早在光纤通信之前，人们已经尝试利用光来通信。容易想象，利用光在空气中直线传播的特点，进行大气传输光通信，不需要任何线路，简单、经济。
1960 年梅曼（T.H.Maiman）发明了红宝石激光器，产生了单色相干光，使高速的光调制成为可能，美国林肯实验室首先利用氦氖激光器通过大气传输了一路彩色电视。随后，相继出现了各色各样的大气传输实验系统。
但后来发现大气传输光通信有许多严重的问题，例如：
1. 气候对通信的影响十分严重。大雾时，通信几乎中断。
2. 由于大气气温不均匀，使它的密度或折射率不均匀，以及大气湍流的影响，使光线发生漂移和抖动。通信的信噪比变劣，传输不稳定。
3. 大气传输设备要求架设在高处，收发两地直线可见。这种地理条件使大气传输光通信的使用范围具有局限性。
光纤通信的诞生及其发展
1966 年，英籍华人高锟（C.K.Kao）和Hockham 预见利用玻璃可以制成衰减为20dB/km 的通信光导纤维（简称光纤）。同时期的其他实验证明，编码在光信号上的信息可以通过玻璃纤维波导传输。
波导提供了一种可以传导光信号的介质，该介质使光信号在其中传输一定的距离而不发生散射，即光能仍较集中。这就使信号在另一端被接受时仍有足够的强度，因此传输的信息可以通过解码被读取出来。这些早期的实验证明了光信息通过光纤传输是可行的。
1970 年，康宁公司的Maurer 等人根据高锟的理论首先制出衰减为20dB/km 的光纤，光纤传输的实用取得重大突破。之后，世界各发达国家纷纷开展光纤通信的研究，从此光纤传输开始了以最高的传输容量和最长的传输距离来传输信息的历程，并且发展速度惊人。随着技术难题的解决，光网络传输容量和传输距离持续增长，同时，将一比特信息传输一公里所耗费的造价持续降低。基本上实现了运营商可以不考虑传输距离，而只对线路估价的目标。
光纤引入通信领域之后，随着光纤传输系统的发展，通信网络也一步步向着光网络进化。
接下来，我们来看看光纤传输系统的进化。
1. 使用发光二级管和多模光纤的早期系统，如下图所示。
2. 使用多纵模激光器和单模光纤、工作波长1.3μm波段、抑制模间色散的系统，如下图所示。
3. 工作波长为1.55μm波段、低损耗、使用单纵模激光器抑制色散射的系统，如下图所示。
4. 工作波长为1.55μm 、使用光放大器代替再生器、多波长传输的当代波分复用系统，如下图所示。
上面简要概括了光纤传输系统的进化。可以看出，光纤传输系统的进化依赖于发射机技术（光源）/接收机技术（光源检测）、光纤技术和放大器技术的不断突破。
驱动光纤技术不断突破的两大源动力是对长距离和大容量孜孜不倦的追求。
长距离，要求光纤损耗小，不断降低其固有损耗和附加损耗；
大容量，要求光纤具有很宽的带宽，采用长波长的载波并抑制色散。
目前使用的光纤绝大部分都是基于二氧化硅（SiO2）材质的光纤，这种光纤在红外波段有三个低损耗窗口：0.85μm、1.31μm和1.55μm。其中， 0.85μm 窗口被称为短波长窗口，1.31μm和1.55μm窗口被称为长波长窗口。
高锟在其论文中指出：降低玻璃内的过多金属杂志粒子是降低光纤衰减的主要因素。根据这一理论的指引，在70 年代初期，人们对原材料经过严格提纯以后，发现在 0.8～0.9μm波段内石英光纤的损耗比较低。因此，70 年代至80 年代初期的光纤通信系统就使用这一波段。
之后通过对光纤损耗原因作进一步分析，人们发现光纤材料中的水气（主要是 OH-）对光纤损耗影响很大，特别是在 1.38μm波长的地方有一个强烈的吸收峰。
在改进工艺，降低这个吸收峰以后，人们又发现在 1.31μm 和 1.55μm这两个波长处有比 0.8～0.9μm 波段更低的损耗。1.31μm波长的最低损耗可达 0.35dB/km 以下，1.55μm波长的最低损耗可达 0.15dB/km。
后来由于1.31μm激光器首先成熟并得到广泛应用，所以现在正在大量运营的光纤通信系统就工作在这一窗口。
不过，由于1.55μm波长的损耗最低，其损耗系数大约为1.31μm波长区的一半，因此又称1.55μm波长区为石英光纤的最低损耗窗口，继0.85μm和1.31μm波长之后，被称之为第三窗口。
1980 年，在1.55μm窗口，实用光纤衰减低至0.2dB/km，已接近理论值。这样，使得长距离的光纤通信成为可能。这一窗口对人们具有很大的吸引力，特别后来 1.55μm光纤放大器的研制成功，使得这一窗口成为人们积极开发、应用的热点。
长距离、超大容量的光纤通信
然而，要实现大容量的通信，就要求光纤具备很宽的带宽。受归一化频率的制约，单模光纤具有最宽的带宽，是最理想的传输介质。但单模光纤的芯径只有 4～10μm ，工艺要求极高，在70 年代初，难以做到，所以在当时多采用芯径较粗的多模光纤。
光信号在多模光纤中传输时，遵循传统的几何光学模型，光信号中的每一条光线，都沿着不同的路径在光纤中传播，每一条不同的路径相应于一个传输模式。不同的路径长度有所不同，因此与其他模式相比，每一个模式在光纤中传播的速度也稍有不同。这样，不同的模式到达光纤接收端时的时间也不同，造成光信号的展宽模糊，这种信号模糊通常被称为色散，而由于上述情况引入的色散被称为模间色散。
随着光纤制作工艺的改进，1.31μm波段的单模光纤研制成功，这样在光纤中光能量只能以单一模式传输，有效消除了模间色散的影响，应用于通信系统后，使得传输的比特率和传输距离都大幅增加。
但伴随更低损耗的1.55μm波段单模光纤的研制和使用，另一个限制因素——色散射，逐渐成为影响系统性能的主要限制因素。
与模间色散相似但不同的是，色散射是由于玻璃材质的不均匀性（如折射率不均匀、参杂离子浓度不均匀等），引起光脉冲中不同的频率分量以不同的速度传播，最终造成和模间色散一样的信号展宽现象，使得光信号变模糊，而且，光脉冲的谱越宽，由色散引发的信号模糊程度越大。
对于标准的基于二氧化硅的光学纤维而言，在 1.31μm波段几乎没有色散射，但在 1.55μm波段色散射则较大。为克服这种难题，色散位移光纤发展了起来。终于在80 年代中期，经过仔细设计，在 1.55μm波长窗口色散为零的色散位移光纤研制成功。这样采用单模光纤进行超大容量光纤通信也成为了可能。
解决了光纤低损耗和零色散的问题，使得长距离、超大容量的光纤通信变成了现实。
光纤通信的特点
与电缆和微波通信相比，光纤通信具有无与伦比的优越性。
1. 通信容量大
光纤通信是以光纤为传输媒介，光波为载波的通信方式，其载波(光波)具有很高的频率(约1014Hz)，因此光纤具有很大的通信容量。
2. 传输距离长
光纤具有极低的传输衰耗系数，若配以适当的光发送设备和光接收设备，可使其中继距离达数百公里以上。这是传统的电缆、微波等根本无法与之比拟的。
3. 保密性能好
光波在光纤中传输时只在其芯区内进行，基本上没有光泄露出去，因此其保密性能极好。
4. 适应能力强
首先，光纤基材为玻璃，无金属辅件的光缆可以在强电场环境下工作，不受电磁场干扰，可用于电力网或变电所内做通信控制线路；其次，光纤的抗腐蚀能力很强，可以在具有有害气体环境下工作，如化工厂等；最后，光纤还具有优良的抗核辐射能力。
5. 体积小、重量轻、便于施工维护
光缆的敷设方式方便灵活，既可以直埋、管道敷设，又可以水底敷设和架空。
6. 原材料来源丰富，价格低廉
制造石英光纤的最基本原材料是二氧化硅即石英砂，在大自然中几乎是取之不尽、用之不竭，规模生产后价格低廉，并且替代了铜缆以后，节省了有色金属资源， 1000 km的光缆线路可以节省铜150吨、铅500吨。
但光纤也具有其固有的缺点：
1. 质地脆，机械强度差
因此光纤外围需要大量的辅材以弥补这一缺点，同时提高了施工工艺要求。
2. 光纤的切断和接续需要一定的工具、设备和技术
对光纤的断续操作其实是对纤芯的一项精细化操作，已经超出了人的手眼可以直接操作的范畴，必须借助一定的工具和设备，采用特殊的操作手段。
3. 分路、耦合不灵活
光纤的分路、耦合涉及到对光纤的熔融操作，且需要精密的仪器控制操作参数以保障分路、耦合后光纤的技术参数，非工厂环境下难以实施。此外，由于光纤本身的物理特性，需要对光纤的分路、耦合设计额外的接口单元。
4. 光纤光缆的弯曲半径不能过小
光在纤芯中是以全反射的方式进行传播，光纤光缆弯曲半径过小将破坏全反射条件，使得光能量泄露，造成光信号大幅衰减甚至通信中断。
感谢阅读！
如果有叙述错误的地方，欢迎指出，我们一起讨论。
如果觉得不错，就点个 “赞” 和 “推荐” 吧。
如果喜欢我们的知识传播，欢迎关注我们！
推荐阅读：