Usare la luce per comunicare non è un concetto del tutto nuovo. Nell'antica Cina, l'uso di torri faro per gli avvertimenti è il miglior esempio di comunicazione visiva tramite luce. Anche gli europei che utilizzano il semaforo per trasmettere informazioni possono essere considerati forme primitive di comunicazione ottica.
Il prototipo della moderna comunicazione ottica può essere fatto risalire all'invenzione del fotofono da parte di Bell nel 1880. Usò la luce solare come fonte di luce, focalizzando il raggio di luce attraverso una lente su uno specchio vibrante davanti al trasmettitore, facendo variare l'intensità della luce con i cambiamenti della voce, ottenendo così la modulazione vocale dell'intensità della luce. All'estremità ricevente, un riflettore parabolico rifletteva il raggio luminoso trasmesso attraverso l'atmosfera su una batteria, con cristalli di selenio che fungevano da dispositivo di rilevamento ottico della ricezione, convertendo il segnale ottico in corrente elettrica. In questo modo, i segnali vocali venivano trasmessi con successo attraverso lo spazio atmosferico. A causa della mancanza di sorgenti luminose e mezzi di trasmissione ideali all'epoca, questo fotofono aveva una distanza di trasmissione molto breve e nessun valore applicativo pratico, con conseguente sviluppo lento. Tuttavia, il fotofono rimase comunque una grande invenzione, poiché dimostrò la fattibilità dell’uso delle onde luminose come portatori per trasmettere informazioni. Pertanto, il fotofono di Bell può essere considerato il prototipo della moderna comunicazione ottica.
L'invenzione delle lampade ha permesso alle persone di costruire semplici sistemi di comunicazione ottica, utilizzandoli come fonti di luce, come la comunicazione tra navi e tra navi e terra, indicatori di direzione delle automobili, luci dei semafori, ecc. In effetti, qualsiasi tipo di indicatore luminoso è un sistema di comunicazione ottica di base. In molti casi, come sorgenti luminose è possibile utilizzare diodi emettitori di luce fluorescente ad ampio-spettro-. Nel 1960, l’americano Maiman inventò il primo laser a rubino, che in un certo senso risolse il problema della sorgente luminosa e portò nuova speranza alla comunicazione ottica. Rispetto alla luce ordinaria, i laser hanno caratteristiche eccellenti come larghezza spettrale ridotta, direzionalità estremamente buona, luminosità estremamente elevata e frequenza e fase relativamente costanti. I laser sono luce altamente coerente, con caratteristiche simili alle onde radio, che li rendono portanti ottici ideali. Dopo il laser a rubino apparvero e furono messi in pratica i laser all'elio-neon (He-Ne) e i laser all'anidride carbonica (CO₂). L'invenzione e l'applicazione dei laser hanno portato la comunicazione ottica, rimasta inattiva per 80 anni, in una fase completamente nuova.
L'invenzione dei laser a stato solido- ha aumentato notevolmente la potenza ottica trasmessa e ha esteso la distanza di trasmissione, consentendo l'utilizzo della comunicazione laser atmosferica attraverso le sponde dei fiumi, tra le isole e in alcune situazioni specifiche. Tuttavia, la stabilità e l’affidabilità della comunicazione laser atmosferica rimanevano ancora irrisolte. L'utilizzo delle onde luminose che trasportano informazioni per ottenere una comunicazione punto-a-punto attraverso la propagazione atmosferica è fattibile, ma la capacità e la qualità della comunicazione sono gravemente influenzate dal clima. A causa dell'assorbimento e della diffusione da parte di pioggia, nebbia, neve e polvere atmosferica, l'attenuazione dell'energia delle onde luminose è significativa; inoltre, la non-uniformità nella densità atmosferica e nella temperatura provoca cambiamenti nell'indice di rifrazione, con conseguenti spostamenti della posizione del raggio. Pertanto, la distanza e la stabilità della comunicazione laser atmosferica sono notevolmente limitate e non sono in grado di raggiungere una comunicazione "per qualsiasi tempo".
Il 1970 è stato un anno brillante nella storia delle comunicazioni in fibra ottica. La Corning Company negli Stati Uniti ha sviluppato con successo la fibra ottica al quarzo con una perdita di 20 dB/km, consentendo alla comunicazione in fibra ottica di competere con la comunicazione via cavo coassiale, rivelando così le brillanti prospettive della comunicazione in fibra ottica e spingendo i paesi di tutto il mondo a investire successivamente notevoli risorse umane e materiali, spingendo la ricerca e lo sviluppo della comunicazione in fibra ottica verso una nuova fase. Nel 1972, la Corning Company sviluppò la fibra ottica multimodale al quarzo ad alta-purezza, riducendo la perdita a 4 dB/km. Nel 1973, i Bell Laboratories negli Stati Uniti ottennero risultati ancora maggiori, riducendo la perdita di fibra ottica a 2,5 dB/km e riducendola ulteriormente a 1,1 dB/km nel 1974. Nel 1976, aziende giapponesi, tra cui Nippon Telegraph and Telephone (NTT), ridussero la perdita di fibra ottica a 0,47 dB/km (a una lunghezza d'onda di 1,2 μm).
Nel 1970 furono compiuti progressi sostanziali anche nelle sorgenti luminose per le comunicazioni in fibra ottica. Quell'anno, i Bell Laboratories negli Stati Uniti, la Nippon Electric Company (NEC) in Giappone e l'ex Unione Sovietica riuscirono successivamente a superare i limiti dei laser a semiconduttore che funzionavano a basse temperature (-200 gradi) o in condizioni di eccitazione pulsata, sviluppando con successo laser a semiconduttore a doppia eterostruttura (onda corta) all'arseniuro di gallio e alluminio (GaAlAs) che potevano oscillare continuamente a temperatura ambiente, gettando le basi per lo sviluppo dei laser a semiconduttore. Nel 1973, la durata dei laser a semiconduttore raggiunse le 7×10³h. Nel 1977, i laser a semiconduttore sviluppati dai Bell Laboratories raggiunsero una durata di 100.000 ore (circa 11,4 anni), con una durata estrapolata di 1 milione di ore, soddisfacendo pienamente i requisiti pratici. Nel 1976, la Nippon Telegraph and Telephone Company ha sviluppato con successo laser al fosfuro di indio gallio arseniuro (InGaAsP) che emettono ad una lunghezza d'onda di 1,3 μm. Nel 1979, la AT&T Company negli Stati Uniti e la Nippon Telegraph and Telephone Company in Giappone svilupparono con successo laser a semiconduttore a oscillazione continua che emettono ad una lunghezza d'onda di 1,55μm.
Nel 1976, gli Stati Uniti condussero prove sul campo del primo pratico sistema di comunicazione in fibra ottica al mondo ad Atlanta. Il sistema utilizzava laser GaAlAs come sorgenti luminose e fibra ottica multimodale come mezzo di trasmissione, con una velocità di 44,7 Mbit/s e una distanza di trasmissione di circa 10 km. Nel 1980, il sistema di comunicazione in fibra ottica standardizzato FT-3 negli Stati Uniti venne utilizzato a livello commerciale. Il sistema utilizzava fibra ottica multimodale con indice graduato-con una velocità di 44,7 Mbit/s. Successivamente, gli Stati Uniti posarono rapidamente linee est-ovest e nord-sud, attraversando 22 stati, con una lunghezza totale del cavo ottico di 5×10⁴km. Nel 1976 e nel 1978, il Giappone condusse successivamente prove di sistemi di comunicazione in fibra ottica multimodale a indice graduale-con una velocità di 34 Mbit/s e una distanza di trasmissione di 64 km, nonché di sistemi di comunicazione in fibra ottica multimodale a indice graduale-con una velocità di 100 Mbit/s. Nel 1983, il Giappone ha posato una linea principale di cavi ottici a lunga distanza che corre da nord a sud attraverso il paese, con una lunghezza totale di 3400 km, una velocità di trasmissione iniziale di 400 Mbit/s, successivamente ampliata a 1,6 Gbit/s. Successivamente, il sistema di comunicazione sottomarino via cavo ottico TAT-8 attraverso l'Oceano Atlantico, avviato da Stati Uniti, Giappone, Regno Unito e Francia, è stato completato nel 1988, con una lunghezza totale di 6,4×10³ km; il primo sistema di comunicazione via cavo ottico sottomarino TPC-3/HAW-4 attraverso l'Oceano Pacifico è stato completato nel 1989, con una lunghezza totale di 1,32×10⁵km. Da allora, la costruzione di sistemi di comunicazione sottomarini via cavo ottico è stata pienamente sviluppata, favorendo lo sviluppo di reti di comunicazione globali.
Da quando Kao ha proposto il concetto di fibra ottica come mezzo di trasmissione nel 1966, la comunicazione in fibra ottica si è sviluppata molto rapidamente dalla ricerca all'applicazione, con continui aggiornamenti e generazioni tecnologiche, migliorando continuamente le capacità di comunicazione (velocità di trasmissione e distanza del ripetitore) e ampliando continuamente l'ambito applicativo. Lo sviluppo della comunicazione ottica può essere approssimativamente suddiviso nelle seguenti cinque fasi:
La prima fase: questo era il periodo che va dalla ricerca di base allo sviluppo di applicazioni commerciali. A partire dal 1976, seguendo da vicino le fasi di ricerca e sviluppo, dopo numerose prove sul campo, nel 1978, il sistema di onde ottiche di prima generazione operante alla lunghezza d'onda di 0,8μm è stato ufficialmente messo in uso commerciale, realizzando sistemi di comunicazione in fibra ottica multimodale a lunghezza d'onda corta (0,85μm) e a bassa velocità (45 Mbit/s o 34 Mbit/s). È emersa la fibra ottica con una perdita di 2 dB/km, con una distanza di trasmissione senza ripetitore di circa 10 km e una capacità di comunicazione massima di circa 500 Mbit/(s·km). Rispetto ai sistemi di cavi coassiali, la comunicazione in fibra ottica ha esteso le distanze dei ripetitori, ridotto i costi di investimento e di manutenzione, soddisfacendo gli obiettivi di ingegneria e operazioni commerciali, e la comunicazione in fibra ottica è diventata una realtà.
La seconda fase: questo è stato un periodo pratico con obiettivi di ricerca volti a migliorare le velocità di trasmissione e aumentare le distanze di trasmissione e a promuovere vigorosamente le applicazioni. Durante questo periodo, la fibra ottica si è sviluppata da multimodale a monomodale-, le lunghezze d'onda di lavoro si sono sviluppate da lunghezze d'onda corte (0,85μm) a lunghezze d'onda lunghe (1,31μm e 1,55μm), ottenendo una comunicazione in fibra ottica monomodale-modale con una lunghezza d'onda operativa di 1,31μm e velocità di trasmissione di 140565Mbit/s. La perdita della fibra ottica è stata ulteriormente ridotta a livelli di 0,5 dB/km (1,31 μm) e 0,2 dB/km (1,55 μm), con distanze di trasmissione senza ripetitore di 50100 km.
La terza fase: questo è stato un periodo con obiettivi di capacità ultra-grande e distanza ultra-lunga, portando avanti in modo completo e approfondito la ricerca sulle nuove tecnologie. Durante questo periodo, è stata realizzata la comunicazione in fibra ottica monomodale-con dispersione di 1,55 μm. Questo sistema di comunicazione in fibra ottica utilizzava la tecnologia di modulazione esterna, con velocità di trasmissione che raggiungevano 2,510 Gbit/s e distanze di trasmissione senza-ripetitore che raggiungevano 100150 km. I laboratori potrebbero raggiungere livelli ancora più elevati.
La quarta fase: i sistemi di comunicazione in fibra ottica erano caratterizzati dall'uso di amplificatori ottici per aumentare le distanze dei ripetitori e dall'uso della tecnologia di multiplexing a divisione di lunghezza d'onda per aumentare la velocità di trasmissione e le distanze dei ripetitori. Poiché questi sistemi a volte utilizzavano schemi omodini o eterodini, venivano anche chiamati sistemi di comunicazione a onde ottiche coerenti. Nei sistemi di comunicazione in fibra ottica in questa fase, la perdita della fibra ottica veniva compensata da amplificatori in fibra ottica (EDFA) e, dopo la compensazione, era possibile la trasmissione per migliaia di chilometri. In un esperimento, è stato utilizzato un accoppiatore a stella per ottenere il multiplexing di dati a 100-canali a 622 Gbit/s su una distanza di trasmissione di 50 km, con diafonia tra canali trascurabile; in un altro esperimento, con una velocità a canale singolo di 2,5 Gbit/s, senza utilizzare rigeneratori, la perdita della fibra ottica è stata compensata da EDFA, con una spaziatura degli amplificatori di 80 km e una distanza di trasmissione di 2223 km. L'uso della tecnologia di rilevamento coerente nei sistemi a onde ottiche non era un prerequisito per l'utilizzo dell'EDFA. Alcuni laboratori avevano utilizzato circuiti di circolazione per ottenere una trasmissione dati a 2,4 Gbit/s, 2,1×10⁴km e 5Gbit/s, 1,4×10⁴km. L'avvento degli amplificatori in fibra ottica ha causato importanti cambiamenti nel campo della comunicazione in fibra ottica.
La quinta fase: i sistemi di comunicazione in fibra ottica erano basati sulla compressione non lineare per compensare l'ampliamento della dispersione della fibra ottica, ottenendo una trasmissione conforme di segnali a impulsi, la cosiddetta-comunicazione solitonica ottica. Questa fase è durata più di 20 anni e ha raggiunto progressi rivoluzionari. Sebbene questa idea di base sia stata proposta nel 1973, è stato solo nel 1988 che i Bell Laboratories hanno utilizzato la compensazione della perdita di diffusione Raman stimolata per la perdita della fibra ottica, trasmettendo dati su 4×10³km, e l'anno successivo hanno esteso la distanza di trasmissione a 6×10³km. L'EDFA iniziò ad essere utilizzato per l'amplificazione ottica dei solitoni nel 1989. Presentava maggiori vantaggi nella pratica ingegneristica e da allora alcuni famosi laboratori internazionali iniziarono a verificare l'enorme potenziale della comunicazione ottica dei solitoni come comunicazione ad alta-velocità a lunga-distanza. Dal 1990 al 1992, i laboratori negli Stati Uniti e nel Regno Unito hanno utilizzato circuiti circolari per trasmettere dati a 2,5 Gbit/s e 5 Gbit/s su più di 1×10⁴km; I laboratori giapponesi hanno trasmesso dati a 10 Gbit/s su 1×10⁶km. Nel 1995, i laboratori francesi hanno trasmesso dati a 20 Gbit/s su 1×10⁶km, con una distanza del ripetitore di 140 km. Nel 1995, i laboratori britannici hanno trasmesso dati a 20 Gbit/s su 8.100 km e dati a 40 Gbit/s su 5.000 km. Sono state condotte prove sul campo di sistemi solitonici ottici lineari anche nelle reti di aree metropolitane intorno a Tokyo, in Giappone, trasmettendo dati a 10 Gbit/s e 20 Gbit/s su 2,5×10³km e 1×10³km rispettivamente. Nel 1994 e nel 1995, i dati ad alta-velocità di 80 Gbit/s e 160 Gbit/s furono trasmessi rispettivamente su 500 km e 200 km.
