1701076776
1701076777
1701076778
1701076779
1701076780
图9.5 接收端电路
1701076781
1701076782
1701076783
1701076784
1701076785
图9.6 接收端实物图
1701076786
1701076787
光电二极管其实就是一小块太阳能电池，但是价格比一般玩具用的太阳能电池要贵。作为未来新能源的代表技术之一，它们的工作原理是非常巧妙的。我们知道一般的二极管是由两种半导体材料结合在一起组成的，称为PN节，粗略来看，P型（来自英文单词Positive）半导体中有一些可以移动的正电荷，N型（来自英文单词Negative）半导体中有一些可以移动的电子。但是，注意这两种材料本身并不带电，是电中性的。例如，N型半导体中有一些可以移动的电子，但是它也有同样数量的不可移动的正电荷，所以整体来看它是不带电的。但是当我们把P型和N型半导体连接在一起时，非常有趣的事情就发生了。因为P型半导体里的可移动的正电荷多一些，所以它们就会自然而然地扩散到N型半导体中去（主要集中在PN交界处）；同理，N型半导体中的电子也会扩散到P型半导体中去（主要集中在PN交界处）。这时候，这两种材料在交界处就不再保持电中性了。因为P型半导体不仅失去了一些正电荷，而且还迎来了一些电子，所以它就会带负电；而N型半导体不仅失去了一些电子，还迎来了一些正电荷，所以它就会带正电，这个过程如图9.7第一幅图所示。所以在PN节附近就会形成一个天然的电场，从N型材料指向P型材料。此时，如果有一束外来的光照射到这个区域，那么就有可能被其中的电子吸收，从而本来不活跃的电子有了足够的能量可以自由移动起来。在电场作用下，这个电子和它原来归属的正离子受到方向相反的力，从而它们被分离开，向二极管的两端游荡（注意电场基本上只局限于PN交接处，就像一个平板电容的电场基本只局限于两块平板之间一样。所以一旦离开了PN交接处，电子和正电荷就不会感受到电场力了）。如果在PN节区域被光激发的电子和正离子很多，那么它们就会在二极管两端积累，此时，把光电二极管接上一个很小的灯泡，那么由光引起的电流就会点亮它。这便是太阳能电池和光电二极管的基本工作原理。当然，其中的具体细节则是一个非常热门的研究前沿，如何优化材料的结构，提高光电转换效率是研究的核心问题。
1701076788
1701076789
1701076790
1701076791
1701076792
图9.7 光电二极管（太阳能电池）的工作原理
1701076793
1701076794
了解了光电二极管（太阳能电池）的工作原理，再来看图9.5的电路就容易理解了。在光的照射下，电流从二极管的N极流向P极（二极管符号上的短横代表N极，三角形代表P极）。注意这与普通二极管的工作模式恰好相反，普通二极管导通时电流从P极流向N极。图9.5中的第一个运放起到了将光电二极管的电流转化为电压的功能。而且，由于“虚短”，光电二极管两端的电压差始终在零伏左右，这样稳定了PN节区域电场强度，起到了保持电流与光照强度的线性关系的作用。因为我使用的光电管产生的电流小于0.1mA，所以我采用了10kΩ的电阻，这样转化成的电压在1V以下。然后再通过一个运放放大6倍，就可以输入音箱了。你选用的光电二极管或者太阳能电池所产生的光电流不一定和我的一样，所以在选择电阻值时要进行一些尝试，避免运放进入饱和状态。整个电路是比较简单的，调试也很容易。当发射端和接受端都正常工作以后，你就可以把自己喜欢的音乐通过这个激光传声器进行“无线”播放了，相信你也能体会到贝尔先生当年的喜悦。
1701076795
1701076796
除了光电二极管可以充当光信号到电信号的转换器以外，我们也可以使用廉价的光敏电阻，接收端的电路也可以大为简化（见图9.8）。
1701076797
1701076798
1701076799
1701076800
1701076801
图9.8 接收端采用光敏电阻的电路
1701076802
1701076803
看到这儿，你是不是觉得前面用光电二极管的电路有点浪费呢？但是，毕竟是一分钱一分货，使用光电二极管得到的声音效果远远好于光敏电阻的电路，前者的音质清脆，而后者则含含糊糊。我们可不可以给图9.8加上一些后续的放大和滤波的电路，使声音变得清晰起来呢？实际上，从上一章使用光敏电阻记录陀螺转速的实验我们就应该了解到，用光敏电阻不可能产生清脆的声音，无论采用多么高级的后续电路进行处理都是枉然。在上一章有关图8.8的讨论中我们了解到，光敏电阻在外来激光消失以后，需要几毫秒的时间电阻值才能慢慢变大，这就决定了光敏电阻的响应速度无法跟上声波的变化速度。一般音乐的频率是在数百赫兹以上，也就是说，经过音频信号调制的激光强弱变化的周期只有几毫秒，而在这段时间里，光敏电阻还没缓过神来，所以它输出的声音就模糊不清了。图9.9展示了用这两种光电转换电路播放936Hz声音（方波）时所产生的波形（用示波器记录）。很明显，光电二极管能清晰地还原音频信号的方波，而光敏电阻则呈现了上一章图8.8中那样的波形：在激光变弱以后，电阻慢慢上升，它两端的电压显示在示波器上慢慢地增大；当激光再次变强时，它的电阻比较快地减小，所以其两端的电压迅速减小，如此往复。这样的波形转换成的声音就不如光电二极管的清脆了。
1701076804
1701076805
1701076806
1701076807
1701076808
图9.9 用光电二极管和光敏电阻接受激光音频信号所产生的波形图
1701076809
1701076810
现代光纤通信技术中，负责把激光信号转化成电信号的也是光电二极管，因为它的反应速度可以跟得上强弱每秒钟变化109次的激光信号（我们称它的带宽为109Hz）。而如果使用光敏二极管的话，就只能跟得上每秒钟变化100次的激光信号（带宽为100Hz）,光纤通信高速的特点就会完全失去了。
1701076811
1701076812
探索与发现
1701076813
1701076814
光纤通信技术的基本原理（见图9.10）和我们上面所制作的装置其实是很相似的，只不过在一切都数字化的今天，我们对激光亮度的调制也只有开和关两种状态（对应于1和0），这样的信号对噪声的抵御能力大大加强。另外，光纤的发明使得激光通信开始真正地进入应用阶段，这样光信号可以朝任意方向，以极低的损耗，高速传递大量的信息。“光纤之父”华人物理学家高锟先生也因此获得了2009年的诺贝尔物理学奖。
1701076815
1701076816
1701076817
1701076818
1701076819
图9.10 光纤通信示意图
1701076820
1701076821
我有几个朋友是研究光纤通信的，我从他们那里要来了一段研究用的光纤，如图9.11所示，你也可以从网上买到一些带有光纤的玩具。商用的光纤一般都是用纯度极高的二氧化硅（玻璃的主要成分）做成，与普通易碎的玻璃不同，当二氧化硅在高温下融化并被拉成直径在10μm（0.01mm）左右的细丝时，它就变得非常柔韧，可以如图9.11那样弯折了。古人所谓百炼钢成绕指柔大概就是这种意境。
1701076822
1701076823
1701076824
1701076825