光纤通讯模拟实验演示仪的研制

李悦 赵振宇

摘 要：物理与日常生活息息相关，因此课堂上物理知识的教学应与实际生活相结合.光导纤维被广泛应用在生活中的通信、军事、医疗等多个领域，是人们日常生活中不可缺失的一种技术，但光纤传输的过程却是人们不能直接观测到的，并且很难用语言进行描述和解释.设计和制作光纤实验仪，可以将不可见的光的传输转化为人们可以感受到的声音信号，清晰地向学生展现光纤传输的过程和应用的光的全反射原理.有助于学生更直观地学习光学知识，并通过光纤实验仪向学生展现物理之美、科学之美、简约之美.

关键词：光纤实验仪;光的全反射

文章编号：1008-4134（2019）21-0043 中图分类号：G633.7 文献标识码：B

作者简介：李悦（1996-），女，黑龙江哈尔滨人，硕士研究生，研究方向：物理学科教学;

赵振宇（1968-），女，黑龙江哈尔滨人，本科，副教授，硕导，研究方向：教材教法.

光纤通讯技术是近年来快速发展的高新技术.光纤通信是以光波为载频、光导纤维为传输媒介的通讯方式[1].為了便于高中学生学习人教版“光导纤维及其应用”一节的知识，笔者设计制作了光纤通讯模拟实验演示仪.该仪器在2019年第11届“格致杯”全国大学生、研究生物理教学技能实验设计展示活动中荣获研究生组一等奖.

1 光纤实验仪的研制

1.1 设计思想

高中生对光纤通讯知识充满好奇，学生只能从理论上学习光的全反射原理及了解光通讯原理，加之无相应的模拟实验仪器演示，使得原理抽象又难以理解.因此，笔者选用红外发射模块与接收模块将眼睛看不到的光的传递转化成声音的传递，通过音箱展现出来，通过将弯曲玻璃棒放在空气中与饱和蔗糖溶液中的对比实验，强化学生对光的全反射原理的掌握，使学生能够直观地、清晰地理解光导纤维的原理及其在通讯方面的应用.

1.2 光导纤维的传输光束原理

光导纤维由内芯、包层、涂覆层三部分组成，其中内芯的折射率n1较高，包层的折射率n2较低（空气的折射率为n0，且n1>n2>n0）.光束在光纤中的传输过程如图1所示.依据光的全反射原理，以一定角度射入光纤界面的光，在内芯和包层的界面之间发生多次全反射，沿着光导纤维的方向传输，不从周围射出，达到传输光束的目的.

1.3 光纤通讯原理

光纤通讯分为发射端和接收端两部分，发射端把音频信号转换为电信号，由其中的电光转换器把电信号电流变为光信号功率，以此完成电光转换[2].光信号通过光导纤维传进接收端，由其中的光电转换器把光信号转换为电信号电流，以此完成光电转换，然后经发射端将电信号还原为音频信号，完成信号传输.光纤通讯模拟实验仪原理框图如图2所示.

2 光纤通讯模拟实验演示仪的制作

2.1 材料准备

根据设计思路，为了实现可视化的功能，所需的材料有MP3、音响（以手机代替）、弯曲石英棒、红外发射模块、红外接收模块、玻璃板、饱和蔗糖溶液、音频线、9V电池等.

2.2 光纤实验仪结构设计及制作

光纤实验仪主体部分由红外发射（或接收）模块、光导纤维（石英棒）、水平直线移动玻璃架三部分组成.

2.2.1 红外发射接收模块的制作

图3和图4分别为红外发射模块和接收模块的电路图.

图3为红外发射模块，经AUDIO传入的信号经三极管Q1放大后使红外发射管D1和D2发光.由于发射管的发射强度与其通过的电流成正比，所以D1和D2所发出的红外光受到音频信号的调制.图4为红外接收模块，其中D2为红外接收管，当被音频信号调制的红外光照射到D2时，在其两端产生一个随音频信号变化的电信号，经C1耦合至Q1，放大，传送出信号[3].

元件的选择与制作：三极管Q1选用8050功率管，PCM=300W，ICM=500MA，R1的功率不小于1/4W，D2为红外线接收管，不用光电二极管，是为了防止受可见光的干扰而影响实验结果.

根据电路图制作PCB图，按照PCB图对元件进行摆放，如图5所示.

红外发射模块通过3.5mm音频数据线与MP3相连，将MP3中波动的声音转换成红外光，进行声光转换，由直径为0.5cm的红外发射头发出红外振动信息.红外接收模块上的直径为0.5cm的红外接收模块检测和接收信息，并将该信息解调，以达到声音还原的目的，信号放大后由与红外接收模块相连的音响将声音还原出来.

2.2.2 光导纤维（石英棒）的制作

高温特制的直径为0.6cm、长度为40cm中间弯曲两端直的石英玻璃棒.

选材石英的原因：石英的折射率比空气的折射率大，以一定角度入射的光在玻璃棒中实现全反射.

2.2.3 水平直线移动玻璃架的制作

用玻璃和玻璃胶制作一个长为40cm的玻璃支架，并且放在玻璃架上的物体可在水平方向沿直线移动.

2.3 光纤通讯模拟实验演示仪实物图

3 演示实验仪的操作步骤

（1）将红外发射、接收模块安装在水平直线玻璃架上.将红外发射、接收模块分别接上电源，红外发射仪与MP3相连，红外接收仪与小喇叭相连，观察实验现象（小喇叭放出声音）.

（2）移动玻璃架上的玻璃板使红外发射模块与红外接收模块之间的距离变远，观察在此过程中小喇叭放出声音的变化（距离越远声音越小）.

（3）当红外发射模块与红外接收模块之间的距离较远时，将玻璃棒两端正对红外发射头和红外接收头，放在玻璃架上，仔细观察放上玻璃棒的前后声音的变化 （放上玻璃棒后较放之前声音变大了） .

（4）将玻璃棒中间弯曲部分浸入装有饱和蔗糖溶液的容器中，观察浸入前后声音的变化（弯曲部分玻璃棒浸入溶液中后几乎听不到声音）.

4 演示实验仪的特色

文献介绍的光纤通信模拟实验演示仪或实验箱都是大中专院校通信及相关专业的实验设备，价格昂贵，结构复杂，不适合作为高中生通识教育的教具.在高中物理课堂上，几乎没有能够直观清晰地展现光纤原理的实验仪[2].基于此，笔者利用身边的废旧物品设计制作了一个光纤通信模拟实验演示仪，对环境要求不高并且效果很好.

本实验器材在清晰地展现光导纤维的应用方面，拓展了多个日常生活中的物理原理，做到丰富学生知识，扩展学生思维，在理解全反射原理及光纤通讯知识点基础上，将多方面知识融会贯通，并且用平时随处可見的生活用品制成的教具可以激发学生兴趣，增加物理的亲切感，同时也有利于提高学生的创新素养.

4.1 能够直观地演示全反射原理在远距离传递信息方面的应用

通过在光路中加上石英棒（光导纤维）后使声音突然变大这一现象，第一时间抓住学生的注意力，激发学生的学习兴趣，从而讲解声音变大的原因是光在石英棒中发生全反射，减少了光信号在空气中的消耗.此过程可以使学生更好地理解光纤通信原理，并且将光信息的强弱转化成声音的大小，体现了可视化的思想.

4.2 展现光信号在空气中的衰减过程

可以清晰地展现光信息在空气中的衰减过程，通过移动玻璃板，改变红外发射模块和接收模块之间距离，可以使学生清楚地观察到随着两个模块之间距离越来越远声音越来越弱，由此可以总结得出光信息在空气中存在衰减的特点.为了使此现象明显，实验仪特意选用红外线作为光源.

4.3 加深对光的全反射原理的理解

通过对比分析饱和蔗糖溶液的折射率，当弯曲的石英棒置于空气中时，接收端传出的声音很大，此时石英的折射率大于空气的折射率，光在石英棒中发生全反射.但是当弯曲的石英棒浸入到饱和的蔗糖溶液中时，几乎听不见声音，此时光在石英棒中没有发生全反射.由于光的全反射产生的条件是从光密介质射入光疏介质，因此可引导学生得出饱和蔗糖溶液的折射率较石英棒的折射率大.此过程既可以巩固和加深学生对光的全反射产生条件的理解，又可以培养学生的逆向思维，由已知推未知的能力[4].

4.4 拓展调制和解调的过程以及中继通信的原理

通过调制过程把信号源发出的信息进行加工处理加到载波上，使信息变为适合于信道传输的形式.红外发射模块就是将电信息调制为适合在石英棒中传送的光信息.通过解调过程从已调信号中恢复出原调制信号.红外接收模块的作用是将接收到的光信息恢复为电信息再传送给音箱.

中继是指两个交换中心之间的一条传输道路.中继通信最早是由19世纪末丹麦数学家爱尔兰提出的.因为光纤传送信号时存在功率衰减的问题，光信号在光纤内传输时会随着距离越远，信号下降越多，当信号小到一定值时，接收端接收信号后无法正确识别信号编码，就会导致误码，所以在光纤传输达到一定距离后，要加一个中继器，将从光纤中接收到的弱信号检测转换成电信号，再生或放大后再次激励光源，转换成较强的光信号，送入光纤继续传输[5].中继器可以在远距离的光纤通讯系统中起到补偿光信号的损耗和消除信号畸变及噪声的影响的作用.本实验仪可以模拟展示信号中继这一过程.

参考文献：

[1]韦早春.光纤通信应用技术浅述与光纤通信教学实验仪[J].广西大学学报（自然科学版），1999（12）：34-37.

[2]黄亚忠.多功能光学实验演示器[J].教学仪器与实验，2013 （12）：42-43.

[3]林曼虹，吴先球.光的全反射简易自制教具两则[J].物理教师，2015 （01）：48-49.

[4]朱玲娟.基于核心素养的物理实验教学研究[J].考试周刊，2018 （36）：168.

[5]刘敬阳，崔晓磊.浅谈现代光纤通信传输技术的应用[J].黑龙江科技信息，2012 （35）：102.

（收稿日期：2019-08-06）