巧用强光手电筒演示“光纤通信”原理

江苏省南京市育英第二外国语学校(210044) 沈孝兵

光纤通信是人类20世纪最伟大的技术发明之一，也是今天互联网、无线通信、物联网、大数据等几乎所有网络业务和应用的根基。光纤通信具有传输容量大、保密性好等优点，现已成为当今最主要的有线通信方式。没有光纤通信作为基础和支撑，人类可能还处于网络的“石器时代”。最基本的光纤通信系统由光发信机、光收信机、光纤线路、中继器以及无源器件组成。其中光发信机负责将信号转变成适合于在光纤上传输的光信号，光纤线路负责传输信号，而光收信机负责接收光信号，并从中提取信息，然后转变成电信号，最后得到对应的话音、图象、数据等信息。笔者用强光手电筒制作了一个自制教具，可以演示“光纤通信”的原理，制作及演示过程如下。

1 所需器材

光纤(直径10 mm,长度1 m),强光手电筒，太阳能电池板，小蜜蜂扩音机，小功放，手机(或收音机)。

2 制作方法

教具实物图如图1所示。将光导纤维弯成半圆形，再将强光手电筒对准光导纤维的一端，手电筒发光后，光会沿弯曲的光纤传到另一端，在光纤另一端的下方放一块太阳能电池板接收由光纤传过来的光信号。用音频线将太阳能电池板的正负极与小蜜蜂扩音机的音频输入端相连，再将手机(或收音机)的音频信号与小功放相连，并将功放的输出端用强光手电筒的充电线与强光手电筒的充电接口相连。

图1 实物图

3 实验原理

强光手电筒和功放相当于光发信机，手机(或收音机)的音频信号经功放放大后被加在强光手电筒的发光二极管上，使手电筒发出光的亮度随音频信号的变化而变化。光导纤维将强光手电筒发出的光传到另一端照在太阳能电池板上。

太阳能电池板和小蜜蜂扩音机相当于光收信机，太阳能电池板收到亮度随音频信号的变化而变化的光，太阳能电池板将变化的光信号变成变化的电信号，小蜜蜂扩音机将电信号放大后还原成声音。

4 演示方法

4.1 用电压传感器演示数字信号的传播过程

不开手机的声音和功放，将太阳能电池板的输出端接电压传感器，再将强光手电筒打开成闪光模式，电压传感器在电脑上自动记录了太阳能电池板的输出电压大小随光的亮度变化而变化的图像，如图2所示。好像一串“0101”的数字信号通过光纤被传到了电脑上。

图2 输出电压变化图像

4.2 用小蜜蜂扩音机演示数字信号的传播过程

不开手机的声音和功放，将太阳能电池板的输出端接小蜜蜂扩音机的音频输入端，再将强光手电筒打开成闪光模式，在强光手电筒一闪一闪的同时，我们会听到小蜜蜂扩音机发出与光信号频率相同的“滴滴”声。

4.3 用小蜜蜂扩音机演示模拟信号的传播过程

打开手机和功放，将太阳能电池板的输出端接小蜜蜂扩音机的音频输入端，再将强光手电筒打开成常亮模式，用手机播放一首歌，我们会看到强光手电发出的光随音乐的节奏闪动，同时我们会听到音乐声从小蜜蜂扩音机发出，这样就演示了模拟信号的传播过程。

本实验装置不仅可以用电压传感器或小蜜蜂扩音机两种方式生动形象地演示数字信号传播过程，还可以利用手机方便地演示模拟信号的传播过程；演示过程中可以让学生认识到光不仅具有能量，还能传递信息；还可以让学生从能量转化的角度来理解光纤通信过程。让学生在理解光纤通信原理的同时感受到物理学中的重大发现对人类文明进程所产生的巨大的推动作用。