Usar la luz para la comunicación no es un concepto completamente nuevo. En la antigua China, el uso de torres de baliza para advertencias es el mejor ejemplo de comunicación visual luminosa. Los europeos que utilizan semáforos para transmitir información también pueden considerarse formas primitivas de comunicación óptica.
El prototipo de la comunicación óptica moderna se remonta a la invención del fotófono por parte de Bell en 1880. Utilizó la luz solar como fuente de luz, enfocando el haz de luz a través de una lente en un espejo vibratorio frente al transmisor, haciendo que la intensidad de la luz variara con los cambios de voz, logrando así la modulación de la intensidad de la luz por voz. En el extremo receptor, un reflector parabólico reflejaba el haz de luz transmitido a través de la atmósfera sobre una batería, con cristales de selenio que servían como dispositivo óptico de detección de recepción, convirtiendo la señal óptica en corriente eléctrica. De esta forma se transmitieron con éxito señales de voz a través del espacio atmosférico. Debido a la falta de fuentes de luz y medios de transmisión ideales en ese momento, este fotófono tenía una distancia de transmisión muy corta y ningún valor de aplicación práctica, lo que resultó en un desarrollo lento. Sin embargo, el fotófono siguió siendo un gran invento, ya que demostró la viabilidad de utilizar ondas de luz como portadores para transmitir información. Por tanto, el fotófono de Bell puede considerarse el prototipo de la comunicación óptica moderna.
La invención de las lámparas hizo posible que las personas construyeran sistemas de comunicación óptica simples, usándolos como fuentes de luz, como la comunicación entre barcos y entre barcos y tierra, señales de giro de automóviles, semáforos, etc. De hecho, cualquier tipo de luz indicadora es un sistema de comunicación óptica básico. En muchos casos, se pueden utilizar diodos emisores de luz fluorescente-de amplio-espectro-como fuentes de luz. En 1960, el estadounidense Maiman inventó el primer láser de rubí, que en cierto sentido resolvió el problema de la fuente de luz y trajo nuevas esperanzas a la comunicación óptica. En comparación con la luz ordinaria, los láseres tienen características excelentes, como una anchura espectral estrecha, una direccionalidad extremadamente buena, un brillo extremadamente alto y una frecuencia y fase relativamente consistentes. Los láseres son luz muy coherente, con características similares a las ondas de radio, lo que los convierte en portadores ópticos ideales. Después del láser de rubí, aparecieron sucesivamente y se pusieron en práctica los láseres de helio-neón (He-Ne) y de dióxido de carbono (CO₂). La invención y aplicación del láser llevó la comunicación óptica, que había estado inactiva durante 80 años, a una nueva etapa.
La invención de los láseres de estado sólido-aumentó enormemente la potencia óptica transmitida y amplió la distancia de transmisión, lo que permitió utilizar la comunicación láser atmosférica a través de riberas de ríos, entre islas y en determinadas situaciones específicas. Sin embargo, la estabilidad y fiabilidad de la comunicación láser atmosférica seguían sin resolverse. Es factible utilizar ondas de luz que transportan información para lograr comunicación punto-a-punto a través de la propagación atmosférica, pero la capacidad y la calidad de la comunicación se ven gravemente afectadas por el clima. Debido a la absorción y dispersión por la lluvia, la niebla, la nieve y el polvo atmosférico, la atenuación de la energía de las ondas luminosas es significativa; Además, la falta de uniformidad en la densidad y la temperatura atmosféricas provoca cambios en el índice de refracción, lo que provoca cambios en la posición del haz. Por lo tanto, la distancia y la estabilidad de la comunicación láser atmosférica son muy limitadas, incapaces de lograr una comunicación "para todo-clima".
1970 fue un año brillante en la historia de las comunicaciones por fibra óptica. Corning Company en los Estados Unidos desarrolló con éxito fibra óptica de cuarzo con una pérdida de 20 dB/km, lo que permite que las comunicaciones por fibra óptica compitan con las comunicaciones por cable coaxial, revelando así las brillantes perspectivas de las comunicaciones por fibra óptica e impulsando a los países de todo el mundo a invertir sucesivamente importantes recursos humanos y materiales, impulsando la investigación y el desarrollo de las comunicaciones por fibra óptica a una nueva etapa. En 1972, Corning Company desarrolló fibra óptica multimodo de cuarzo de alta-pureza, reduciendo la pérdida a 4 dB/km. En 1973, los Laboratorios Bell de Estados Unidos lograron resultados aún mayores, reduciendo la pérdida de la fibra óptica a 2,5 dB/km, y reduciéndola aún más a 1,1 dB/km en 1974. En 1976, empresas japonesas, incluida Nippon Telegraph and Telephone (NTT), redujeron la pérdida de la fibra óptica a 0,47 dB/km (a una longitud de onda de 1,2 μm).
En 1970 también se lograron avances sustanciales en las fuentes de luz para comunicaciones por fibra óptica. Ese año, los Laboratorios Bell en Estados Unidos, la Nippon Electric Company (NEC) en Japón y la ex Unión Soviética superaron sucesivamente las limitaciones de los láseres semiconductores que trabajaban a bajas temperaturas (-200 grados) o en condiciones de excitación pulsada, desarrollando con éxito láseres semiconductores de doble heteroestructura (onda corta) de arseniuro de galio y aluminio (GaAlAs) que podían oscilar continuamente a temperatura ambiente, sentando las bases para el desarrollo de láseres semiconductores. En 1973, la vida útil de los láseres semiconductores alcanzó los 7×10³h. En 1977, los láseres semiconductores desarrollados por Bell Laboratories alcanzaron una vida útil de 100.000 h (aproximadamente 11,4 años), con una vida útil extrapolada de 1 millón de h, satisfaciendo plenamente los requisitos prácticos. En 1976, Nippon Telegraph and Telephone Company desarrolló con éxito láseres de fosfuro de arseniuro de indio y galio (InGaAsP) que emitían a una longitud de onda de 1,3 μm. En 1979, AT&T Company en Estados Unidos y Nippon Telegraph and Telephone Company en Japón desarrollaron con éxito láseres semiconductores de oscilación continua que emiten a una longitud de onda de 1,55 μm.
En 1976, Estados Unidos llevó a cabo pruebas de campo del primer sistema práctico de comunicación por fibra óptica del mundo en Atlanta. El sistema utilizó láseres GaAlAs como fuente de luz y fibra óptica multimodo como medio de transmisión, con una velocidad de 44,7 Mbit/s y una distancia de transmisión de aproximadamente 10 km. En 1980, se puso en uso comercial el sistema de comunicación de fibra óptica estandarizado FT-3 en los Estados Unidos. El sistema utilizó fibra óptica multimodo de índice graduado con una velocidad de 44,7 Mbit/s. Posteriormente, Estados Unidos tendió rápidamente líneas troncales de este-oeste y norte-sur, cruzando 22 estados, con una longitud total de cable óptico de 5×10⁴km. En 1976 y 1978, Japón llevó a cabo sucesivamente pruebas de sistemas de comunicación de fibra óptica multimodo de índice escalonado con una velocidad de 34 Mbit/s y una distancia de transmisión de 64 km, así como sistemas de comunicación de fibra óptica multimodo de índice gradual con una velocidad de 100 Mbit/s. En 1983, Japón tendió una línea troncal de cable óptico de larga distancia que recorría el país de norte a sur, con una longitud total de 3.400 km y una velocidad de transmisión inicial de 400 Mbit/s, que luego se amplió a 1,6 Gbit/s. Posteriormente, en 1988 se completó el sistema de comunicación por cable óptico submarino TAT-8 a través del Océano Atlántico, iniciado por Estados Unidos, Japón, Reino Unido y Francia, con una longitud total de 6,4×10³km; El primer sistema de comunicación por cable óptico submarino TPC-3/HAW-4 a través del Océano Pacífico se completó en 1989, con una longitud total de 1,32 × 10⁵ km. Desde entonces, la construcción de sistemas de comunicación por cable óptico submarino se ha desarrollado plenamente, impulsando el desarrollo de las redes de comunicación globales.
Desde que Kao propuso el concepto de fibra óptica como medio de transmisión en 1966, la comunicación por fibra óptica se ha desarrollado muy rápidamente desde la investigación hasta la aplicación, con continuas actualizaciones tecnológicas y generaciones, mejorando continuamente las capacidades de comunicación (velocidad de transmisión y distancia del repetidor) y ampliando continuamente el alcance de la aplicación. El desarrollo de la comunicación óptica se puede dividir a grandes rasgos en las cinco etapas siguientes:
La primera etapa: este fue el período desde la investigación básica hasta el desarrollo de aplicaciones comerciales. A partir de 1976, siguiendo de cerca los pasos de investigación y desarrollo, después de muchas pruebas de campo, en 1978, el sistema de onda óptica de primera generación que operaba a una longitud de onda de 0,8 μm se puso oficialmente en uso comercial, logrando sistemas de comunicación de fibra óptica multimodo de longitud de onda corta (0,85 μm) y baja velocidad (45 Mbit/s o 34 Mbit/s). Surgió fibra óptica con una pérdida de 2dB/km, con una distancia de transmisión sin repetidor de aproximadamente 10km y una capacidad máxima de comunicación de aproximadamente 500Mbit/(s·km). En comparación con los sistemas de cable coaxial, la comunicación por fibra óptica extendió las distancias de los repetidores, redujo los costos de inversión y mantenimiento, cumplió con los objetivos de ingeniería y operaciones comerciales, y la comunicación por fibra óptica se convirtió en una realidad.
Segunda etapa: Este fue un período práctico con objetivos de investigación de mejorar las tasas de transmisión y aumentar las distancias de transmisión, y promover vigorosamente las aplicaciones. Durante este período, la fibra óptica evolucionó de multimodo a monomodo-, y las longitudes de onda de trabajo evolucionaron desde longitudes de onda cortas (0,85 μm) a longitudes de onda largas (1,31 μm y 1,55 μm), logrando comunicación por fibra óptica monomodo- con una longitud de onda de trabajo de 1,31 μm y velocidades de transmisión de 140565 Mbit/s. La pérdida de fibra óptica se redujo aún más a niveles de 0,5 dB/km (1,31 μm) y 0,2 dB/km (1,55 μm), con distancias de transmisión sin repetidores de 50 100 km.
La tercera etapa: Este fue un período con objetivos de ultra-gran capacidad y ultra-distancia, realizando de manera integral y exhaustiva investigaciones sobre nuevas tecnologías. Durante este período, se realizó comunicación por fibra óptica monomodo- con dispersión-desplazada de 1,55 μm. Este sistema de comunicación por fibra óptica utilizaba tecnología de modulación externa, con velocidades de transmisión que alcanzaban los 2,510 Gbit/s y distancias de transmisión sin repetidor que alcanzaban los 100 150 km. Los laboratorios podrían alcanzar niveles aún más altos.
La cuarta etapa: los sistemas de comunicación por fibra óptica se caracterizaron por el uso de amplificadores ópticos para aumentar las distancias de los repetidores y el uso de tecnología de multiplexación por división de longitud de onda para aumentar las velocidades de bits y las distancias de los repetidores. Debido a que estos sistemas a veces usaban esquemas homodinos o heterodinos, también se les llamó sistemas de comunicación de ondas ópticas coherentes. En esta etapa, en los sistemas de comunicación por fibra óptica, la pérdida de fibra óptica se compensaba mediante amplificadores de fibra óptica (EDFA) y, después de la compensación, era posible la transmisión a lo largo de miles de kilómetros. En un experimento, se utilizó un acoplador en estrella para lograr una multiplexación de datos de 100-canales a 622 Gbit/s en una distancia de transmisión de 50 km, con una diafonía entre canales insignificante; en otro experimento, con una velocidad de un solo canal de 2,5 Gbit/s, sin utilizar regeneradores, EDFA compensó la pérdida de fibra óptica, con una separación entre amplificadores de 80 km y una distancia de transmisión de 2223 km. El uso de tecnología de detección coherente en sistemas de ondas ópticas no era un requisito previo para utilizar EDFA. Algunos laboratorios habían utilizado bucles circulantes para lograr una transmisión de datos de 2,4 Gbit/s, 2,1 × 10⁴ km y 5 Gbit/s, 1,4 × 10⁴ km. La llegada de los amplificadores de fibra óptica provocó cambios importantes en el campo de las comunicaciones por fibra óptica.
La quinta etapa: los sistemas de comunicación por fibra óptica se basaron en una compresión no lineal para compensar el ensanchamiento de la dispersión de la fibra óptica, logrando una transmisión conforme de señales de pulso, la llamada-comunicación óptica de solitones. Esta etapa duró más de 20 años y había logrado avances decisivos. Aunque esta idea básica se propuso en 1973, no fue hasta 1988 que los Laboratorios Bell utilizaron la compensación de pérdida por dispersión Raman estimulada para las pérdidas de fibra óptica, transmitiendo datos a más de 4×10³km, y al año siguiente ampliaron la distancia de transmisión a 6×10³km. EDFA comenzó a usarse para la amplificación óptica de solitones en 1989. Tenía mayores ventajas en la práctica de la ingeniería y, desde entonces, algunos laboratorios internacionales famosos comenzaron a verificar el enorme potencial de la comunicación óptica de solitones como comunicación de alta-velocidad y larga-distancia. De 1990 a 1992, los laboratorios de los Estados Unidos y el Reino Unido utilizaron bucles circulantes para transmitir datos de 2,5 Gbit/s y 5 Gbit/s en más de 1 × 10⁴ km; Los laboratorios japoneses transmitieron datos de 10 Gbit/s a lo largo de 1×10⁶km. En 1995, los laboratorios franceses transmitían datos a 20 Gbit/s a una distancia de 1 × 10⁶ km, con una distancia de repetidor de 140 km. En 1995, los laboratorios británicos transmitieron datos a 20 Gbit/s a lo largo de 8.100 km y a 40 Gbit/s a lo largo de 5.000 km. También se llevaron a cabo pruebas de campo de sistemas ópticos lineales de solitones en redes de área metropolitana alrededor de Tokio, Japón, transmitiendo datos de 10 Gbit/s y 20 Gbit/s en 2,5×10³km y 1×10³km respectivamente. En 1994 y 1995, también se transmitieron datos de alta velocidad de 80 Gbit/s y 160 Gbit/s a lo largo de 500 km y 200 km respectivamente.
