Использование света для общения не является совершенно новой концепцией. В древнем Китае использование маяков для оповещения является лучшим примером визуальной световой коммуникации. Европейцы, использующие семафор для передачи информации, также могут считаться примитивными формами оптической связи.
Прототип современной оптической связи восходит к изобретению Беллом фотофона в 1880 году. Он использовал солнечный свет в качестве источника света, фокусируя световой луч через линзу на вибрирующее зеркало перед передатчиком, заставляя интенсивность света меняться в зависимости от изменения голоса, тем самым достигая речевой модуляции интенсивности света. На приемном конце параболический отражатель отражал луч света, прошедший через атмосферу, на батарею, а кристаллы селена служили оптическим приемным устройством обнаружения, преобразуя оптический сигнал в электрический ток. Таким образом, речевые сигналы успешно передавались через атмосферное пространство. Из-за отсутствия в то время идеальных источников света и средств передачи этот фотофон имел очень короткое расстояние передачи и не имел практической ценности, что привело к медленному развитию. Однако фотофон по-прежнему оставался великим изобретением, поскольку доказал возможность использования световых волн в качестве носителей для передачи информации. Поэтому фотофон Белла можно считать прообразом современной оптической связи.
Изобретение ламп позволило людям построить простые системы оптической связи, используя их в качестве источников света, например, для связи между кораблями и между кораблями и сушей, автомобильные указатели поворотов, светофоры и т. д. Фактически любой тип индикаторной лампы является базовой системой оптической связи. Во многих случаях в качестве источников света можно использовать флуоресцентные-люминесцентные диоды широкого спектра-. В 1960 году американец Мейман изобрел первый рубиновый лазер, который в некотором смысле решил проблему источника света и дал новую надежду оптической связи. По сравнению с обычным светом лазеры обладают превосходными характеристиками, такими как узкая ширина спектра, чрезвычайно хорошая направленность, чрезвычайно высокая яркость и относительно постоянная частота и фаза. Лазеры представляют собой высококогерентный свет, характеристики которого аналогичны радиоволнам, что делает их идеальными оптическими носителями. Вслед за рубиновым лазером последовательно появились и получили практическое применение гелий-неоновые (He-Ne) лазеры и углекислотные (CO₂) лазеры. Изобретение и применение лазеров вывели оптическую связь, которая бездействовала в течение 80 лет, на совершенно новый этап.
Изобретение твердотельных-лазеров значительно увеличило передаваемую оптическую мощность и увеличило расстояние передачи, что позволило использовать атмосферную лазерную связь на берегах рек, между островами и в определенных конкретных ситуациях. Однако стабильность и надежность атмосферной лазерной связи все еще оставались нерешенными. Использование световых волн, несущих информацию, для достижения связи «точка-точка» за счет распространения в атмосфере возможно, но на возможности и качество связи серьезно влияет климат. Из-за поглощения и рассеяния дождем, туманом, снегом и атмосферной пылью затухание энергии световых волн является значительным; кроме того, неоднородность-плотности и температуры атмосферы вызывает изменения показателя преломления, что приводит к сдвигам положения луча. Таким образом, расстояние и стабильность атмосферной лазерной связи сильно ограничены, и невозможно достичь «всепогодной» связи.
1970 год стал блестящим годом в истории оптоволоконной связи. Компания Corning в США успешно разработала кварцевое оптическое волокно с потерями 20 дБ/км, что позволило оптоволоконной связи конкурировать с коаксиальной кабельной связью, тем самым открыв блестящие перспективы оптоволоконной связи и побудив страны по всему миру последовательно инвестировать значительные трудовые и материальные ресурсы, выведя исследования и разработки оптоволоконной связи на новый этап. В 1972 году компания Corning разработала многомодовое кварцевое оптоволокно высокой-чистоты, снизив потери до 4 дБ/км. В 1973 году Bell Laboratories в США добилась еще больших результатов, снизив потери в оптическом волокне до 2,5 дБ/км и еще больше сократив их до 1,1 дБ/км в 1974 году. В 1976 году японские компании, включая Nippon Telegraph and Telephone (NTT), снизили потери в оптическом волокне до 0,47 дБ/км (при длине волны 1,2 мкм).
В 1970 году существенный прогресс был также достигнут в источниках света для оптоволоконной связи. В том же году компании Bell Laboratories в США, Nippon Electric Company (NEC) в Японии и бывшем Советском Союзе последовательно преодолели ограничения полупроводниковых лазеров, работающих при низких температурах (-200 градусов) или в условиях импульсного возбуждения, успешно разработав полупроводниковые лазеры с двойной гетероструктурой на арсениде галлия-алюминия (GaAlAs) (коротковолновые), которые могли непрерывно колебаться при комнатной температуре, заложив основу для разработки полупроводников. лазеры. В 1973 году время жизни полупроводниковых лазеров достигло 7×10³ч. В 1977 году полупроводниковые лазеры, разработанные Bell Laboratories, достигли срока службы 100 000 часов (приблизительно 11,4 года) при экстраполированном сроке службы 1 миллион часов, что полностью соответствует практическим требованиям. В 1976 году компания Nippon Telegraph and Telephone Company успешно разработала лазеры на арсениде-индий-галлий-фосфиде (InGaAsP), излучающие на длине волны 1,3 мкм. В 1979 году компания AT&T в США и компания Nippon Telegraph and Telephone Company в Японии успешно разработали полупроводниковые лазеры непрерывного действия, излучающие на длине волны 1,55 мкм.
В 1976 году Соединенные Штаты провели полевые испытания первой в мире практической системы оптоволоконной связи в Атланте. В системе использовались лазеры GaAlAs в качестве источников света и многомодовое оптическое волокно в качестве среды передачи со скоростью 44,7 Мбит/с и дальностью передачи около 10 км. В 1980 году стандартизированная волоконно-оптическая система связи FT-3 в США была введена в коммерческое использование. В системе использовалось многомодовое оптоволокно с градиентным-индексом скорости 44,7 Мбит/с. Впоследствии Соединенные Штаты быстро проложили магистральные линии на восток-запад и магистральные линии на север-юг, пересекая 22 штата, с общей длиной оптического кабеля 5×10⁴км. В 1976 и 1978 годах в Японии последовательно проводились испытания ступенчатых многомодовых волоконно-оптических систем связи со скоростью 34 Мбит/с и дальностью передачи 64 км, а также систем градуированной многомодовой волоконно-оптической связи со скоростью 100 Мбит/с. В 1983 году Япония проложила междугородную магистраль оптического кабеля, идущую с севера на юг через всю страну, общей протяженностью 3400 км, первоначальной скоростью передачи данных 400 Мбит/с, позднее увеличенной до 1,6 Гбит/с. Впоследствии в 1988 году по инициативе США, Японии, Великобритании и Франции была завершена подводная оптическая кабельная система связи ТАТ-8 через Атлантический океан общей длиной 6,4×10 км; Первая подводная оптическая кабельная система связи TPC-3/HAW-4 через Тихий океан была построена в 1989 году, ее общая длина составила 1,32×10⁵км. С тех пор строительство подводных оптических кабельных систем связи получило полное развитие, что способствует развитию глобальных сетей связи.
С тех пор, как Као предложил концепцию оптического волокна в качестве среды передачи в 1966 году, оптоволоконная связь развивалась очень быстро от исследований к применению, с постоянными технологическими обновлениями и поколениями, постоянным улучшением коммуникационных возможностей (скорость передачи и расстояние ретранслятора) и постоянным расширением области применения. Развитие оптической связи можно условно разделить на следующие пять этапов:
Первый этап: это был период от фундаментальных исследований до разработки коммерческого применения. Начиная с 1976 года, внимательно следя за этапами исследований и разработок, после многих полевых испытаний, в 1978 году оптическая волновая система первого поколения, работающая на длине волны 0,8 мкм, была официально введена в коммерческое использование, реализуя коротковолновую (0,85 мкм) низкоскоростную (45 Мбит/с или 34 Мбит/с) многомодовые волоконно-оптические системы связи. Появилось оптическое волокно с потерями 2 дБ/км, с дальностью передачи без ретранслятора примерно 10 км и максимальной пропускной способностью примерно 500 Мбит/(с·км). По сравнению с коаксиальными кабельными системами, оптоволоконная связь позволила увеличить расстояние ретранслятора, сократить инвестиции и затраты на техническое обслуживание, отвечая целям инженерных и коммерческих операций, и оптоволоконная связь стала реальностью.
Второй этап: это был практический период с исследовательскими целями по улучшению скорости передачи и увеличению дальности передачи, а также энергичному продвижению приложений. За этот период оптическое волокно превратилось из многомодового в одномодовое-, рабочие длины волн изменились от коротких волн (0,85 мкм) до длинных волн (1,31 мкм и 1,55 мкм), что позволило обеспечить связь по одномодовому оптоволоконному кабелю с рабочей длиной волны 1,31 мкм и скоростью передачи 140565 Мбит/с. Потери в оптическом волокне были дополнительно снижены до уровней 0,5 дБ/км (1,31 мкм) и 0,2 дБ/км (1,55 мкм), при этом дальность передачи без-ретранслятора составила 50–100 км.
Третий этап: это был период достижения целей сверх-большой пропускной способности и сверх-дальних расстояний, всестороннего и тщательного проведения исследований в области новых технологий. В течение этого периода была реализована связь по одномодовому оптоволоконному кабелю с дисперсией 1,55 мкм-сдвинутой-одной. В этой волоконно-оптической системе связи использовалась технология внешней модуляции, скорость передачи данных достигала 2,510 Гбит/с, а дальность передачи без-ретранслятора достигала 100–150 км. Лаборатории могли бы достичь еще более высоких уровней.
Четвертый этап: системы оптоволоконной связи характеризовались использованием оптических усилителей для увеличения расстояний ретранслятора и использованием технологии мультиплексирования с разделением по длине волны для увеличения скорости передачи данных и расстояния ретранслятора. Поскольку в этих системах иногда использовались гомодинные или гетеродинные схемы, их также называли когерентными системами связи на оптических волнах. В системах оптоволоконной связи на этом этапе потери в оптоволокне компенсировались волоконно-оптическими усилителями (EDFA), и после компенсации была возможна передача на тысячи километров. В одном эксперименте звездообразный соединитель использовался для достижения 100-канального мультиплексирования данных со скоростью 622 Гбит/с на расстояние передачи 50 км с незначительными межканальными перекрестными помехами; в другом эксперименте, при скорости одного канала 2,5 Гбит/с, без использования регенераторов, потери оптического волокна были компенсированы EDFA, с расстоянием между усилителями 80 км и дальностью передачи 2223 км. Использование технологии когерентного обнаружения в оптических волновых системах не было обязательным условием для использования EDFA. Некоторые лаборатории использовали циркуляционные петли для достижения скорости передачи данных 2,4 Гбит/с, 2,1×10⁴км и 5 Гбит/с, 1,4×10⁴км. Появление волоконно-оптических усилителей вызвало серьезные изменения в области волоконно-оптической связи.
Пятый этап: системы волоконно-оптической связи были основаны на нелинейном сжатии для компенсации уширения дисперсии оптического волокна, достигая конформной передачи импульсных сигналов, так-называемой оптической солитонной связи. Этот этап длился более 20 лет и достиг прорывного прогресса. Хотя эта основная идея была предложена в 1973 году, только в 1988 году Bell Laboratories использовала компенсацию потерь в результате вынужденного комбинационного рассеяния света для потерь в оптическом волокне, передавая данные на расстояние 4 × 10 км, а в следующем году увеличила расстояние передачи до 6 × 10 км. EDFA начал использоваться для усиления оптических солитонов в 1989 году. Он имел большие преимущества в инженерной практике, и с тех пор некоторые известные международные лаборатории начали проверять огромный потенциал оптической солитонной связи как высокоскоростной связи на большие-расстояния. С 1990 по 1992 год лаборатории в США и Великобритании использовали циркуляционные петли для передачи данных со скоростью 2,5 Гбит/с и 5 Гбит/с на расстояние более 1 × 10⁴ км; Японские лаборатории передавали данные со скоростью 10 Гбит/с на расстояние 1×10⁶км. В 1995 году французские лаборатории передали данные со скоростью 20 Гбит/с на расстояние 1 × 10⁶ км с расстоянием ретранслятора 140 км. В 1995 году британские лаборатории передали данные со скоростью 20 Гбит/с на расстояние 8100 км и данные со скоростью 40 Гбит/с на расстояние 5000 км. Полевые испытания линейных оптических солитонных систем также проводились в городских сетях вокруг Токио, Япония, передающих данные со скоростью 10 Гбит/с и 20 Гбит/с на расстояния 2,5×10 км и 1×10 км соответственно. В 1994 и 1995 годах высокоскоростные данные со скоростью 80 Гбит/с и 160 Гбит/с также передавались на расстояние 500 и 200 км соответственно.
