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图9.7 光电二极管（太阳能电池）的工作原理
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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。
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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）。
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图9.8 接收端采用光敏电阻的电路
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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。
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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
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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。
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探索与发现
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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。
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图9.10 光纤通信示意图
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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。
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图9.11 光纤
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光纤之所以能够引导光线传输，利用的是光在两种折射率不同的介质交界面上的全反射（现在科学家们正在研究其他结构的光纤，比如光子晶体光纤，其传导光的机制就和这个完全不同了，有兴趣的读者可以通过搜索了解详情）。图9.12（A）展示了一根光纤的两层结构。通过在二氧化硅中参入不同的其他微量成分，我们可以改变它的折射率，使得光纤的内芯具有较高的折射率（n1），而外层具有较低的折射率（n2）。我们知道光线从高折射率的介质进入低折射率的介质时能发生全反射（见图9.12（B））。当入射角θ满足关系：sinθ>n2/n1时，入射光都被完全反射了，所以光的能量在光纤里传递很远的距离而不会有大的损耗（光纤中，光能的损耗主要来自于二氧化硅中极少量的杂质对光的吸收和散射）。而传统的铜缆则不同，因为铜有电阻，它会吸收电信号的能量转化为热能；而且随着传递的信号频率增加，它的电阻越来越大，信号传出去没几十米就衰减得无法探测到了，所以不能用铜缆实现远距离高流量的传输。
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图9.12 （A）光纤的两层结构；（B）全反射示意图
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光纤技术仍然是当前科学研究的一个热门方向。如何进一步提高光纤的带宽（即传输数据的速度）是大家最关心的问题。虽然我觉得目前的网络已经足够快了，但是也许未来更快的光纤通信能够实现一些现在还无法想像的事情，等本书下一次出版时再聊吧！
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[1].本章是对我在《无线电》杂志2012年第4期发表的一篇文章的改写和扩充。
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