Usar a luz para comunicação não é um conceito totalmente novo. Na China antiga, o uso de torres de sinalização para avisos é o melhor exemplo de comunicação visual por luz. Os europeus que usam semáforos para transmitir informações também podem ser considerados formas primitivas de comunicação óptica.
O protótipo da comunicação óptica moderna remonta à invenção do fotofone por Bell em 1880. Ele usou a luz solar como fonte de luz, focando o feixe de luz através de uma lente em um espelho vibratório na frente do transmissor, fazendo com que a intensidade da luz variasse com as mudanças de voz, conseguindo assim a modulação de voz da intensidade da luz. Na extremidade receptora, um refletor parabólico refletia o feixe de luz transmitido através da atmosfera para uma bateria, com cristais de selênio servindo como dispositivo óptico de detecção de recepção, convertendo o sinal óptico em corrente elétrica. Desta forma, os sinais de voz foram transmitidos com sucesso através do espaço atmosférico. Devido à falta de fontes de luz e meios de transmissão ideais na época, este fotofone tinha uma distância de transmissão muito curta e nenhum valor de aplicação prática, resultando em um desenvolvimento lento. Porém, o fotofone ainda foi uma grande invenção, pois comprovou a viabilidade do uso de ondas de luz como portadores para transmitir informações. Portanto, o fotofone de Bell pode ser considerado o protótipo da comunicação óptica moderna.
A invenção das lâmpadas possibilitou que as pessoas construíssem sistemas simples de comunicação óptica, utilizando-as como fontes de luz, como comunicação entre navios e entre navios e terra, sinais de mudança de direção de automóveis, semáforos, etc. Na verdade, qualquer tipo de luz indicadora é um sistema básico de comunicação óptica. Em muitos casos, diodos emissores de luz fluorescente-de amplo espectro podem ser usados como fontes de luz. Em 1960, o americano Maiman inventou o primeiro laser de rubi, que de certa forma resolveu o problema da fonte de luz e trouxe uma nova esperança à comunicação óptica. Comparados com a luz comum, os lasers têm características excelentes, como largura espectral estreita, direcionalidade extremamente boa, brilho extremamente alto e frequência e fase relativamente consistentes. Os lasers são luzes altamente coerentes, com características semelhantes às ondas de rádio, o que os torna portadores ópticos ideais. Após o laser de rubi, lasers de hélio-néon (He-Ne) e lasers de dióxido de carbono (CO₂) apareceram sucessivamente e foram colocados em uso prático. A invenção e aplicação dos lasers trouxeram a comunicação óptica, que estava adormecida há 80 anos, para um novo estágio.
A invenção dos lasers de estado-sólido aumentou muito a potência óptica transmitida e estendeu a distância de transmissão, permitindo que a comunicação por laser atmosférico fosse usada nas margens dos rios, entre ilhas e em determinadas situações específicas. No entanto, a estabilidade e a confiabilidade da comunicação atmosférica a laser ainda permaneciam sem solução. É viável usar ondas de luz que transportam informações para alcançar comunicação ponto{3}}a{4}}ponto por meio da propagação atmosférica, mas a capacidade e a qualidade da comunicação são severamente afetadas pelo clima. Devido à absorção e dispersão pela chuva, nevoeiro, neve e poeira atmosférica, a atenuação da energia das ondas luminosas é significativa; além disso, a não-uniformidade na densidade atmosférica e na temperatura causa alterações no índice de refração, resultando em mudanças na posição do feixe. Portanto, a distância e a estabilidade da comunicação do laser atmosférico são muito limitadas, incapazes de alcançar a comunicação em "qualquer-clima".
1970 foi um ano brilhante na história da comunicação por fibra óptica. A Corning Company nos Estados Unidos desenvolveu com sucesso fibra óptica de quartzo com uma perda de 20dB/km, permitindo que a comunicação por fibra óptica competisse com a comunicação por cabo coaxial, revelando assim as perspectivas brilhantes da comunicação por fibra óptica e levando países ao redor do mundo a investir sucessivamente recursos humanos e materiais substanciais, empurrando a pesquisa e o desenvolvimento da comunicação por fibra óptica para um novo estágio. Em 1972, a Corning Company desenvolveu fibra óptica multimodo de quartzo de alta-pureza, reduzindo a perda para 4dB/km. Em 1973, os Laboratórios Bell nos Estados Unidos alcançaram resultados ainda melhores, reduzindo a perda de fibra óptica para 2,5 dB/km, e reduzindo ainda mais para 1,1 dB/km em 1974. Em 1976, empresas japonesas, incluindo a Nippon Telegraph and Telephone (NTT), reduziram a perda de fibra óptica para 0,47 dB/km (em um comprimento de onda de 1,2 μm).
Em 1970, também foram feitos progressos substanciais nas fontes de luz para comunicação por fibra óptica. Naquele ano, Bell Laboratories nos Estados Unidos, Nippon Electric Company (NEC) no Japão e a antiga União Soviética romperam sucessivamente as limitações dos lasers semicondutores trabalhando em baixas temperaturas (-200 graus) ou sob condições de excitação pulsada, desenvolvendo com sucesso arsenieto de alumínio e gálio (GaAlAs) lasers semicondutores de heteroestrutura dupla (onda curta) que poderiam oscilar continuamente à temperatura ambiente, estabelecendo as bases para o desenvolvimento de lasers semicondutores. Em 1973, a vida útil dos lasers semicondutores atingiu 7×10³h. Em 1977, os lasers semicondutores desenvolvidos pelos Laboratórios Bell atingiram uma vida útil de 100.000 h (aproximadamente 11,4 anos), com uma vida útil extrapolada de 1 milhão de h, atendendo plenamente aos requisitos práticos. Em 1976, a Nippon Telegraph and Telephone Company desenvolveu com sucesso lasers de fosfeto de arsenieto de índio e gálio (InGaAsP) emitindo em um comprimento de onda de 1,3 μm. Em 1979, a AT&T Company nos Estados Unidos e a Nippon Telegraph and Telephone Company no Japão desenvolveram com sucesso lasers semicondutores de oscilação contínua emitindo em um comprimento de onda de 1,55 μm.
Em 1976, os Estados Unidos conduziram testes de campo do primeiro sistema prático de comunicação por fibra óptica do mundo em Atlanta. O sistema utilizou lasers GaAlAs como fontes de luz e fibra óptica multimodo como meio de transmissão, com taxa de 44,7Mbit/s e distância de transmissão de aproximadamente 10km. Em 1980, o sistema padronizado de comunicação de fibra óptica FT-3 nos Estados Unidos foi colocado em uso comercial. O sistema usou fibra óptica multimodo de índice-classificado com uma taxa de 44,7 Mbit/s. Posteriormente, os Estados Unidos estabeleceram rapidamente linhas troncais leste-oeste e linhas troncais norte-sul, cruzando 22 estados, com um comprimento total de cabo óptico de 5×10⁴km. Em 1976 e 1978, o Japão conduziu sucessivamente testes de sistemas de comunicação de fibra óptica multimodo de índice escalonado com uma taxa de 34 Mbit/s e uma distância de transmissão de 64 km, bem como sistemas de comunicação de fibra óptica multimodo de índice- graduado com uma taxa de 100 Mbit/s. Em 1983, o Japão estabeleceu uma linha tronco de cabo óptico de longa distância que atravessa o país de norte a sul, com um comprimento total de 3.400 km, uma taxa de transmissão inicial de 400 Mbit/s, posteriormente expandida para 1,6 Gbit/s. Posteriormente, o sistema de comunicação por cabo óptico submarino TAT-8 através do Oceano Atlântico, iniciado pelos Estados Unidos, Japão, Reino Unido e França, foi concluído em 1988, com comprimento total de 6,4×10³km; o primeiro sistema de comunicação por cabo óptico submarino TPC-3/HAW-4 através do Oceano Pacífico foi concluído em 1989, com um comprimento total de 1,32×10⁵km. Desde então, a construção de sistemas de comunicação por cabos ópticos submarinos foi totalmente desenvolvida, promovendo o desenvolvimento de redes globais de comunicação.
Desde que Kao propôs o conceito de fibra óptica como meio de transmissão em 1966, a comunicação por fibra óptica desenvolveu-se muito rapidamente da pesquisa à aplicação, com atualizações e gerações tecnológicas contínuas, melhorando continuamente as capacidades de comunicação (taxa de transmissão e distância do repetidor) e expandindo continuamente o escopo de aplicação. O desenvolvimento da comunicação óptica pode ser dividido nas cinco etapas a seguir:
A primeira etapa: Este foi o período desde a pesquisa básica até o desenvolvimento de aplicações comerciais. Começando em 1976, seguindo de perto as etapas de pesquisa e desenvolvimento, após muitos testes de campo, em 1978, o sistema de ondas ópticas de primeira geração operando em comprimento de onda de 0,8 μm foi oficialmente colocado em uso comercial, realizando sistemas de comunicação de fibra óptica multimodo de comprimento de onda curto (0,85 μm) e baixa taxa (45 Mbit/s ou 34 Mbit/s). Surgiu a fibra óptica com perda de 2dB/km, com distância de transmissão sem{9}}repetidora de aproximadamente 10km e capacidade máxima de comunicação de aproximadamente 500Mbit/(s·km). Em comparação com os sistemas de cabo coaxial, a comunicação por fibra óptica estendeu as distâncias dos repetidores, reduziu os custos de investimento e manutenção, atendendo às metas de engenharia e operações comerciais, e a comunicação por fibra óptica tornou-se uma realidade.
A segunda etapa: Este foi um período prático com objetivos de pesquisa para melhorar as taxas de transmissão e aumentar as distâncias de transmissão, e promover vigorosamente as aplicações. Durante esse período, a fibra óptica evoluiu de multimodo para modo-único, comprimentos de onda de trabalho desenvolvidos de comprimentos de onda curtos (0,85μm) a comprimentos de onda longos (1,31μm e 1,55μm), alcançando comunicação de fibra óptica de modo-único com um comprimento de onda de trabalho de 1,31μm e taxas de transmissão de 140565Mbit/s. A perda de fibra óptica foi ainda mais reduzida para níveis de 0,5dB/km (1,31μm) e 0,2dB/km (1,55μm), com distâncias de transmissão sem{13}repetidores de 50.100 km.
A terceira etapa: este foi um período com metas de capacidade ultra{0}}grande e distância ultra{1}}longa, realizando pesquisas abrangentes e completas sobre novas tecnologias. Durante esse período, foi realizada comunicação de fibra óptica de modo único-com dispersão de 1,55μm-deslocada. Este sistema de comunicação de fibra óptica utilizou tecnologia de modulação externa, com taxas de transmissão atingindo 2,510 Gbit/s e distâncias de transmissão sem{8}repetidores atingindo 100-150 km. Os laboratórios poderiam atingir níveis ainda mais elevados.
A quarta etapa: Os sistemas de comunicação de fibra óptica foram caracterizados pelo uso de amplificadores ópticos para aumentar as distâncias dos repetidores e pelo uso da tecnologia de multiplexação por divisão de comprimento de onda para aumentar as taxas de bits e as distâncias dos repetidores. Como esses sistemas às vezes usavam esquemas homódinos ou heteródinos, eles também eram chamados de sistemas coerentes de comunicação por ondas ópticas. Nesta fase, nos sistemas de comunicação de fibra óptica, a perda de fibra óptica foi compensada por amplificadores de fibra óptica (EDFA) e, após a compensação, a transmissão ao longo de milhares de quilómetros foi possível. Em um experimento, um acoplador em estrela foi usado para obter multiplexação de dados de 100-canais de 622 Gbit/s em uma distância de transmissão de 50 km, com diafonia entre canais insignificante; em outro experimento, com taxa de canal único de 2,5 Gbit/s, sem uso de regeneradores, a perda da fibra óptica foi compensada por EDFA, com espaçamento entre amplificadores de 80km e distância de transmissão de 2.223km. O uso de tecnologia de detecção coerente em sistemas de ondas ópticas não era um pré-requisito para o uso do EDFA. Alguns laboratórios usaram loops circulantes para atingir 2,4 Gbit/s, 2,1×10⁴km e 5 Gbit/s, 1,4×10⁴km de transmissão de dados. O advento dos amplificadores de fibra óptica causou grandes mudanças no campo da comunicação por fibra óptica.
A quinta etapa: os sistemas de comunicação de fibra óptica foram baseados em compressão não linear para compensar o alargamento da dispersão da fibra óptica, alcançando a transmissão conforme de sinais de pulso, a chamada-comunicação sóliton óptica. Esta fase durou mais de 20 anos e alcançou progressos inovadores. Embora esta ideia básica tenha sido proposta em 1973, foi somente em 1988 que os Laboratórios Bell usaram compensação de perda de espalhamento Raman estimulado para perda de fibra óptica, transmitindo dados em 4×10³km, e no ano seguinte estenderam a distância de transmissão para 6×10³km. O EDFA começou a ser usado para amplificação óptica de solitons em 1989. Ele apresentava maiores vantagens na prática de engenharia e, desde então, alguns laboratórios internacionais famosos começaram a verificar o enorme potencial da comunicação óptica de solitons como comunicação de alta-velocidade e longa-distância. De 1990 a 1992, laboratórios nos Estados Unidos e no Reino Unido usaram loops circulantes para transmitir dados de 2,5 Gbit/s e 5 Gbit/s em mais de 1×10⁴km; Laboratórios japoneses transmitiram dados de 10 Gbit/s em 1×10⁶km. Em 1995, laboratórios franceses transmitiram dados de 20 Gbit/s ao longo de 1×10⁶km, com uma distância de repetidor de 140km. Em 1995, laboratórios britânicos transmitiram dados de 20 Gbit/s ao longo de 8.100 km e dados de 40 Gbit/s ao longo de 5.000 km. Testes de campo de sistemas sóliton ópticos lineares também foram conduzidos em redes de área metropolitana ao redor de Tóquio, Japão, transmitindo dados de 10 Gbit/s e 20 Gbit/s em 2,5×10³km e 1×10³km, respectivamente. Em 1994 e 1995, dados de alta-velocidade de 80 Gbit/s e 160 Gbit/s também foram transmitidos por 500 km e 200 km, respectivamente.
