为什么“电”在高速通讯上不行了？
为什么“电”在高速通讯上不行了？
摘要：本文介绍从“电”到“光”传输”背后的物理与工程逻辑，也是为什么整个数据中心、AI互连都会迁移到“光”的根本原因。本文将帮你从 能量传输、物理限制、实现机制 的角度，一步步讲清楚：
🧱 一、为什么“电”在高速通讯上不行了？
电信号的本质是 导体中电子运动，它的带宽有三个物理限制：
🔹 1. 导体损耗（衰减）
在PCB铜线或电缆中：
- 高频信号的电流主要走在导体表面（集肤效应）；
- 随频率升高，有效导电面积减小；
- 电阻增大，导致高频分量被削弱；
- 因此信号越快，波形失真越严重。
损耗与频率大约呈 √f～f 级上升。
例如：
- 10GHz以下还好；
- 56GHz PAM4 (~112Gbps) 已经很难保持信号完整；
- 224G PAM5 以上几乎不可能在几十厘米外还能传得清楚。
🔹 2. 介质损耗
高速信号在PCB/电缆中传播不是纯导体，而是 “电磁波在介质中的传播” ，
- PCB材料 (如FR-4, Megtron 6) 对高频信号吸收严重；
- 每米损耗可达数dB。
即使你有“超低损耗”材料，也无法覆盖数米以上距离。
🔹 3. 串扰与反射
- 当多通道（多lane）信号在同一背板/电缆里传输时，会互相干扰；
- 板层之间阻抗匹配不完美 → 反射；
- 反射+串扰会导致眼图闭合，误码率飙升。
因此，在服务器主板内、交换机板上，相距几十厘米的高速电连接口，
都要靠复杂的均衡器（DFE、FIR、CTLE）“拼命修正波形”，
每次捕获一个bit都要额外耗费能量。
🔻结论：
电信号在几十 GHz 以上、距离超过几十厘米的场合，
能量浪费 + 信号衰减 让它几乎不可持续。
这就是为什么数据中心和芯片互联都在转向光传输。
💡 二、光信号虽然也会衰减，但“衰减方式不一样”
🔹 光纤中的信号载体是 光子
光信号传播的是 光波（光子流），在介质中不涉及电荷迁移，因此：
| 物理传输通道 | 载体 | 典型损耗 |
|---|---|---|
| 铜线 | 电子流 | >1000 dB/km（GHz级信号） |
| 光纤 | 光子流 | ≈0.1～0.2 dB/km（1550nm波长） |
换句话说：
在几米、几十米、乃至几公里内，光信号几乎不会衰减。
🔹 光衰减的主要来源：
- 光纤内的材料吸收（极小，~0.15 dB/km）
- 光纤弯折时的散射
- 接头、连接器的反射损耗（每个连接点约0.1~0.5 dB）
所以在机房内部、机架间几米范围下，
光损耗可以忽略不计。
🔧 三、那为什么“光猫”容易坏？
这是一个现实层面问题。
但其实与光纤本身没有关系，更不是光信号脆弱，而是：
- 光猫=集成了电接口、电源、光收发器的家用设备；
- 它的失效多来自：
- 电源稳压模块；
- 温度老化；
- 激光器老化（几十 mW 功率级，成本低）；
- 光纤插头污染、灰尘；
- 软件故障。
而在数据中心和光通信设备中使用的光模块或CPO，是工业级、温度控制精密、光功率低、封装防护好，稳定性非常高（MTBF > 1百万小时）。
所以：
“光猫容易坏” ≠ “光纤或光通信不可靠”。
工业级光互连系统寿命比电连接器长得多。
⚙️ 四、电信号 ↔ 光信号 的转换原理
这个就是“光电转换”的核心。我们分成两边看：
🔹 1️⃣ 从 电信号 → 光信号 （发射端）
这一步是透过**发射器（Transmitter）**实现，一般包含三个部分：
| 模块 | 功能 | 物理原理 |
|---|---|---|
| Driver 电路 | 把数字电压信号放大成适合调制的电流 | 电流驱动能力强（上 GHz） |
| 激光源 (Laser, VCSEL / DFB / EML) | 提供稳定连续光（1550nm或1310nm） | 半导体受激辐射产生光子 |
| 调制器 (Modulator) | 根据电信号“调制”光强/相位 | MZM或EAM改变光传输强度或相位 |
🔸 常见调制形式：
- NRZ / PAM4： 光强（Intensity）不同 — 代表不同电平；
- 相位调制（QPSK / DP-QPSK）： 改变光波相位；
- 相干光通信中甚至能调幅 + 调相 + 调偏振（PM-QAM），极高带宽。
简化感受：
把“1/0”的电压信号 → 变成“亮/暗”的光强变化。
🔹 2️⃣ 光信号在光纤中传播
光在玻璃纤芯中以全反射方式传播。
能量沿芯内弹射前进，几乎无耗损。
（只要弯曲半径够大，就能保持信号完整）
🔹 3️⃣ 从 光信号 → 电信号 （接收端）
由**光接收器（Receiver）**完成，主要包括：
| 模块 | 功能 | 原理 |
|---|---|---|
| 光电探测器（PD，Photo Diode） | 感受光子 → 生成电子流 | 光照导致电子跃迁，形成微电流 (光电效应) |
| 跨阻放大器（TIA） | 把微安级光生电流放大成可识别电压 | 运算放大器结构 |
| Equalizer / DSP | 数字均衡、时钟恢复、解调 | 把光波形还原成序列比特流 |
光子 → 电子信号的这一过程是通过量子效应实现的：
每个光子撞击探测器 → 激发一个电子跃迁 → 电流脉冲 → 模拟出数字波形。
整个“收—发”过程在纳秒尺度完成。
🔹 光电转换全过程示意
电数字信号 ──▶ Driver ─▶ 激光器 ─▶ 光纤 ─▶ 光电二极管 ─▶ TIA/DSP ─▶ 电信号输出（放大） （光调制） （光电效应） （解调/恢复）
🔬 五、总结对比：电 vs 光
| 指标 | 电信号 | 光信号 |
|---|---|---|
| 载体 | 电子流 | 光子流 |
| 带宽潜力 | <100GHz | 数十 THz（几万倍） |
| 损耗 | 高，随距离平方增加 | 极低（<0.2 dB/km） |
| 抗干扰 | 低，易受EMI影响 | 高，不受电磁干扰 |
| 能效 | 随速率上升迅速恶化 | 与速率几乎无关 |
| 实现难度 | 成本低，成熟 | 封装与对准要求高 |
| 最佳应用范围 | 短距离、低速 | 长距离、高速、多通道 |
🌍 六、为什么未来必须“从电转光”
功耗壁垒：
56G → 112G → 224G 扩展下，电传输能耗无法支撑，CPO 光互连平均可降低 40% 功耗。带宽需求：
AI 集群内部每张 GPU 之间的双向带宽正在进入 Tb/s 级。距离扩大：
机架内、机架间数米–数十米铜线成本与损耗巨大，光传输几乎零损。聚合趋势：
光模块开始进入封装内（CPO / In-package Photonics），
光成为芯片的原生I/O。
✅ 七、总结一句话
电信号的限制在导体，而光信号的自由在介质。
光当然也会衰减，但它的损耗规律完全不同，衰减率小几个数量级。
光猫坏不是光本身不可靠，而是设备品质问题。
而光电转换则是通过 半导体的光电效应，把电子的世界和光子的世界连接在一起。