إن استخدام الضوء للتواصل ليس مفهومًا جديدًا تمامًا. في الصين القديمة، يعد استخدام أبراج المنارة للتحذيرات أفضل مثال على التواصل الضوئي البصري. يمكن أيضًا اعتبار الأوروبيين الذين يستخدمون الإشارة لنقل المعلومات أشكالًا بدائية للاتصال البصري.
يمكن إرجاع النموذج الأولي للاتصالات البصرية الحديثة إلى اختراع بيل للهاتف الضوئي في عام 1880. فقد استخدم ضوء الشمس كمصدر للضوء، حيث قام بتركيز شعاع الضوء من خلال عدسة على مرآة تهتز أمام جهاز الإرسال، مما تسبب في اختلاف شدة الضوء مع تغيرات الصوت، وبالتالي تحقيق تعديل الصوت لشدة الضوء. في الطرف المتلقي، يعكس عاكس مكافئ شعاع الضوء المنقول عبر الغلاف الجوي على البطارية، حيث تعمل بلورات السيلينيوم كجهاز كشف الاستقبال البصري، وتحول الإشارة الضوئية إلى تيار كهربائي. وبهذه الطريقة، تم نقل الإشارات الصوتية بنجاح عبر الفضاء الجوي. نظرًا لعدم وجود مصادر ضوء ووسائط نقل مثالية في ذلك الوقت، كان لهذا الهاتف الضوئي مسافة إرسال قصيرة جدًا ولم يكن له أي قيمة تطبيقية عملية، مما أدى إلى بطء التطوير. ومع ذلك، ظل الفوتوفون اختراعًا عظيمًا، حيث أثبت جدوى استخدام الموجات الضوئية كحاملات لنقل المعلومات. لذلك، يمكن اعتبار هاتف بيل الضوئي نموذجًا أوليًا للاتصالات البصرية الحديثة.
لقد أتاح اختراع المصابيح للناس إنشاء أنظمة اتصالات بصرية بسيطة، واستخدامها كمصادر للضوء، مثل الاتصال بين السفن وبين السفن والأرض، وإشارات انعطاف السيارات، وأضواء إشارات المرور، وما إلى ذلك. في الواقع، أي نوع من أضواء المؤشر هو نظام اتصال بصري أساسي. في العديد من الحالات، يمكن استخدام الثنائيات الباعثة لضوء الفلورسنت واسعة النطاق-كمصادر للضوء. في عام 1960، اخترع الأمريكي ميمان أول ليزر ياقوتي، والذي حل مشكلة مصدر الضوء، وجلب أملًا جديدًا للاتصالات البصرية. بالمقارنة مع الضوء العادي، يتميز الليزر بخصائص ممتازة مثل العرض الطيفي الضيق، والاتجاه الجيد للغاية، والسطوع العالي للغاية، والتردد والطور المتسقين نسبيًا. الليزر عبارة عن ضوء متماسك للغاية، وله خصائص مشابهة لموجات الراديو، مما يجعله حاملًا بصريًا مثاليًا. بعد ليزر الياقوت، ظهر ليزر الهيليوم-نيون (He-Ne) وليزر ثاني أكسيد الكربون (CO₂) على التوالي وتم وضعهما موضع الاستخدام العملي. أدى اختراع وتطبيق الليزر إلى نقل الاتصالات البصرية، التي كانت خاملة لمدة 80 عامًا، إلى مرحلة جديدة تمامًا.
أدى اختراع ليزر الحالة الصلبة- إلى زيادة الطاقة الضوئية المرسلة بشكل كبير وزاد من مسافة الإرسال، مما أتاح استخدام اتصالات الليزر الجوية عبر ضفاف الأنهار، وبين الجزر، وفي مواقف محددة معينة. ومع ذلك، فإن استقرار وموثوقية الاتصالات بالليزر في الغلاف الجوي لا تزال دون حل. يعد استخدام موجات الضوء التي تحمل المعلومات لتحقيق الاتصال من نقطة إلى نقطة-إلى-من خلال الانتشار الجوي أمرًا ممكنًا، ولكن تتأثر قدرة الاتصال وجودته بشدة بالمناخ. بسبب الامتصاص والتشتت بواسطة المطر والضباب والثلج والغبار الجوي، يكون توهين طاقة الموجة الخفيفة كبيرًا؛ بالإضافة إلى ذلك، -عدم التجانس في كثافة الغلاف الجوي ودرجة الحرارة يسبب تغيرات في معامل الانكسار، مما يؤدي إلى تغيرات في موضع الشعاع. لذلك، فإن مسافة واستقرار الاتصال بالليزر الجوي محدودان إلى حد كبير، وغير قادر على تحقيق الاتصال "في جميع-الطقس".
كان عام 1970 عامًا رائعًا في تاريخ اتصالات الألياف الضوئية. نجحت شركة Corning في الولايات المتحدة في تطوير ألياف كوارتز ضوئية بخسارة 20 ديسيبل/كم، مما يتيح لاتصالات الألياف الضوئية التنافس مع اتصالات الكابلات المحورية، وبالتالي الكشف عن الآفاق المشرقة لاتصالات الألياف الضوئية وحث البلدان حول العالم على استثمار القوى العاملة والموارد المادية بشكل متتابع، ودفع البحث والتطوير لاتصالات الألياف الضوئية إلى مرحلة جديدة. في عام 1972، قامت شركة Corning Company بتطوير-ألياف كوارتز ضوئية متعددة الأوضاع عالية النقاء، مما أدى إلى تقليل الخسارة إلى 4 ديسيبل/كم. وفي عام 1973، حققت مختبرات بيل في الولايات المتحدة نتائج أعظم، حيث خفضت فقدان الألياف الضوئية إلى 2.5 ديسيبل/كم، ثم خفضتها إلى 1.1 ديسيبل/كم في عام 1974. وفي عام 1976، قامت الشركات اليابانية بما في ذلك نيبون تلغراف والهاتف (NTT) بتخفيض فقدان الألياف الضوئية إلى 0.47 ديسيبل/كم (عند طول موجة 1.2 ميكرومتر).
وفي عام 1970، تم إحراز تقدم كبير أيضًا في مصادر الضوء لاتصالات الألياف الضوئية. في ذلك العام، نجحت مختبرات بيل في الولايات المتحدة وشركة نيبون للكهرباء (NEC) في اليابان والاتحاد السوفييتي السابق في اختراق قيود ليزر أشباه الموصلات التي تعمل في درجات حرارة منخفضة (-200 درجة) أو في ظل ظروف الإثارة النبضية، ونجحت في تطوير زرنيخيد ألومنيوم الغاليوم (GaAlAs) ليزر أشباه الموصلات مزدوج البنية غير المتجانسة (الموجة القصيرة) الذي يمكن أن يتأرجح باستمرار في درجة حرارة الغرفة، مما يضع الأساس لتطوير ليزر أشباه الموصلات. في عام 1973، وصل عمر ليزر أشباه الموصلات إلى 7×10³ساعة. في عام 1977، حققت أجهزة ليزر أشباه الموصلات التي طورتها مختبرات بيل عمرًا يصل إلى 100000 ساعة (حوالي 11.4 عامًا)، مع عمر استقراء قدره مليون ساعة، مما يلبي المتطلبات العملية بالكامل. في عام 1976، نجحت شركة Nippon Telegraph and Telephone Company في تطوير ليزر فوسفيد زرنيخيد الإنديوم الغاليوم (InGaAsP) الذي ينبعث بطول موجة يبلغ 1.3 ميكرومتر. في عام 1979، نجحت شركة AT&T في الولايات المتحدة وشركة Nippon Telegraph and Telephone Company في اليابان في تطوير ليزر أشباه الموصلات المتذبذب باستمرار والذي ينبعث بطول موجة يبلغ 1.55 ميكرومتر.
في عام 1976، أجرت الولايات المتحدة تجارب ميدانية لأول نظام عملي للاتصالات بالألياف الضوئية في العالم في أتلانتا. استخدم النظام ليزر GaAlAs كمصادر للضوء والألياف الضوئية متعددة الوسائط كوسيط نقل، بمعدل 44.7 ميجابت/ثانية ومسافة إرسال تبلغ حوالي 10 كم. في عام 1980، تم وضع نظام اتصالات الألياف الضوئية FT-3 الموحد في الولايات المتحدة قيد الاستخدام التجاري. استخدم النظام أليافًا ضوئية متعددة الأوضاع متدرجة بمعدل 44.7 ميجابت/ثانية. بعد ذلك، قامت الولايات المتحدة بسرعة بإنشاء خطوط رئيسية شرقية-غربية وخطوط رئيسية شمالية-جنوبية، تعبر 22 ولاية، بطول كابل بصري إجمالي يبلغ 5×10⁴كم. في عامي 1976 و1978، أجرت اليابان على التوالي تجارب لأنظمة اتصالات الألياف الضوئية متعددة الأوضاع ذات مؤشر متدرج- بمعدل 34 ميجابت/ثانية ومسافة إرسال تبلغ 64 كم، بالإضافة إلى أنظمة اتصالات ألياف ضوئية متعددة الأوضاع ذات مؤشر متدرج بمعدل 100 ميجابت/ثانية. في عام 1983، أنشأت اليابان خطًا رئيسيًا للكابلات الضوئية لمسافات طويلة يمتد من الشمال إلى الجنوب عبر البلاد، ويبلغ طوله الإجمالي 3400 كيلومتر، ومعدل نقل أولي قدره 400 ميجابت/ثانية، ثم توسع لاحقًا إلى 1.6 جيجابت/ثانية. بعد ذلك، تم الانتهاء من نظام اتصالات الكابلات الضوئية البحرية TAT-8 عبر المحيط الأطلسي، والذي بدأته الولايات المتحدة واليابان والمملكة المتحدة وفرنسا، في عام 1988، بطول إجمالي قدره 6.4×10³كم؛ تم الانتهاء من إنشاء أول نظام اتصالات بالكابلات الضوئية البحرية TPC-3/HAW-4 عبر المحيط الهادئ في عام 1989، بطول إجمالي قدره 1.32×10⁵كم. منذ ذلك الحين، تم تطوير بناء أنظمة اتصالات الكابلات الضوئية البحرية بشكل كامل، مما عزز تطوير شبكات الاتصالات العالمية.
منذ أن اقترح كاو مفهوم الألياف الضوئية كوسيلة نقل في عام 1966، تطورت اتصالات الألياف الضوئية بسرعة كبيرة من البحث إلى التطبيق، مع التحديثات التكنولوجية المستمرة والأجيال، والتحسين المستمر لقدرات الاتصال (معدل الإرسال ومسافة المكرر)، وتوسيع نطاق التطبيق باستمرار. يمكن تقسيم تطور الاتصال البصري تقريبًا إلى المراحل الخمس التالية:
المرحلة الأولى: كانت هذه هي الفترة من البحث الأساسي إلى تطوير التطبيقات التجارية. بدءًا من عام 1976، وبعد متابعة خطوات البحث والتطوير عن كثب، وبعد العديد من التجارب الميدانية، في عام 1978، تم وضع الجيل الأول من نظام الموجات الضوئية الذي يعمل بطول موجة 0.8 ميكرومتر رسميًا في الاستخدام التجاري، مما أدى إلى تحقيق الطول الموجي القصير (0.85 ميكرومتر)، ومعدل منخفض (45 ميجابت/ثانية أو 34 ميجابت/ثانية) أنظمة اتصالات الألياف الضوئية متعددة الأوضاع. ظهرت ألياف ضوئية بخسارة قدرها 2 ديسيبل/كم، مع مسافة إرسال غير مكررة تبلغ حوالي 10 كم وقدرة اتصال قصوى تبلغ حوالي 500 ميجابت/(ثانية·كم). بالمقارنة مع أنظمة الكابلات المحورية، قامت اتصالات الألياف الضوئية بتوسيع مسافات المكرر، وتقليل تكاليف الاستثمار والصيانة، وتحقيق أهداف السعي للعمليات الهندسية والتجارية، وأصبح اتصال الألياف الضوئية حقيقة واقعة.
المرحلة الثانية: كانت هذه فترة عملية ذات أهداف بحثية تتمثل في تحسين معدلات الإرسال وزيادة مسافات الإرسال والترويج للتطبيقات بقوة. خلال هذه الفترة، تطورت الألياف الضوئية من الوضع المتعدد إلى الوضع الفردي-، وتم تطوير أطوال الموجات العاملة من الأطوال الموجية القصيرة (0.85 ميكرومتر) إلى الأطوال الموجية الطويلة (1.31 ميكرومتر و1.55 ميكرومتر)، مما أدى إلى تحقيق اتصال الألياف الضوئية ذو الوضع الفردي - مع طول موجة عمل يبلغ 1.31 ميكرومتر ومعدلات نقل تبلغ 140565 ميجابت/ثانية. تم تقليل فقدان الألياف الضوئية بشكل أكبر إلى مستويات 0.5 ديسيبل/كم (1.31 ميكرومتر) و0.2 ديسيبل/كم (1.55 ميكرومتر)، مع مسافات إرسال غير مكررة تبلغ 50100 كم.
المرحلة الثالثة: كانت هذه فترة ذات أهداف ذات سعة كبيرة جدًا-ومسافات طويلة جدًا-، وإجراء أبحاث شاملة وشاملة حول التقنيات الجديدة. خلال هذه الفترة، تم تحقيق تشتت 1.55 ميكرومتر-اتصال بالألياف الضوئية ذو الوضع الفردي-المتحرك. يستخدم نظام اتصالات الألياف الضوئية هذا تقنية التعديل الخارجي، حيث تصل معدلات الإرسال إلى 2.510 جيجابت/ثانية ومسافات إرسال غير مكررة تصل إلى 100150 كيلومتر. يمكن للمختبرات تحقيق مستويات أعلى.
المرحلة الرابعة: تميزت أنظمة اتصالات الألياف الضوئية باستخدام المضخمات الضوئية لزيادة مسافات المكررات واستخدام تقنية تعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي لزيادة معدلات البت ومسافات المكررات. نظرًا لأن هذه الأنظمة تستخدم أحيانًا مخططات متجانسة أو متغايرة، فقد كانت تسمى أيضًا أنظمة اتصالات الموجات الضوئية المتماسكة. في أنظمة اتصالات الألياف الضوئية في هذه المرحلة، تم تعويض فقدان الألياف الضوئية بواسطة مضخمات الألياف الضوئية (EDFA)، وبعد التعويض، أصبح النقل عبر آلاف الكيلومترات ممكنًا. في إحدى التجارب، تم استخدام قارنة التوصيل النجمية لتحقيق تعدد إرسال بيانات 100-قناة بسرعة 622 جيجابت/ثانية على مسافة إرسال تبلغ 50 كيلومترًا، مع تداخل لا يُذكر بين القنوات؛ وفي تجربة أخرى، بمعدل قناة واحدة يبلغ 2.5 جيجابت/ثانية، دون استخدام أجهزة إعادة التوليد، تم تعويض فقدان الألياف الضوئية بواسطة EDFA، مع تباعد مكبر للصوت يبلغ 80 كم ومسافة إرسال تبلغ 2223 كم. لم يكن استخدام تقنية الكشف المتماسك في أنظمة الموجات الضوئية شرطًا أساسيًا لاستخدام EDFA. استخدمت بعض المختبرات حلقات متداولة لتحقيق نقل بيانات بسرعة 2.4 جيجابت/ثانية و2.1×10⁴كم و5 جيجابت/ثانية و1.4×10⁴كم. أدى ظهور مضخمات الألياف الضوئية إلى حدوث تغييرات كبيرة في مجال اتصالات الألياف الضوئية.
المرحلة الخامسة: اعتمدت أنظمة اتصالات الألياف الضوئية على الضغط غير الخطي لتعويض توسيع تشتت الألياف الضوئية، وتحقيق النقل المطابق لإشارات النبض، وهو ما يسمى -الاتصال الضوئي المنعزل. واستمرت هذه المرحلة أكثر من 20 عامًا وحققت تقدمًا كبيرًا. على الرغم من أن هذه الفكرة الأساسية تم اقتراحها في عام 1973، إلا أن مختبرات بيل لم تستخدم حتى عام 1988 تعويض فقدان تشتت رامان المحفز لفقدان الألياف الضوئية، ونقل البيانات على مسافة تزيد عن 4×10³كم، وفي العام التالي مددت مسافة الإرسال إلى 6×10³كم. بدأ استخدام EDFA في تضخيم السليتون البصري في عام 1989. وكان يتمتع بمزايا أكبر في الممارسة الهندسية، ومنذ ذلك الحين، بدأت بعض المختبرات الدولية الشهيرة في التحقق من الإمكانات الهائلة للاتصالات السوليتونية الضوئية كاتصال عالي السرعة لمسافات طويلة-. ومن عام 1990 إلى عام 1992، استخدمت المختبرات في الولايات المتحدة والمملكة المتحدة حلقات متداولة لنقل بيانات بسرعة 2.5 جيجابت/ثانية و5 جيجابت/ثانية على مسافة تزيد عن 1×10 كيلومتر؛ قامت المختبرات اليابانية بنقل بيانات بسرعة 10 جيجابت/ثانية على مسافة 1×10⁶كم. في عام 1995، نقلت المختبرات الفرنسية بيانات بسرعة 20 جيجابت/ثانية على مسافة 1×10⁶كم، مع مسافة مكررة تبلغ 140 كم. في عام 1995، نقلت المختبرات البريطانية بيانات بسرعة 20 جيجابت/ثانية لمسافة 8100 كيلومتر وبيانات بسرعة 40 جيجابت/ثانية لمسافة 5000 كيلومتر. كما تم إجراء تجارب ميدانية لأنظمة Soliton الضوئية الخطية في شبكات المناطق الحضرية حول طوكيو، اليابان، لنقل بيانات بسرعة 10 جيجابت/ثانية و20 جيجابت/ثانية على مسافة 2.5×10³كم و1×10³كم على التوالي. في عامي 1994 و1995، تم أيضًا نقل البيانات بسرعة عالية تبلغ 80 جيجابت/ثانية و160 جيجابت/ثانية لمسافة تزيد عن 500 كيلومتر و200 كيلومتر على التوالي.
