燈珠等代替。

關(guān)鍵點(diǎn)：（1）線圈L電感值要大，如果過小則可能聲音較弱;（2）太陽(yáng)能電池板可以用多晶硅或非晶硅類型，其填充因子大，轉(zhuǎn)換效率高;（3）音頻線左右聲道依舊要連在一起。

3? ? 基于手電筒的光通信演示儀的設(shè)計(jì)

當(dāng)前強(qiáng)光手電筒的應(yīng)用日益廣泛，這些強(qiáng)光手電筒又分為塑料殼和金屬殼等類型。它們不易拆卸，尤其是金屬手電筒的發(fā)光部件（LED燈珠）幾乎無(wú)法串聯(lián)電感L，導(dǎo)致難以利用這些器材去設(shè)計(jì)光通信演示儀。

基于這些困難，我們通過多次嘗試和改進(jìn)，改裝出基于所有手電筒版本的光通信模擬演示儀，它們具有輕便、光源高亮、音量高、音質(zhì)清晰、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)。

3.1? ? 基于塑料手電筒的光通信演示儀的設(shè)計(jì)

塑料手電筒外殼可拆。設(shè)計(jì)時(shí)，拆開外殼，將內(nèi)部充電電池的一端接線剪開，串入電感，其他設(shè)計(jì)方法和優(yōu)化后的基于LED的光通信演示儀的設(shè)計(jì)一致。圖6和圖7是設(shè)計(jì)示意圖和實(shí)物圖。

優(yōu)點(diǎn)：光線聚焦可調(diào)、亮度高、聲音響，經(jīng)久耐用。隱蔽放置電感電容后，該教具就是一個(gè)很好的物理魔術(shù)作品。

關(guān)鍵點(diǎn)：由于手電筒內(nèi)部空間小，為防止線路短路，電感、電容最好放到外頭進(jìn)行焊接操作，焊接點(diǎn)用電膠布包裹。

3.2? ? 基于金屬手電筒的光通信演示儀的設(shè)計(jì)

金屬手電筒難以拆卸，無(wú)法直接將電感L和LED燈珠串聯(lián)。筆者經(jīng)過多番嘗試，實(shí)現(xiàn)了金屬手電筒的光通信演示儀的設(shè)計(jì)。思路是以金屬外殼后端為一個(gè)接線端，電池尾部為另一個(gè)接線端，利用鱷魚夾、香蕉插頭等器材巧妙地將L和LED串聯(lián)。圖8和圖9是設(shè)計(jì)示意圖和實(shí)物圖。

還有一種類型的金屬殼手電筒，其殼上有DC3.5×1.35 mm圓環(huán)型充電插口，這樣該手電筒即可按照?qǐng)D8優(yōu)化設(shè)計(jì)，也可按照?qǐng)D2簡(jiǎn)易設(shè)計(jì)。后者只需直接將音頻線公端和DC3.5×1.35 mm的充電線相連，充電線插入充電口，就實(shí)現(xiàn)了音頻信號(hào)調(diào)制到LED兩端，其優(yōu)劣和簡(jiǎn)易光通信演示儀發(fā)射端的設(shè)計(jì)類似。圖10是設(shè)計(jì)的示意圖。

4? ? 基于激光的光通信模擬演示儀的設(shè)計(jì)

激光相對(duì)于普通光源具有能量大、亮度高、相干性好、不易發(fā)散等優(yōu)點(diǎn)。若能將激光、光纖和光通信演示儀結(jié)合，將極大擴(kuò)充此演示儀的功能。筆者經(jīng)過多次嘗試和改進(jìn)，利用激光頭、激光手電筒、激光光纖筆等不同類型的激光光源，設(shè)計(jì)了基于激光的光通信模擬演示儀。圖11是設(shè)計(jì)的示意圖。

4.1? ? 基于激光頭的激光光通信演示儀的設(shè)計(jì)

激光頭就兩條線，可以接3～5 V的直流電源，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此可以用來設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易和優(yōu)化的光纖演示儀。方法同簡(jiǎn)易光通信演示儀發(fā)射端和光通信演示儀接收端的設(shè)計(jì)。圖11（a）是簡(jiǎn)易版的示意圖。

4.2? ? 基于沙盤激光筆和激光光纖筆的激光光通信演示儀的設(shè)計(jì)

沙盤激光筆和激光光纖筆一般是18650電池或干電池供電，金屬外殼，激光頭無(wú)法拆卸，故可按照?qǐng)D8進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。圖11（b）是激光光纖筆、光纖的示意圖，可以看出激光在光纖中全反射時(shí)，外界完全看不到光信號(hào)，但是在接收端可以還原聲音。

筆者在實(shí)踐過程中發(fā)現(xiàn)，有常見的兩大問題導(dǎo)致光源不發(fā)光：

（1）串聯(lián)電感后，有些激光光源幾乎不發(fā)光。經(jīng)過多次檢驗(yàn)，原因是電感電阻較大，導(dǎo)致半導(dǎo)體激光兩端電壓達(dá)不到閾值電壓。改進(jìn)辦法之一是再串聯(lián)1到2節(jié)電池，問題便迎刃而解。

（2）音頻電流過大易燒壞激光光源。這個(gè)問題經(jīng)常出現(xiàn)在以功放提供的音頻信號(hào)的設(shè)計(jì)中，而收音機(jī)、手機(jī)等信號(hào)播放則沒有此類問題。主要原因是激光導(dǎo)通發(fā)光后，電壓稍微增加則電流迅速增加。故功放音量不可過大。

4.3? ?激光光通信演示儀的拓展

我們?cè)O(shè)計(jì)的激光光通信演示儀主要在發(fā)射端和接收端對(duì)光信號(hào)進(jìn)行改進(jìn)，并不影響光路的傳播，因此本演示儀可以無(wú)縫對(duì)接光的反射、光的折射、光的直線傳播、光的全反射、透鏡成像等實(shí)驗(yàn)的演示和改進(jìn)，可極大提高這些實(shí)驗(yàn)的聲光電的拓展性。圖12是本項(xiàng)目和光的反射結(jié)合，演示激光在水中和鏡面中的光的反射、光的折射和光的全反射等實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象[6]，大大增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的趣味性和演示效果，有效提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

5? ? 結(jié)? 語(yǔ)

本項(xiàng)目利用較大功率的發(fā)光二極管、不同類型手電筒和激光等常見光源，設(shè)計(jì)了一系列的簡(jiǎn)易版和優(yōu)化版的光通信演示儀。每一種演示儀均能從視覺、聽覺和原理等角度完美展示“光可攜帶信息”這一個(gè)光通信實(shí)驗(yàn)的核心特征。該系列演示儀具有原理簡(jiǎn)潔明了、演示效果震撼、器材選購(gòu)方便、設(shè)計(jì)制作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)該演示儀結(jié)合其他光學(xué)教具，還可以很好地演示光的反射、光的折射、光的全反射、凸透鏡成像等光學(xué)原理，具有很好的拓展性。該系列演示儀具有豐富的教育價(jià)值，能夠有效點(diǎn)燃教師的教學(xué)熱情，有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生積極探究、勇于實(shí)踐的素養(yǎng);能有效加強(qiáng)物理、科技和生活的聯(lián)系。因此，其在教學(xué)、科普、提升學(xué)生核心素養(yǎng)等方面具有重要意義和價(jià)值。

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（欄目編輯? ? 劉? ?榮）