光通訊

光通訊

目的

藉由LED及太陽能電池實驗基本的光通訊方法。

 

實驗

實驗裝置:將數顆LED燈泡(本例為12V白光LED)並聯,接著串接一提供LED工作電壓的直流電源(12V)並串接一做為輸入端之音源(ex.mp3 player)。最後在LED隔空對面擺置一太陽能電池,太陽能電池兩極接上一揚聲器。

1.將直流電源啟動,此時LED將會運作而發光。

2.在音源裝置播放歌曲,觀察LED燈與未播放前是否有不同;在LED燈另一方,揚聲器是否放出之前播放的歌曲。

 

 

原理思考

通訊裝置可說是一連串訊號轉換的過程組合,例如:電話(聲音→電流變化→聲音),在這個簡單的光通訊裝置,訊號的轉換過程是什麼?

 

此實驗的光通訊裝置,主要利用LED能隨輸入電壓不同而在亮度上迅速做出反應。裝置原理上,利用12V直流電達到LED工作電壓,音源輸出歌曲屬於電壓變化,與直流電源串聯,兩者電壓相加,將此電壓輸入至LED燈,LED燈亮度會隨輸入電壓而改變。在LED燈發出的光裡,已含有歌曲的訊號,即以電壓調變光的信號。在空間另一邊,太陽能電池接收到隨時間改變的亮度,在輸出電壓上也對應於接收到的亮度作出變化,此電壓變化傳至揚聲器,最後發出與播放歌曲相同的音訊。

 

討論

1.在音源輸出端(mp3 player)播放歌曲前後,並看不出LED燈有何變化,這和音源輸出的頻率與強度有何關係?

2.LED燈可否改為其他的光源?鎢絲燈泡?雷射光?要能達成光通訊需求,光源方面有什麼限制條件?太陽能電池是否也有類似的條件?

3.現代光通訊常用光纖網路。利用光纖進行通訊,與以往利用電線傳輸信號,有什麼優點?

4.若以光通訊應用在無線區域網路上,則較現在無線網路利用電磁波,光通訊有什麼優勢?

 

1.音源輸出訊號由於是聲音訊號,因此電壓變化頻率也對應於聲波頻率(),人眼的敏銳度無法辨別。另外,本裝置擔任音源輸出的mp3 player最高(即將音量鈕轉至最大)提供較12V相對小的的電壓。因此在此高頻率及低振幅改變下,肉眼無法辨別含有歌曲訊號與平常的LED光的差別。
2.在光通訊裝置擔任光源,需具備電壓與亮度有敏銳變化,以及極低的反應時間,以LED燈來說,因其發光原理隨輸入電壓而有不同數量的電子電洞結合,因此亮度與輸入電壓夠敏銳。其反應時間(明滅反應時間)高達約
,已遠高於聲音頻率。以上述兩點來看,藉由加熱而輻射光的鎢絲燈泡,由於輸入電壓不同而需使鎢絲加熱至對應亮度的時間變化,顯然較無法達成此極快反應時間的要求。
3.光纖較一般同軸電纜的優點有: 由於光纖使用全反射原理,訊號(亮度)衰減極低,在傳輸距離上,為一般同軸電纜之數十數百倍,可減少中繼點的設置成本。也因為光纖原理為全反射,在訊號保密上有其優勢。 由於傳輸原理是光,不易受周圍電磁波及溫度干擾而影響傳輸品質,達到高傳真度的目的。 光纖材質為玻璃纖維,有耐腐蝕,耐火,耐水,壽命長等優點,在重量上較同軸電纜輕的多,在運送以及施工都較為節省成本。又因質細,可繞性,在埋設管路時可節省使用空間,空間配置經濟性高。 在通訊頻寬上,光纖可達數
;傳統電纜為數百,在載訊容量上,光纖極具優勢。
4.現代的電磁波無線網路缺點主要有資料外流(有機會穿透牆壁或門窗),以及對健康有疑慮。若採用光通訊方法達成無線區域網路,這兩點將可望改善。只要光無法穿透的地方,資訊將無法外流。雖然光源長時間可能對眼睛造成疲勞,在健康並無電磁波危害人體的疑慮。

 

關於實驗

1.直流電源宜盡量等於LED燈泡工作電壓,以使亮度-電壓關係接近線性。

2.在太陽能電池規格的選定上,若輸出功率相同,高電流較高電壓效果好。

 

參考資料

光纖通訊系統簡介(陳坤賢,國立彰化師範大學)

開燈,就能無限上網(科學人雜誌 2007 8月號)

 

製作

v.1 鄭韋志

 

指導老師

朱慶琪

 

撰稿

鄭韋志