闲话基本原理

1880年2月的一天，美国首都华盛顿，天寒地冻，万里无云，是冬天里难得的一个大晴天。大街上熙熙攘攘，没有人注意到街边一栋小楼顶上一个中年男子站在一台奇怪的机器面前，手舞足蹈地说着话。两百多米以外的另一栋小楼顶上，一个年轻人同样站在一台类似的机器面前，也在兴奋地说着，他们面对着彼此指手画脚，似乎在聊天。但是这么远的距离能听到彼此吗？几天后，《纽约时报》等各大报纸都刊登了一条消息，电话的发明者Alexander Bell（亚历山大·贝尔）博士和助手Charles Tainter先生的最新发明：用阳光传递声音的机器！

这便是世界上第一台用光传递信息的无线通信设备Photophone（光电话）。贝尔认为这是他一生中最重要的工作，他是如此中意这项发明，甚至想把自己将要诞生的女儿命名为“Photophone”（被妻子及时制止了）。然而Photophone并没有像贝尔几年前发明的电话那样广泛流行，人们总不能天一黑就不能打“光”电话了吧！这项超越时代的发明渐渐被人遗忘，它仅仅短暂地出现在二次世界大战的战场上，被用作战舰之间传递信息的工具—因为无线电通信所用的电波向四面八方传播，敌人在远处用天线就可以截获；而这种光电话的信号只沿着发射装置和接收装置之间的直线传播，无法被偷听。直到20世纪60年代激光的发明，20世纪70年代光纤的进展，贝尔Photophone的基本原理被发扬光大，形成了高流量、低成本、远距离的现代光纤通信技术。毫无疑问，当今世界的运转已经离不开那一根根埋在泥土底下和大洋深处的光纤了。贝尔泉下有知，当会为自己的高瞻远瞩而欣慰。

图1.1 光电话的发射端（取自维基百科“Photophone”词条）

图1.2 光电话的接收端（取自维基百科“Photophone”词条）

图1.1和图1.2生动地再现了当年贝尔和助手Tainter进行实验的场景。在图1.1中的发射端，一束明媚的阳光（近似平行光线）通过平面镜的反射以及透镜的汇聚以后变成发散光线，落到一个话筒上，它是一个圆筒，末端装着一面很薄的镜子。对着话筒说话产生的空气振动能够让镜子微小地改变形状。随着声波的频率，它时而变成凹面镜，导致其反射的光束发散程度减少；时而变成凸面镜，导致其反射的光束发散程度增加。在接收端，一个抛物面形的反射镜用来接收发射端送来的光线。发散程度小的光束几乎完全能被反射镜接收到，而发散程度大的光束经过长距离传输后，散得比较开，只有一部分光被反射镜接收，其余部分落到了反射镜外面。接收到的光被抛物面形的反射镜汇聚到焦点上，那里放着一块晶体硒，其作用类似于现在的光敏电阻，电阻值会随着光照强度而变化。如果在它两端接上电池，这样光的强弱信号就被转化成了电流的强弱信号，从而推动扬声器发声，完成了从声到光，从光到电，从电到声的转换过程。

在接下来的“动手实践”一节中，我们将用便宜的激光二极管代替贝尔的阳光，来重现这一有趣的发明。