光纤通信演示仪的设计与制作

戚慧珊 李智豪 劳健涛 蒲小年

华南师范大学物理与电信工程学院(510006)

随着信息时代的到来，在互联网上流动着的数据出现了井喷式的增长，核心网中传统的数据传送金属电缆不堪重负，信息传输容量的不足成为阻碍互联网发展的瓶颈。光纤通信的出现很好地解决了这些问题，其具有抗干扰能力强、传输容量大、传输时延低等优点，在信息传输领域中得到了高速的发展和广泛的应用，并逐步地取代了金属传输线缆的地位。事实上，光纤通信的核心原理并不复杂，其主要涉及光电信号调制解调与光信号远距离无损耗传输等关键技术。本文以实验演示仪的设计与制作的流程来介绍实现光纤通信所需的主要环节及关键技术。

1 实验装置基本原理

1.1 模拟基带直接光强调制

模拟基带直接光强调制是指利用承载信息的模拟基带信号，直接对发射端光源(发光二极管或半导体激光器)进行光强调制，使光源输出光的功率随时间变化的波形和输入模拟基带信号的波形成比例。实验装置选用的光源为半导体激光器，其具有单色性好、方向性强、亮度大及相干性强等优点，能够实现电信号到光信号的高效转换。光纤通信演示装置系统原理如图1所示。

图1 光纤通信演示装置系统框图

1.2 光的全反射

当光从光密介质射入光疏介质时，同时发生折射和反射。如果入射角逐渐增大，则折射光线离法线越来越远，且光强越来越弱，反射光却越来越强。当入射角增大到某一角度，使折射角达到90°时，折射光完全消失，只剩下反射光，这种现象叫做全反射。光信号在光导纤维内发生全反射现象，以相同的反射角度不断地反复全反射向前传播，直至从光纤的另一端射出，从而实现光信号在光导纤维内的传输。

1.3 光电转换

半导体PN结光伏效应是指在光的照射下，P区近表面层激发出电子—空穴对，其中电子将扩散到PN结区并被结电场拉到N区，空穴也将依赖扩散及结电场的作用进入P区，并在结区两边产生势垒。在可见光及红外光谱区工作的硅光电二极管，就是基于PN结的光伏效应而工作的。在外界光的照射下，硅光电二极管将入射的光能转变成流过PN结的电流，实现光信号到电信号的转换。

2 实验装置的制作

2.1 实验装置所需材料

5 m W半导体激光器、光电二极管、直径为2 mm的光导纤维、LM386运放芯片、NPN三极管、3.5 mm音频插口、扬声器、玻纤电路板、电阻电容及导线若干。

2.2 实验装置电路结构

2.2.1 信号发射端

图2 信号发射端电路原理图

如图2所示，实验装置的发射端为NPN型三极管组成的共射极放大电路，其目的是将音频输入信号进行功率放大来驱动半导体激光器，使激光器所发出光的功率随时间变化的波形和音频输入信号的波形成比例，从而实现电信号到光信号转换。其中，三极管的输入及输出端串联滤波电容，可有效地滤除电路内部的直流噪声，提高激光器工作时的稳定性。

2.2.2 信号接收端

由图3可知，信号接收端主要由光电二极管和功率放大电路组成。光导纤维中传输来的光信号被光电二极管接收，并转换为与光信号强度随时间变化的波形成比例的电信号，实现光信号到电信号的转换。功率放大电路将光电二极管输出的微弱电信号进行功率放大，驱动扬声器发出声音。

图3 信号接收端电路原理图

3 探究实验的操作步骤

3.1 信号发射端与接收端的连接

使用音频传输线连接手机与演示仪的信号发射端，将半导体激光器和光电二极管分别与光导纤维的两端进行连接，并在接口处缠绕遮光胶布。连接完成后的实验装置实物如图4所示。

图4 光纤通信演示仪实物图

3.2 探究性实验的设计

为更好地让学生了解影响光纤通信质量的主要因素，并加深学生对实现光的全反射的条件的理解，可利用光纤通信演示仪进行如下探究性实验。

3.2.1 探究激光入射角度对音频传输质量的影响

调节音频输入信号的音量大小为50%，将激光器与光电二极管正对光导纤维端面，并做好遮光措施，保持光导纤维为近似直线状态，记录扬声器的音量大小及音质优劣。在光导纤维端面垂直方向上倾斜激光器，使得激光器与光导纤维主轴的夹角慢慢变大，记录扬声器音量及音质的变化。继续倾斜激光器，直至扬声器无音乐输出。当激光器正对光导纤维端面时，实验装置扬声器发出的音乐与手机扬声器发出的无明显差异。在倾斜激光器的过程中，扬声器声音的音量开始变小且音质变差。当激光器与光导纤维主轴夹角约为70°时，扬声器无音乐输出。

3.2.2 探究光导纤维曲率半径对音频传输质量的影响

调节音频输入信号的音量大小为50%，将激光器与光电二极管正对光导纤维端面，在接头处缠绕遮光胶布，保持光导纤维为近似直线状态，记录扬声器音量大小及音质优劣。弯曲光导纤维，使其曲率半径为20 cm，记录扬声器音量及音质的变化。继续弯曲光导纤维，使其曲率半径慢慢变小，记录扬声器音量及音质的变化。当光导纤维曲率半径为20 cm时，扬声器发出的声音与原始声音无明显差异。在缩小光纤曲率半径的过程中，扬声器发出的声音音量逐渐变小，但仍具有可辨析度。当光纤的曲率半径缩小为4 cm时，扬声器发出的声音无法分辨。

3.2.3 探究激光发射功率对音频传输质量的影响

保持光导纤维为近似直线状态，并使激光器与光电二极管正对光导纤维端面，调节激光信号发射端的音频输入信号的大小，记录扬声器音量大小及音质优劣。调节音频输入信号的音量至最大及最小，记录扬声器音量及音质的变化。当输入音量为100%时，扬声器发出的声音嘈杂且刺耳，并出现了声音失真的现象。继续减小音频输入信号的音量至13%，此时扬声器发出的声音较微弱且难以分辨。

4 结语

实验装置性能稳定，演示效果明显，可结合物理学原理进行讲解，用于物理课堂上的探究实验演示，能够活跃课堂课堂气氛，提高学生对物理知识学习的积极性。同时，实验演示装置电路原理简单，所需元件材料经济实惠，设计及制作过程危险系数低，可应用于中学生的课外科技制作与电子设计竞赛等实践性较强的兴趣课程，有效地培养学生的动手实践能力与科学探索精神。