光纖傳輸演示教具的設計與制作*

劉 斌，呼延玲

（昌吉學院，新疆 昌吉 831100）

光纖傳輸演示教具的設計與制作*

劉 斌，呼延玲

（昌吉學院，新疆 昌吉 831100）

光纖被廣泛應用在日常生活的通信、醫療等多個領域，已經成為人類日常生活不可或缺的一種技術，但光纖傳輸的過程以及原理都是人們看不見也摸不著的，很難用語言解釋。設計和制作光纖傳輸演示教具，將不可見的轉化為人們能夠感受到的信號，可以很好地向人們解釋光纖傳輸的原理及過程。文章采用文獻研究和實驗研究法，設計和制作了光纖傳輸演示教具，通過演示直觀地向學生展現光纖傳輸的過程，有助于學生對光纖通信的直觀認識和理解。

光纖傳輸；演示教具；設計；制作

一、光纖簡介

1.光纖、光纖的優點及用途

光纖是光導纖維的簡寫，是一種利用光在玻璃或塑料制成的纖維中的全反射原理而達成的光傳導工具，微細的光纖封裝在塑料護套中，使得它能夠彎曲而不至于斷裂。通常，光纖一端的發射裝置使用發光二極管（light emitting diode,LED）或一束激光將光脈沖傳送至光纖，光纖另一端的接收裝置使用光敏元件檢測脈沖。

光纖的優點有：頻帶寬、損耗低、重量輕、抗干擾能力強、保真度高、工作性能可靠、成本不斷下降。

光纖的用途:多股光導纖維做成的光纜可用于通信，它的傳導性能良好，傳輸信息容量大，一條通路可同時容納數十人通話；可以同時傳送數十套電視節目，供自由選看。光導纖維內窺鏡可導入心臟和腦室，測量心臟中的血壓、血液中氧的飽和度、體溫等。用光導纖維連接的激光手術刀已在臨床應用，并可用作光敏法治癌。光導纖維可以把陽光送到各個角落，還可以進行機械加工。計算機、機器人、汽車配電盤等也已成功地用光導纖維傳輸光源或圖像。光纖在生活中應用非常廣泛，已經成為人們日常生活不可或缺的一種技術。[1]

2.光纖傳輸系統的分類

按傳輸類型分類，光纖傳輸可以分為模擬光纖傳輸系統和數字光纖傳輸系統。按光波長和光類別可以分為短波長多膜光纖通信系統和長波長光纖通信系統，其中長波長光纖通信系統又可以分為1.31um的多膜光纖通信系統、1.31um的單膜光纖通信系統和1.55um單膜光纖通信系統。

3.光纖傳輸的原理

光纖傳輸的原理是在發送端首先要把傳送的信息(如聲音或圖像)變成電信號，然后由光發射機把電信號調制到激光器發出的激光束上，使光的強度隨電信號的幅度(頻率)變化而變化，并通過光纖發送出去；在接收端，光接收機檢測到光信號把它變換成電信號，然后再通過放大器放大后，進行解調再恢復成原始信號。模擬光纖傳輸系統原理見圖1。

二、光纖傳輸演示教具的設計

通過網絡調查，我們發現關于光纖通信原理的試驗箱有很多，但都是大中專院校通信及相關專業進行實驗的設備，對于中小學生及大眾來說都過于專業，作為光纖傳輸原理通識教育的教具都不合適，而且價格過于昂貴。基于此，筆者利用身邊的廢舊物品，再加上一點電路知識和技術，設計制作了一個能夠直觀演示光纖傳輸過程的教具。

1.光纖傳輸演示教具設計思路

該演示教具為了方便演示，選擇常見的MP3播放器和手機作為音源，通過3.5毫米耳機接口與發射端相連接。接收端連接一個小喇叭。主體部分由發射端、接收端、光導纖維三個部分組成（見圖2），發射端是對聲音信號進行聲光轉換，接收端是對光信號進行檢測和接收并且進行信號放大后再送到揚聲器。發射端和接收端之間由光導纖維 （一截干凈的輸液管）連接。為了獲得較好的信號傳輸效果，在輸液管里裝滿水（注：因為輸液管中裝滿水不能有氣泡，因此此步驟應在水中操作），并將發光二極管和光敏二極管套裝在輸液管的兩頭。當音源接通發光二極管發光后，就通過輸液管將光信號傳送到另一頭，光敏二極管接收到光信號后將信號傳送到接收電路進行處理，然后送到音箱，還原出聲音信號，完成整個傳輸過程。

2.發射端的電路圖

由于3.5毫米耳機接口發送的電信號較弱，故在發射端使用了一個放大電路，電路原理如圖3所示，當音樂開始后將音頻信號發送到LM386，信號放大后驅動發光二極管LED，發光二極管發出的光信號隨著音頻的強弱發生閃爍。發射端的放大電路與接收端的放大部分電路一致，這樣可以減少設計的時間，因此：1端懸空，2端接耳機的一端，3端接耳機另一端并接地。

3.接收端的電路圖

接收端電路原理如圖4所示，發光二極管發出的光信號經光導纖維傳送到接收部分的光敏二極管D，D將光信號轉換為電信號經C1送到前置放大極，經Q(9014)放大，滑動變阻器RK控制送到LM386，經功率放大后，推動喇叭發出聲音。

4.元件的選擇

LED采用高亮度的紅色發光二極管，光敏二極管D選擇亮阻盡量小、暗阻盡量大的，因為發射端設計了放大電路，因此聲音源可以是MP3、手機等。其他元件包括：

10u電解電容9個；

2200p電容2個；

電阻200K 1個，330K 1個，2.2K 1個；

滑動變阻器10K 2個；

三極管 9014 1個，LM386集成塊2個；

電池3節，開關、喇叭各1個。

三、光纖傳輸演示教具的制作和演示

1.制作

依據前面的設計思路，按以下步驟進行制作（見圖5）：

（1）考慮到簡易、方便操作，實驗結果能夠直觀反應光纖傳輸的原理，進行教具的整體設計。

（2）在仿真軟件（EWB或PROTEL）中畫出各部分的電路圖，并對其封裝進行修改。

（3）將電路圖轉化為PCB圖，根據電路圖將PCB圖中的元件進行擺放，這也是在制作電路板前最重要的一步。一般情況下，電路板的大小因與元件成正比，但考慮到我們做的是教具，因此可以將電路板適當地放大，方便操作和觀察。

（4）將布好的 PCB圖打印到轉印紙上，再用熱轉印機將圖轉印到覆銅板上，再將覆銅板放在三氯化鐵溶液中進行腐蝕。

（5）將腐蝕好的電路板打孔，取一段20cm～30cm的醫用輸液管，注滿水，兩端分別用直徑為5mm的發光二極管和光敏二極管直接封住，為了不使管內留有氣泡，整個過程可在水中完成。最后將元器件安插焊接好。

2.演示

將聲音源打開，發光二極管就開始閃爍，同時接收部分的喇叭發出悅耳的音樂 (如果有雜音，可以調節滑動變阻器減少雜音)。因為信息是靠光傳輸的，所以這時只要將輸液管捏扁，聲音就會消失或因受到阻塞而減弱。但在彎折輸液管時，只要曲率不太大，便能保證光傳導的全反射，卻感覺不到聲音的任何變化。通過實驗也可以告訴人們保護光纖的常識。

結束語

本文通過實驗法設計并制作了光纖傳輸演示教具，此教具的制作和操作過程相對簡單，實驗過程能夠讓人們直觀地了解到光纖傳輸的過程及原理，希望本文能夠為師生制作光纖傳輸演示教具提供一定的參考。

[1]光纖的發明和應用[EB/OL].http://ddlx.snnu.edu.cn/History.asp?id=22&bh=72.

[2]李靖.一種用激光傳送聲音信號的方法[J].教學儀器與實驗，2010，（9）.

[3]王瑞.巧做物理演示實驗兩則[J].教學儀器與實驗，2010，（9）.

G482

B

1673-8454（2012）06-0065-03

*昌吉學院教研課題項目：新疆普通高中通用技術裝備應用研究項目的階段成果（編號：10jyyb010）；新疆維吾爾自治區質量工程建設項目：通用技術實驗教學示范中心階段建設成果（新教高[2010]50號）。

（編輯：魯利瑞）

國家社會科學基金教育學青年課題“我國高職院校學生學習能力評價及培養研究”（CJA110159）、全國教育科學規劃教育部重點課題“網絡環境下適應性遠程考試系統的實證研究”（GFA111016）、山西省研究生教育改革研究重點課題“農村教育碩士信息化教育策略研究”（20112029）、山西省2011年高等學校特色專業建設項目（教育技術學）、山西師范大學“十二五”重點學科建設項目（教育學）。