Sử dụng ánh sáng để liên lạc không phải là một khái niệm hoàn toàn mới. Ở Trung Quốc cổ đại, việc sử dụng tháp đèn hiệu để cảnh báo là ví dụ điển hình nhất về giao tiếp bằng ánh sáng trực quan. Người châu Âu sử dụng semaphore để truyền thông tin cũng có thể được coi là hình thức truyền thông quang học nguyên thủy.
Nguyên mẫu của truyền thông quang học hiện đại có thể bắt nguồn từ phát minh ra máy chụp ảnh của Bell vào năm 1880. Ông sử dụng ánh sáng mặt trời làm nguồn sáng, tập trung chùm ánh sáng qua thấu kính vào một chiếc gương rung ở phía trước máy phát, khiến cường độ ánh sáng thay đổi theo sự thay đổi giọng nói, nhờ đó đạt được sự điều biến cường độ ánh sáng bằng giọng nói. Ở đầu nhận, một gương phản xạ parabol phản chiếu chùm ánh sáng truyền qua khí quyển vào pin, với tinh thể selen đóng vai trò là thiết bị phát hiện thu quang, chuyển đổi tín hiệu quang thành dòng điện. Bằng cách này, tín hiệu giọng nói đã được truyền thành công qua không gian khí quyển. Do thiếu nguồn sáng và phương tiện truyền dẫn lý tưởng vào thời điểm đó, chiếc photophone này có khoảng cách truyền rất ngắn và không có giá trị ứng dụng thực tế, dẫn đến sự phát triển chậm. Tuy nhiên, photophone vẫn là một phát minh vĩ đại vì nó chứng tỏ tính khả thi của việc sử dụng sóng ánh sáng làm vật mang để truyền thông tin. Vì vậy, photophone của Bell có thể coi là nguyên mẫu của truyền thông quang học hiện đại.
Việc phát minh ra đèn giúp con người có thể xây dựng các hệ thống thông tin quang học đơn giản, sử dụng chúng làm nguồn sáng, chẳng hạn như thông tin liên lạc giữa tàu và giữa tàu và đất liền, đèn xi nhan ô tô, đèn tín hiệu giao thông, v.v. Trên thực tế, bất kỳ loại đèn báo nào cũng là một hệ thống thông tin quang học cơ bản. Trong nhiều trường hợp, điốt phát quang-ánh sáng huỳnh quang phổ rộng-có thể được sử dụng làm nguồn sáng. Năm 1960, American Maiman đã phát minh ra tia laser hồng ngọc đầu tiên, theo một nghĩa nào đó, nó đã giải quyết được vấn đề nguồn sáng và mang lại hy vọng mới cho truyền thông quang học. So với ánh sáng thông thường, laser có những đặc tính tuyệt vời như độ rộng phổ hẹp, tính định hướng cực tốt, độ sáng cực cao, tần số và pha tương đối nhất quán. Laser là ánh sáng có tính kết hợp cao, có đặc điểm tương tự như sóng vô tuyến, khiến chúng trở thành sóng mang quang học lý tưởng. Sau laser ruby, laser heli-neon (He{10}}Ne) và laser carbon dioxide (CO₂) lần lượt xuất hiện và được đưa vào ứng dụng thực tế. Việc phát minh và ứng dụng tia laser đã đưa truyền thông quang học vốn đã không hoạt động trong 80 năm, bước sang một giai đoạn hoàn toàn mới.
Việc phát minh ra laser trạng thái rắn-đã làm tăng đáng kể công suất quang truyền đi và mở rộng khoảng cách truyền dẫn, cho phép sử dụng liên lạc laser khí quyển qua các bờ sông, giữa các hòn đảo và trong một số tình huống cụ thể. Tuy nhiên, độ ổn định và độ tin cậy của liên lạc laser trong khí quyển vẫn chưa được giải quyết. Việc sử dụng sóng ánh sáng mang thông tin để đạt được giao tiếp điểm-tới{4}}điểm thông qua sự truyền lan trong khí quyển là khả thi nhưng khả năng và chất lượng liên lạc bị ảnh hưởng nghiêm trọng bởi khí hậu. Do sự hấp thụ và tán xạ của mưa, sương mù, tuyết và bụi khí quyển, sự suy giảm năng lượng sóng ánh sáng là đáng kể; Ngoài ra, sự không đồng đều về mật độ và nhiệt độ khí quyển gây ra những thay đổi về chiết suất, dẫn đến sự dịch chuyển vị trí chùm tia. Do đó, khoảng cách và độ ổn định của liên lạc bằng laser trong khí quyển bị hạn chế rất nhiều, không thể đạt được liên lạc trong "mọi{8}}thời tiết".
Năm 1970 là một năm rực rỡ trong lịch sử truyền thông cáp quang. Công ty Corning của Hoa Kỳ đã phát triển thành công sợi quang thạch anh với mức suy hao 20dB/km, giúp truyền thông cáp quang có thể cạnh tranh với truyền thông cáp đồng trục, qua đó cho thấy triển vọng tươi sáng của truyền thông cáp quang và thúc đẩy các nước trên thế giới liên tục đầu tư nguồn nhân lực và vật chất đáng kể, đẩy việc nghiên cứu và phát triển truyền thông cáp quang lên một giai đoạn mới. Năm 1972, Công ty Corning đã phát triển sợi quang đa mode thạch anh có độ tinh khiết cao-, giảm tổn hao xuống 4dB/km. Năm 1973, Phòng thí nghiệm Bell ở Hoa Kỳ đã đạt được kết quả thậm chí còn lớn hơn, giảm tổn thất sợi quang xuống 2,5dB/km và tiếp tục giảm xuống còn 1,1dB/km vào năm 1974. Năm 1976, các công ty Nhật Bản bao gồm Nippon Telegraph và Điện thoại (NTT) đã giảm tổn thất sợi quang xuống 0,47dB/km (ở bước sóng 1,2μm).
Năm 1970, tiến bộ đáng kể cũng đã được thực hiện trong lĩnh vực nguồn sáng cho truyền thông cáp quang. Năm đó, Phòng thí nghiệm Bell ở Hoa Kỳ, Công ty Điện lực Nippon (NEC) ở Nhật Bản và Liên Xô cũ đã liên tiếp vượt qua những hạn chế của laser bán dẫn hoạt động ở nhiệt độ thấp (-200 độ) hoặc trong điều kiện kích thích xung, phát triển thành công laser bán dẫn dị cấu trúc kép gallium nhôm arsenide (GaAlAs) (sóng ngắn) có thể dao động liên tục ở nhiệt độ phòng, đặt nền móng cho sự phát triển của laser bán dẫn. Năm 1973, tuổi thọ của laser bán dẫn đạt tới 7×10³h. Năm 1977, laser bán dẫn do Phòng thí nghiệm Bell phát triển đã đạt được tuổi thọ 100.000 giờ (khoảng 11,4 năm), với tuổi thọ ngoại suy là 1 triệu giờ, đáp ứng đầy đủ các yêu cầu thực tế. Năm 1976, Công ty Điện thoại và Điện báo Nippon đã phát triển thành công tia laser indium gallium arsenide phosphide (InGaAsP) phát ra ở bước sóng 1,3μm. Năm 1979, Công ty AT&T của Hoa Kỳ và Công ty Điện thoại và Điện báo Nippon của Nhật Bản đã phát triển thành công tia laser bán dẫn dao động liên tục phát ra ở bước sóng 1,55μm.
Năm 1976, Hoa Kỳ tiến hành thử nghiệm thực tế hệ thống thông tin cáp quang thực tế đầu tiên trên thế giới ở Atlanta. Hệ thống sử dụng laser GaAlAs làm nguồn sáng và cáp quang đa mode làm phương tiện truyền dẫn, với tốc độ 44,7Mbit/s và khoảng cách truyền khoảng 10km. Năm 1980, hệ thống thông tin cáp quang FT{8}}3 được tiêu chuẩn hóa ở Hoa Kỳ được đưa vào sử dụng thương mại. Hệ thống này sử dụng cáp quang đa mode chỉ mục{11}được phân loại với tốc độ 44,7Mbit/s. Sau đó, Hoa Kỳ nhanh chóng lắp đặt các đường trục phía đông{12}}tây và các đường trục phía bắc{19}}nam, băng qua 22 tiểu bang với tổng chiều dài cáp quang là 5×10⁴km. Vào năm 1976 và 1978, Nhật Bản đã liên tiếp tiến hành thử nghiệm các hệ thống liên lạc sợi quang đa chế độ chỉ mục-theo bước với tốc độ 34Mbit/s và khoảng cách truyền dẫn là 64 km, cũng như các hệ thống liên lạc sợi quang đa chế độ lập chỉ mục-được phân loại với tốc độ 100Mbit/s. Năm 1983, Nhật Bản lắp đặt đường trục cáp quang đường dài chạy từ bắc xuống nam xuyên suốt đất nước, với tổng chiều dài 3400km, tốc độ truyền dẫn ban đầu là 400Mbit/s, sau đó mở rộng lên 1,6Gbit/s. Sau đó, hệ thống thông tin cáp quang tàu ngầm TAT-8 xuyên Đại Tây Dương do Hoa Kỳ, Nhật Bản, Anh và Pháp khởi xướng, được hoàn thành vào năm 1988, với tổng chiều dài 6,4×10³km; hệ thống thông tin cáp quang tàu ngầm TPC-3/HAW-4 đầu tiên xuyên Thái Bình Dương được hoàn thành vào năm 1989 với tổng chiều dài 1,32×10⁵km. Kể từ đó, việc xây dựng hệ thống thông tin cáp quang dưới biển đã được phát triển hoàn chỉnh, thúc đẩy sự phát triển của mạng lưới thông tin liên lạc toàn cầu.
Kể từ khi Kao đề xuất khái niệm sợi quang làm phương tiện truyền dẫn vào năm 1966, truyền thông cáp quang đã phát triển rất nhanh từ nghiên cứu đến ứng dụng, với các thế hệ và cập nhật công nghệ liên tục, không ngừng cải thiện khả năng liên lạc (tốc độ truyền và khoảng cách lặp lại) và không ngừng mở rộng phạm vi ứng dụng. Sự phát triển của truyền thông quang học có thể được chia thành năm giai đoạn sau:
Giai đoạn 1: Đây là giai đoạn từ nghiên cứu cơ bản đến phát triển ứng dụng thương mại. Bắt đầu từ năm 1976, bám sát các bước nghiên cứu và phát triển, sau nhiều lần thử nghiệm thực địa, đến năm 1978, hệ thống sóng quang thế hệ đầu tiên hoạt động ở bước sóng 0,8μm chính thức được đưa vào sử dụng thương mại, hiện thực hóa các hệ thống thông tin sợi quang đa mode bước sóng ngắn (0,85μm), tốc độ thấp (45Mbit/s hoặc 34Mbit/s). Cáp quang có mức suy hao 2dB/km đã xuất hiện, với khoảng cách truyền không lặp lại-khoảng 10km và công suất liên lạc tối đa khoảng 500Mbit/(s·km). So với hệ thống cáp đồng trục, truyền thông cáp quang đã mở rộng khoảng cách lặp lại, giảm chi phí đầu tư và bảo trì, đáp ứng các mục tiêu theo đuổi của hoạt động kỹ thuật và thương mại và truyền thông cáp quang đã trở thành hiện thực.
Giai đoạn thứ hai: Đây là giai đoạn thực tế với mục tiêu nghiên cứu là cải thiện tốc độ truyền và tăng khoảng cách truyền, đồng thời thúc đẩy mạnh mẽ các ứng dụng. Trong thời kỳ này, cáp quang đã phát triển từ đa chế độ sang chế độ{1} đơn đơn, các bước sóng hoạt động phát triển từ bước sóng ngắn (0,85μm) đến bước sóng dài (1,31μm và 1,55μm), đạt được khả năng giao tiếp cáp quang đơn chế độ- với bước sóng làm việc 1,31μm và tốc độ truyền tải là 140565Mbit/s. Suy hao cáp quang còn giảm hơn nữa xuống mức 0,5dB/km (1,31μm) và 0,2dB/km (1,55μm), với khoảng cách truyền dẫn không lặp lại là 50100km.
Giai đoạn thứ ba: Đây là giai đoạn có mục tiêu về công suất cực lớn và khoảng cách cực dài, thực hiện nghiên cứu toàn diện và kỹ lưỡng về công nghệ mới. Trong khoảng thời gian này, hệ thống truyền thông cáp quang chế độ đơn-chuyển dịch đơn{5}}độ phân tán 1,55μm đã được hiện thực hóa. Hệ thống truyền thông cáp quang này sử dụng công nghệ điều chế bên ngoài, với tốc độ truyền đạt 2,510Gbit/s và khoảng cách truyền không lặp lại đạt tới 100150km. Các phòng thí nghiệm có thể đạt được mức độ cao hơn nữa.
Giai đoạn thứ tư: Hệ thống thông tin sợi quang được đặc trưng bởi việc sử dụng bộ khuếch đại quang để tăng khoảng cách bộ lặp và sử dụng công nghệ ghép kênh phân chia bước sóng để tăng tốc độ bit và khoảng cách bộ lặp. Bởi vì các hệ thống này đôi khi sử dụng sơ đồ homodyne hoặc homodyne nên chúng còn được gọi là hệ thống truyền thông sóng quang kết hợp. Trong các hệ thống thông tin sợi quang ở giai đoạn này, tổn thất sợi quang được bù bằng bộ khuếch đại sợi quang (EDFA) và sau khi bù, có thể truyền qua hàng nghìn km. Trong một thử nghiệm, bộ ghép sao được sử dụng để đạt được khả năng ghép kênh dữ liệu 100-kênh 622Gbit/s trên khoảng cách truyền 50km, với nhiễu xuyên âm giữa các kênh không đáng kể; trong một thử nghiệm khác, với tốc độ kênh đơn là 2,5Gbit/s, không sử dụng bộ tái tạo, suy hao sợi quang đã được bù bằng EDFA, với khoảng cách giữa các bộ khuếch đại là 80km và khoảng cách truyền là 2223km. Việc sử dụng công nghệ phát hiện mạch lạc trong hệ thống sóng quang không phải là điều kiện tiên quyết để sử dụng EDFA. Một số phòng thí nghiệm đã sử dụng các vòng tuần hoàn để đạt được tốc độ truyền dữ liệu 2,4Gbit/s, 2,1×10⁴km và 5Gbit/s, 1,4×10⁴km. Sự ra đời của bộ khuếch đại sợi quang đã gây ra những thay đổi lớn trong lĩnh vực truyền thông sợi quang.
Giai đoạn thứ năm: Hệ thống truyền thông sợi quang dựa trên tính năng nén phi tuyến tính để bù đắp sự mở rộng phân tán sợi quang, đạt được việc truyền tín hiệu xung phù hợp, cái gọi là-giao tiếp soliton quang học. Giai đoạn này kéo dài hơn 20 năm và đã đạt được những bước tiến đột phá. Mặc dù ý tưởng cơ bản này đã được đề xuất vào năm 1973, nhưng phải đến năm 1988, Phòng thí nghiệm Bell mới sử dụng phương pháp bù suy hao tán xạ Raman kích thích cho tổn thất sợi quang, truyền dữ liệu trên 4×10³km và năm sau đó đã mở rộng khoảng cách truyền lên 6×10³km. EDFA bắt đầu được sử dụng để khuếch đại soliton quang học vào năm 1989. Nó có lợi thế lớn hơn trong thực hành kỹ thuật và kể từ đó, một số phòng thí nghiệm quốc tế nổi tiếng bắt đầu xác minh tiềm năng to lớn của giao tiếp soliton quang học như giao tiếp đường dài-tốc độ cao. Từ năm 1990 đến năm 1992, các phòng thí nghiệm ở Hoa Kỳ và Vương quốc Anh đã sử dụng các vòng tuần hoàn để truyền dữ liệu 2,5Gbit/s và 5Gbit/s trên hơn 1×10⁴km; Các phòng thí nghiệm của Nhật Bản truyền dữ liệu 10Gbit/s trên 1×10⁶km. Năm 1995, các phòng thí nghiệm của Pháp truyền dữ liệu 20Gbit/s trên 1×10⁶km, với khoảng cách lặp lại là 140km. Năm 1995, các phòng thí nghiệm của Anh đã truyền dữ liệu 20Gbit/s trên 8100km và dữ liệu 40Gbit/s trên 5000km. Các thử nghiệm thực địa của hệ thống soliton quang tuyến tính cũng được tiến hành trong các mạng khu vực đô thị xung quanh Tokyo, Nhật Bản, truyền dữ liệu 10Gbit/s và 20Gbit/s trên phạm vi tương ứng là 2,5×10³km và 1×10³km. Vào năm 1994 và 1995, dữ liệu tốc độ cao 80Gbit/s và 160Gbit/s cũng được truyền tương ứng trên 500km và 200km.
