劉 慧，邊 健，豐 遠(yuǎn)，謝 瑜，曾貴平

在幾何光學(xué)中，光的全反射是指光由光密介質(zhì)照射到光疏介質(zhì)的界面時(shí)全部被反射回原介質(zhì)內(nèi)的現(xiàn)象.從具體應(yīng)用來(lái)看，光導(dǎo)纖維便是較為典型的案例.光導(dǎo)纖維在結(jié)構(gòu)上有中心和外皮兩種不同介質(zhì)，光在均勻透明的玻璃或塑料棒的光滑內(nèi)壁上傳播時(shí)，即使棒是彎曲的，它借助于接連不斷的全反射，也可以從一端傳導(dǎo)到另一端，同時(shí)保證光線不會(huì)泄漏到光導(dǎo)纖維外，如圖1 所示.當(dāng)棒的截面直徑很小，甚至小到數(shù)微米數(shù)量級(jí)，傳導(dǎo)效果也不會(huì)改變，這種導(dǎo)光的細(xì)玻璃絲或塑料絲稱(chēng)為光導(dǎo)纖維，簡(jiǎn)稱(chēng)光纖［1］.

圖1 光導(dǎo)纖維示意圖

在日常生活中，與電在電線中的傳導(dǎo)相比，光在光纖中的傳導(dǎo)損耗要小得多.近年來(lái)，隨著光的全反射原理在工程實(shí)踐等應(yīng)用技術(shù)方面的積極開(kāi)展，光通信技術(shù)也進(jìn)一步得到良好的應(yīng)用，在越來(lái)越多的領(lǐng)域中呈現(xiàn)出較好的應(yīng)用效果，對(duì)人們?nèi)粘Ｉ畹挠绊懺絹?lái)越大.

光纖通信技術(shù)就是通過(guò)光學(xué)纖維傳輸信息的通信技術(shù).發(fā)射端發(fā)出的光信號(hào)通過(guò)光纖傳輸?shù)竭h(yuǎn)方的接收端，經(jīng)光電二極管等轉(zhuǎn)換解調(diào)后恢復(fù)原信息，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換［2］.如圖2 所示.

圖2 模擬光纖傳輸系統(tǒng)

在教學(xué)中，通過(guò)光通信知識(shí)的系統(tǒng)講述，使得學(xué)生對(duì)此形成較為清晰的認(rèn)識(shí)，這是本科階段的重點(diǎn)教學(xué)目標(biāo).從實(shí)際教學(xué)的開(kāi)展情況來(lái)看，演示性實(shí)驗(yàn)是較為常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)形式，有利于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的理解和吸收，并且在學(xué)習(xí)效果方面也能夠起到較好的推動(dòng)作用，尤其是開(kāi)放性演示實(shí)驗(yàn)，可以讓學(xué)生自己動(dòng)手，在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能和開(kāi)拓創(chuàng)新精神等方面顯示出其獨(dú)特的魅力［3］.實(shí)驗(yàn)儀器又是較為常見(jiàn)的教學(xué)工具，通過(guò)實(shí)驗(yàn)儀器的展示，學(xué)生可以清晰地理解與掌握實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，然而很多實(shí)驗(yàn)儀器的售價(jià)較高，又不易改進(jìn)，使得一些高校在開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中遇到很多困難.為此，在實(shí)際教學(xué)中，學(xué)校常常呼吁師生積極開(kāi)展研制和改進(jìn)工作，進(jìn)一步緩解由各種原因造成的教學(xué)困境.例如，石家莊學(xué)院的于京生等人利用收音機(jī)制作了激光通信演示器［4］；濱州學(xué)院的史志勇等人設(shè)計(jì)制造了一款簡(jiǎn)易的激光通信演示實(shí)驗(yàn)儀，可以直觀地演示激光通信技術(shù)的原理［5］；楚雄師范學(xué)院的邱泰光等人使用TDA2822M 集成電路及外圍元件制作了光通信演示儀［6］；中國(guó)石油大學(xué)（華東）的胡珊珊等人設(shè)計(jì)與研制了LED可見(jiàn)光通信演示實(shí)驗(yàn)裝置［7］；廣西民族大學(xué)的韋早春研制了多通道光纖通信教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀［8］.筆者根據(jù)多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，參考上述文獻(xiàn)及相關(guān)教材［9-10］中的做法，制備并改進(jìn)了一臺(tái)光纖通訊演示實(shí)驗(yàn)儀，以用于實(shí)際教學(xué).該實(shí)驗(yàn)裝置外觀簡(jiǎn)潔、制作成本較低，而且便于攜帶，教師可以在課堂上直觀演示聲音信號(hào)光纖通訊的傳輸功能.另外，學(xué)生還可以利用此裝置開(kāi)展一些初步的研究，起到良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科學(xué)研究的效果.

1 原理

一個(gè)音頻信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理如圖2 所示，從內(nèi)容構(gòu)成來(lái)看，它主要有三個(gè)重點(diǎn)組成部分：光信號(hào)發(fā)送器、光纖、光信號(hào)接收器.光信號(hào)發(fā)送器主要由光源器件發(fā)光二極管（LED）及其調(diào)制、驅(qū)動(dòng)電路組成，它的作用是將待輸?shù)碾娦盘?hào)經(jīng)電光轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換為光信號(hào)；光纖的作用是將發(fā)送端光信號(hào)以盡量小的衰減和失真?zhèn)魉偷焦庑盘?hào)接收端；光信號(hào)接收器主要由半導(dǎo)體光電二極管（SPD）、I—V 變換及功放電路組成，主要作用是將光信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器件還原為相應(yīng)的電信號(hào)［9］.簡(jiǎn)單來(lái)講，光纖傳輸?shù)倪^(guò)程是將聲音的電信號(hào)調(diào)制轉(zhuǎn)化為光信號(hào)，使得光載波能夠在光纖中實(shí)現(xiàn)良好的傳輸，最終將已調(diào)制的光信號(hào)還原成聲音的電信號(hào)，形成光通信的詳細(xì)演示，方便學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)形成更為感性的 認(rèn) 識(shí) 和 理 解［8］.在 器 件 的 選 擇 上，選 取 了TDA2822M 功 放 電 路，TDA2822M 為8 腳 雙 列直插式封裝的雙通道單片功率放大集成電路，引腳見(jiàn)圖3，該功放電路具有電路簡(jiǎn)單、音質(zhì)好、電壓范圍寬等特點(diǎn)，可應(yīng)用于立體聲以及橋式放大的電路［11］，也可以用來(lái)制作光纖通訊演示實(shí)驗(yàn)儀［6］.參考文獻(xiàn)［6，11］和教材［9-10］中的方法，制作發(fā)射端電路和接收端電路，如圖4 和圖5 所示.

圖3 TDA2822M 的實(shí)物圖及引腳示意圖

圖4 發(fā)射端電路

圖5 接收端電路

2 組裝與演示

2.1 組裝

課題組與合肥明達(dá)科教電子儀器廠合作制備光纖通訊演示實(shí)驗(yàn)儀一臺(tái).制作時(shí)，根據(jù)相應(yīng)的電路圖將芯片TDA2822M 及外圍元件進(jìn)行焊接處理.為了美觀起見(jiàn)，把電源、發(fā)射端和接收端焊接好置于一個(gè)小巧的密封盒子里，盒子正面留有光信號(hào)輸出、電信號(hào)輸入和音頻信號(hào)輸入插孔，同時(shí)安裝一個(gè)電位器旋鈕可以調(diào)節(jié)音頻信號(hào)的強(qiáng)度，盒子背面留有電源線插孔.面板如圖6 所示.用導(dǎo)線連接光信號(hào)輸出插孔，導(dǎo)線末端連接一個(gè)發(fā)光二極管；將光電二極管用導(dǎo)線連接在電信號(hào)輸入端，并將發(fā)光二極管和光電二極管放置在導(dǎo)軌兩端的支架上.其中光電二極管固定高度，發(fā)光二極管高度及角度可以調(diào)節(jié)，使左側(cè)發(fā)光二極管發(fā)出的光線能夠照射到右側(cè)光電二極管上，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成如圖7 所示.將小型收錄機(jī)用導(dǎo)線插在音頻信號(hào)輸入插孔上，并通過(guò)音頻信號(hào)調(diào)節(jié)電位器調(diào)節(jié)聲音信號(hào)的強(qiáng)度.整個(gè)裝置如圖8 所示.

圖6 光纖通訊演示實(shí)驗(yàn)儀面板圖

圖7 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成示意圖

圖8 光纖通訊演示實(shí)驗(yàn)儀整體圖形

2.2 演示

打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，將小型收錄機(jī)置于播放狀態(tài).適當(dāng)調(diào)節(jié)導(dǎo)軌上左側(cè)發(fā)光二極管的高度和角度，并調(diào)節(jié)右側(cè)光電二極管的位置，盡量使接收端的光電二極管與發(fā)射端的發(fā)光二極管對(duì)準(zhǔn)在一條直線上，即讓發(fā)光二極管發(fā)出的光直接照射在光電二極管上.適當(dāng)調(diào)節(jié)光纖通訊演示實(shí)驗(yàn)儀面板上的電位器就可聽(tīng)到收錄機(jī)中播放的音樂(lè).

圖9 用紙張遮擋光路，聲音信號(hào)立即停止

根據(jù)圖9 所示，通過(guò)增加A4 紙的方式阻斷了光路，從而使得音樂(lè)聲戛然而止，拿掉紙后，又會(huì)重新聽(tīng)到音樂(lè)聲.由此可見(jiàn)，聲音信號(hào)與光的傳遞是息息相關(guān)的.對(duì)接收端光電二極管的位置進(jìn)行調(diào)整，發(fā)現(xiàn)音樂(lè)聲呈現(xiàn)出不同的強(qiáng)弱變化，位置越遠(yuǎn)，音樂(lè)聲越弱.將發(fā)射端與接收端放置成錯(cuò)開(kāi)一定角度，即不在一條直線上，光信號(hào)中斷，聽(tīng)不到聲音，此時(shí)用一根光導(dǎo)纖維使其一端固定在發(fā)射端的發(fā)光二極管后方，另一端固定在接收端光電二極管前方，這時(shí)音樂(lè)聲又會(huì)重新出現(xiàn)（圖10），說(shuō)明光信號(hào)在光纖中傳播.

圖10 用光纖連接發(fā)光二極管與光電二極管

2.3 傳輸距離與通信質(zhì)量的初步研究

利用此光纖通訊演示實(shí)驗(yàn)儀開(kāi)展傳輸距離與通信質(zhì)量的初步研究.在不加光纖的情況下，讓光信號(hào)在空氣中傳播，固定發(fā)射端發(fā)光二極管不動(dòng)，調(diào)節(jié)接收端光電二極管的位置，即調(diào)節(jié)發(fā)光二極管與光電二極管之間的距離，用聲強(qiáng)計(jì)（圖11）測(cè)試光電二極管在不同位置處接收到的聲音信號(hào)的聲強(qiáng)級(jí)，測(cè)試的數(shù)據(jù)如表1 所示.用Origin 軟件作出空氣中的聲強(qiáng)級(jí)與距離之間的關(guān)系圖，如圖12 所示.

圖11 聲強(qiáng)計(jì)

根據(jù)朗伯-比爾定律，光在介質(zhì)中傳播時(shí)，由于材料對(duì)光波具有吸收和散射作用，會(huì)使光強(qiáng)在傳播過(guò)程中逐漸衰減，光強(qiáng)與距離之間的函數(shù)關(guān)系為：

式中α稱(chēng)為吸收系數(shù)，x為光傳播的距離.

聲音強(qiáng)度與調(diào)制的光強(qiáng)成正比，這里用聲音強(qiáng)度代替光強(qiáng)，根據(jù)聲強(qiáng)級(jí)的定義

表1 不同位置處接收到的聲強(qiáng)級(jí)

可得：

由此可見(jiàn)，聲強(qiáng)級(jí)與傳播距離成正比關(guān)系.圖12 中擬合出直線的斜率b=-0.545，可以計(jì)算出聲強(qiáng)級(jí)在空氣中的衰減系數(shù)α=0.13（dB/cm）.

在加光纖的情況下，光纖入口處測(cè)得聲強(qiáng)級(jí)為64.7 dB，光纖出口處聲強(qiáng)級(jí)為64.6 dB，而整根光纖的長(zhǎng)度為100 cm，可以計(jì)算出聲強(qiáng)級(jí)在光纖中的衰減系數(shù)α′=2.30×10-4（dB/cm）.比較兩種情況下的衰減系數(shù)可以看出，光在空氣中傳播衰減較大，在光纖中傳播衰減很小.由于光纖對(duì)信號(hào)的衰減很小，所以可以用光纖進(jìn)行信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸.

3 結(jié)語(yǔ)

利用TDA2822M 集成模塊及外圍元件設(shè)計(jì)成光纖通訊演示實(shí)驗(yàn)儀的發(fā)射端和接收端，結(jié)合小型收錄機(jī)，完成了光纖通訊演示實(shí)驗(yàn)儀的改進(jìn)制作，并對(duì)其進(jìn)行調(diào)試與演示，還進(jìn)行了傳輸距離與通信質(zhì)量的初步研究.該實(shí)驗(yàn)裝置可以實(shí)現(xiàn)聲音信號(hào)光纖通訊的傳輸功能，直觀生動(dòng)地演示了光纖通訊的過(guò)程.裝置制作成本低、演示簡(jiǎn)單、輸出音頻信號(hào)無(wú)明顯失真，此演示實(shí)驗(yàn)儀能夠滿足教師課堂演示和學(xué)生課后研究的需求，起到良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果.