黄李容 李奇云 资翔宇 单遥依
摘 要：光导纤维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少的一种技术。但是，光纤通信的过程却不是人们可以直接观测到的，并且很难用语言进行描述和解释。设计和制作光纤通信演示仪，能够清晰地向学生展示光纤通信的全反射原理，从视觉和听觉的角度让学生深刻感受信息传递的过程。该教具还能向学生展现物理之美、科学之美、简约之美。
关键词：光纤通信;光的全反射;信号转换
中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2021）5-0052-3
光导纤维是一种由玻璃或塑料制成的纤维，作为光传导工具，具有传输速度快、容量大、传输距离远等特点，是现代通信的主要支柱之一[1]。在人教版高中物理选修3-4第十三章第二节《全反射》[2]内容中，教材花了不少篇幅来介绍光纤通信，但文字描述无法通过感官刺激让学生留下深刻印象，教材上的演示实验也只是凸显全反射原理，不能形象展示光纤传递信息的过程。因此，学生存在认知困难：觉得光纤距离我们遥远、原理复杂、结构也不是很明确。基于以上问题，笔者设计开发了教具——光纤通信演示仪。
1 光纤通信演示仪设计依据与原理
1.1 信号处理
从音频设备输出的音频信号为电壓信号，其每时刻幅值对应音频压强。取决于设备厂商不同，该信号一般由交流信号分量和直流信号分量组成。直流分量一般为0～5 V，交流分量最大值一般不超过1.2 V。而半导体激光器的电压耐受值一般只有2 V左右，为保护激光器需要对信号进行处理。
1.2 激光二极管
激光二极管是一种将电能转换成光能的半导体器件，其产生的光具有功率高、频率单一、相干性好的特点。结构上由直接带隙半导体材料制成的PN结组成。其发光波长由PN结的半导体材料的禁带能级决定。在外加正向电场的作用下，半导体中的载流子电子会发生定向移动，在越过空间电荷区与空穴发生复合后，电子向低能级跃迁发光。本文使用的是发出500～570 nm波长绿色激光的氮化镓半导体激光头。
1.3 电流镜
电流镜是一种在工业界电路设计中经常使用的一种电路模型，其电路图如图1所示，它的受控电流与输入的参考源电流成一定比例关系，使得其可以无视负载端的功率特性而“复制”输入原电流，常见于LED灯恒流电路的设计中。本文中的光纤通信演示设备使用电流镜来消除二极管伏安特性产生的非线性失真。
1.4 DC/DC电压转换
DC/DC是一种开关式电压转换电路，使用MOSFET、IGBT等开关器件产生频繁切换电路通断，通过斩波-电感的方式进行升压或通过PWM（脉冲宽度调制）-电容的方式进行降压，是一种小型化、高效率的电压转换器件。本文中使用该器件为电流镜提供恒定低压电源。
1.5 光电二极管
光电二极管是一种将光信号变换成电信号的半导体器件，由一个封装的双极结型晶体管组成。其PN结面积大于一般二极管。工作在反向偏压下时，没有光照时电流很小，几乎可以忽略不计，有光照时PN结上电子由价带顶跃迁至导带底，如果光子吸收发生在空间电荷区，则该区域的载流子就可以发生移动，形成光电流。光电流注入到基级后，光电流被晶体管增益β显著放大。本文中使用该器件作为接收光信号的装置。
1.6 问题分析
单色光源的光功率满足：
P=Nhν（1）
式中P为光功率，N为光子数量，h为普朗克常量，ν为光频率。
而激光二极管在大注入情况下单位时间内发射的光子数量N可认为正比于电流大小I，即：
N∝I（2）
由（1）（2）式联合可导出：
P∝I
即：激光二极管光功率正比于流过其的正向电流。
而激光二极管PN结正向工作时，其伏安特性曲线满足：
上式中，I是PN结正向电流，U是加在PN结两端的正向电压，I0是PN结反向偏压时的饱和电流，e为电子电量，κ■为玻尔兹曼常数，T为PN结的热力学温度，η为修正系数，值取决于材料。
综合上式可得出结论：光信号强度正比于通过二极管的电流，但二极管的伏安关系是非线性的。使用音频电压信号经功率放大后施加在二极管上，会导致信号产生非线性失真[3，4]。
为解决这一问题，发射电路设计为一个电压控制电流源，使用电流镜镜像到二极管上，为减小电流镜组件的压降，降低功耗，负载供电使用开关电路降压。
2 光纤通信演示仪的设计与制作
2.1 音频发射模块的设计与制作
发射模块电路如图2所示，音频信号经由J1输入，经过U1.1按比例缩小后送入U1.2、Q1、R8构成的电压跟随器。Q1、Q2、Q3共同组成电流镜，将电压信号转换成电流信号。U2通过R10设置VADJ电压。运算放大器U1选用NE5532，Q1、Q2、Q3选用B772音频功率管，D1为起保护作用的2.2 V齐纳二极管。U2选用LM2596S大功率降压Buck控制器，经68 μH 的CDRH功率电感扼流后进入C2提供稳定的激光管电压。
2.2 音频接收模块的设计
接收电路的原理图如图5所示，光电流的大小会影响LED1两端的电压，该信号变化会经过C4耦合进入U1放大，通过C1由喇叭放出。
2.3 模拟光纤模块的制作
模拟光纤部分由水槽和亚克力光柱组成，当水槽装有水时，亚克力光柱和装有水的水槽分别可以模拟光纤的内芯和外壳，空气、水、亚克力光柱的折射率分别为n0、n1、n2，在数值上应满足n0>n1>n2。因此，当光线以一定角度从空气射入水中，会在亚克力光柱和水的界面发生全反射，如图6所示。
2.4 光纤通信演示仪的设计与制作
整个教具实现了多次信号转换，如图7所示，发射端把音频信号转换为电信号，由其中的光电转换器把电信号转换为光信号，光信号通过模拟光纤传进接收端，接收端的光电转换器把光信号转换为电信号，然后经接收端把电信号还原为音频信号，完成信息传输。
使用达索公司研发的SolidWorks三维设計仿真软件设计并仿真支架结构，验证完成后使用3D打印机制造设计出来的支架。将各个组件安装连接在3D打印的支架上。调节发射架激光头的发射角度，使其发出的光在经历亚克力光柱的几次全反射后到达信号解码处理接收模块的光电二极管上，整个教具的结构如图8所示。
2.5 演示光纤通信演示仪的操作步骤
连接信号运算放大发射模块、信号解码处理接收模块的电源，将音频线接入信号运算放大发射模块;调节激光发射头角度，使激光在亚克力光柱中形成光路，全反射次数以光路清晰可见为宜;移动信号解码处理接收模块的位置，使激光光斑落在接收器上，扬声器发出清晰明确的声音;用手阻挡光路，声音停止，将手拿开，声音恢复，以此演示声音是由激光传输的。
3 光纤通信演示仪的创新点与教育功能
3.1 创新点
该教具创新性地将声音信号调制到光信号上，以可感的形式展现了光纤中的光信号是如何传输信息的;使用300 mW绿色大功率激光模组和亚克力方形光柱形象地展示了光纤中光信号的全反射过程;接收模块使用了漫反射-透射材料，扩大激光信号角度，降低了对整个演示过程的光路准度要求，操作方便，有助于课堂授课开展的连贯性。
3.2 教育功能
光纤通信演示仪具有丰富的教育价值，不仅可用于“全反射”的教学，还可用于“光的直线传播”“光的折射”“光的反射”等内容的教学。该教具能够激发学生的学习兴趣，让学生经历科学探究过程，丰富学生的非智力因素，培养学生善于观察、勇于探究的核心素养;还能将生活与物理联系起来，培养学生关注时事、热爱科学的人文素养。也可以丰富教师的教育教学理论，提高其教学技能。利用自制教具进行教学，有利于物理实验的普及，提高物理课堂“教”与“学”的效果。
参考文献：
[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.
[2]人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书物理（选修3-4）[M].北京：人民教育出版社，2010.
[3]DonaldA.Neamen（美）.半导体物理与器件（第四版）[M].赵毅强，姚素英，史再峰，等，译.北京：电子工业出版社，2018.
[4]王太军.“智造”低成本光通信演示实验及其教学应用[J].物理教学探讨，2018，36（06）：10-12.
（栏目编辑 王柏庐）
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