无论是烽火台还是用灯、手、眼所组成的光通信系统，都不是真正用光来进行“通话”。而第一位用光来进行“通话”实验的是美国著名科学家和发明家贝尔。贝尔是电话的发明人，1876年他发明电话后，1880年他又用可见光波来进行通话，传送了几百米远，他称这种电话为“光电话”。贝尔在世界上第一次用光波把声音传送出去。但由于当时的技术条件限制，包括光源、探测器、调制器、解调器、电子元器件、传输介质等多种因素的限制，只能做一做原理性实验，没有什么实用价值，因此很长时间没有得到发展和推广。
直到1960年麦曼制作的世界上第一台激光器问世，光通信才又活跃起来。因为激光作为一种崭新的光源，具有强度高、方向性好、相干性好等优点。科学家们立即意识到，由于光波频率比微波高，若作为载波，它的信息容量将比微波大很多。另外，由于光波的波长很短，和微波相比，它的衍射效应也要小很多。因此，用这种相干性很好的激光光波来代替微波进行大气通信，将是非常理想的。所谓衍射效应，它是波的一种属性，是当波传播时受到某种孔径，如发射天线的限制时，波束会发散。无论是微波或光波，当它通过直径为D的天线发射出去时，由于波的衍射效应，使光束或波束发散，其光束或波束的发散角Φ=1.22λ/D，其中λ为光波或微波的波长。由于微波的波长λ微比光波的波长λ光要大几个数量级，因此，光波通信和微波通信相比，在同样的发散角Φ的条件下，采用光波通信所需要的发射天线的口径或直径可以很小很小，要小几个数量级。或者换一种说法，光通信可以将光束的发散角Φ压缩得非常小，即光束的方向性、定向性很好，能够使光能量集中在一个方向上在非常小的范围内进行传送，因此，可传送得很远且保密性很好。正是由于这些优点，在世界上第一台激光器问世后，使得贝尔最早开始的大气光通信又蓬勃发展了一段时期。
但是，好景不长，虽然激光光束的方向性、定向性很好，能够使光能量集中在非常小的范围内在一个方向上进行传送，这似乎应当使激光传送得很远，但是由于地球表面大气层中云、雾、雨、雪对激光束的强烈衰减，使得作为“无线光通信”的大气光通信的前景又暗淡下来。但尽管如此，正是这段时期大气光通信的辉煌发展，对于光源、光电探测器、光调制器、光学元器件、各种光学材料包括非线性光学材料等的发展，都产生了极大的推动作用。另外，这段时期大气光通信的发展，对将来在一些特殊场合下的使用以及空间或卫星间的光通信的发展，无疑是有巨大意义的，会产生深远的影响。
为了克服“无线光通信”中传输介质大气的不良影响，人们自然想到是否可以采用“有线光通信”的方式，即传输介质不通过大气而采用有线的方式。于是，有人提出采用“透镜波导”将光束缚在波导中进行传输来避免大气的影响。所谓“透镜波导”，是在管道中隔一定距离安装上一片会聚透镜，使传播过程中发散了的光束不断地隔一定距离又重新再会聚一次，这样将光波约束在管道内进行传播。至于光束的转弯，则可用棱镜或者反射镜来实现。这种透镜波导虽然能避免大气的影响，损耗也较小，但毕竟体积大，不便于安装和使用，因而未能得到实际推广应用。
将光波约束在波导内进行传播以避免大气的影响，人们自然想到了光纤。光纤也是一种波导，它和透镜波导的不同在于传输介质不是空气而是玻璃，光纤将光波束缚在光纤芯内进行传播。但是在1970年以前，即使使用一般人看来非常透明的光学玻璃材料制作的光纤，其损耗都非常大，一般是每公里上千分贝甚至更高，根本无法在光通信中使用。光学玻璃材料的损耗是以厘米为单位计算的，当时使用这种光学玻璃材料制作的光纤，长度一般最多都只有几米长，对这样大的损耗还是能够容许的。由于材料对光的衰减是和长度或厚度成指数关系的，以往用所谓非常透明的光学玻璃所制作的各种光学元器件，厚度最多只有1～2cm，所以损耗不是主要的严重的问题。虽然光学玻璃看来已经相当“透明”，但是到了上千米的长度，情况就变得非常严重以致到达无法容忍的程度。经过理论和实验分析，发现当时光纤损耗高的主要原因是由于杂质、OH离子以及一些过渡元素等产生的对光的吸收造成的。1966年，英国科学家Kao等预言，光纤损耗降低到20dB/km是可能的。若达到这一指标，光纤通信将是可能实现的。1970年，美国Corning公司第一次宣布它所研制的高纯硅酸盐玻璃单模光纤的损耗已小于20dB/km，从而打开了光纤通信走向实用化的大门，使光纤通信迅速地发展起来。几年之后，光纤损耗不断迅速下降，达到1dB/km甚至更低。
光纤通信的发展和与之相关的关键元器件的发展是紧密相联的。作为传输介质的光纤，当然是其中最关键的元器件之一，但除此之外，光源和光电探测器也是光纤通信系统中的关键元器件。光纤通信是一门综合技术，没有光源和光电探测器的进步也是不可能的。在20世纪50年代末和60年代，固体技术、半导体材料和工艺技术等得到了迅速的发展。作为可见光和近红外波段的半导体硅光电探测器的工艺水平已经相当成熟，包括Si-PIN和Si=APD(硅雪崩光电二极管)。因此，作为光纤通信系统来说，完全可以借用，不存在重大问题。但是作为光纤通信系统中的光源—半导体激光器来说，仍然是除了光纤以外的另一个大障碍。虽然半导体激光器已经于1962年问世，但开始它只能在低温液氮下以脉冲方式工作，阈值高，寿命短。值得庆幸的是，由于采用所谓异质结结构这一关键工艺技术，使得半导体激光器阈值迅速下降．并开始能在室温工作。特别是在1970年，由于采用双异质结结构，使得GaAs/GaAlAs半导体激光器实现了室温连续运转工作，为光纤通信走向实用化在光源方面奠定了基础。所谓“双异质结结构”，是指在具有较宽能带间隙的N型和P型半导体材料之间，夹一层能带间隙较窄的半导体材料作为有源层，形成势阱，将载流子限制在这一势阱内以有利于形成激光振荡。虽然半导体激光器实现了室温连续运转，但开始工作寿命还很短，只能工作一两小时。要使光纤通信真正走向实用化，半导体激光器的工作寿命必须在百万小时以上。又经过近十年的努力，在20世纪70年代末，这一目标终于实现了。光纤通信才完全走上实用化、商业化的轨道。
半导体激光器有许多优点，如它的调制速度高、谱线窄、发散角小、易于和光纤耦合等，因此特别适合于在长距离光纤通信系统中使用。但是半导体激光器并不是光纤通信系统中使用的唯一的光源。对于中、短距离的光纤通信系统，半导体发光二极管(LED)同样也是一种很好的光源，半导体发光二极管的最大优点是寿命长、价格低、线性好。在光纤通信系统中究竟是使用半导体激光器，还是使用半导体发光二极管，要根据系统的综合技术指标来考虑，以获得最佳的价格／性能比。
光纤通信最初的工作波段是在0.85μm附近，使用的光源是GaAs/GaAlAs半导体器件，探测器是硅半导体器件。后来发现在1.3μm附近，光纤的损耗和色散都更低，特别是在1.32μm附近，是光纤的零色散点；而在1.55μm附近，是光纤的最低损耗点。因此，光纤通信自然而然地向1.3μm～1.55μm的长波长方向发展。同时，这也促进和推动光源和光电探测器向1.3μm～1.55μm的长波长方向发展。于是，出现了InGaAsP/InP，四元化合物的长波长半导体激光器件和半导体光电探测器件以及Ge半导体光电探测器件的发展。
综上所述，光纤通信的发展经历了从20世纪60年代的准备阶段，70年代的实验和试用阶段，80年代的实际商业运行阶段发展到了90年代的世界范围大规模使用阶段的发展过程。
二、光通信的概念及系统的基本组成
所谓通信，就是互通信息，互相传递信息。信息的含义很广，声音是信息，图像是信息，数据也是信息。因此，通信不仅是打电话，传电视、传数据也是通信。通信的基本目的是将信息尽可能不失真地从一个用户传递给另一个用户，或者反过来进行传送。而光通信，顾名思义，就是利用光波来进行通信。光通信是相对于电通信而言的。以往的电通信，包括有线电通信和无线电通信，是利用电磁波来进行通信的。当然，光波也是一种电磁波，只不过它的频率更高，波长更短。图31是电磁波频谱图。由图中可以看出，光波只占整个电磁波频谱中的一部分。我们现在所说的光通信中的光波，不是狭义上的只为肉眼所能看见的可见光，而是广义上的包括红外线在内的整个部分。整个电通信的发展过程，是从长波到短波，从低频到高频，即从低频无线电波到高频微波的发展过程。从图31可以看出，光波，包括红外线，它们的波长比微波更短，频率比微波更高，因此，从电通信中的微波通信向光通信方向发展，是一种自然的，也是必然的趋势。
光通信是利用光波来进行通信，光通信系统的基本组成结构框图如图32所示：在A端将各个从用户来的信息，包括电报、电话、传真、图表文字、图像、电视、可视电话、数据等各种信息，以电信号的形式送到电终端，电终端将所有这些电信号信息组合起来变成复合电信号。这种组合过程又称为复用。然后，这种复合电信号再送到光终端中去调制，使这些电信号变成光信号，以光信号的形式进入传输介质进行传送。传输介质可以是大气或真空，也可以是光纤或光波导。由于光信号经过一定距离传输后不可避免地会受到各种衰减，光信号将变得越来越弱；同时，由于传输路径上的各种干扰，还会引起信号失真。需要中继器对被衰减并产生失真的光信号进行放大、整形，然后再进行传输。中继器就象加油站一样，使接力赛跑的接力棒一次一次地往下传。中继方式有光—电—光方式和光—光方式两种。在光—电—光方式中，首先需要将光信号变成电信号，然后对电信号进行放大整形，最后再用放大整形后的电信号去驱动光源而得到新的幅度较强、波形较好的光信号，再进行下一级传送。光—光方式是直接将光信号进行光放大，而无须先将光信号转换成电信号。近年来迅速发展起来的掺铒光纤放大器，就可以用于光—光中继方式。当光信号传送到B端以后，首先进入B端的光终端，在光终端中将光信号解调出来变成电信号，经过放大整形后再送到电终端进行解复用，同时还将对信号进行交换，使其正确无误地到达指定的用户；反过来，信息由B端传送到A端，是完全类似的相反的过程。当然，实际的光通信系统比这复杂得多，但基本组成是没有多大变化的。
从光通信系统的基本组成可以看出，虽然光波是属于整个电磁波频谱中的一部分，但光通信毕竟和一般的电通信不同，其主要差别在于光终端和传输介质，即在光终端中使用的光源、光电探测器和其它一些光学元件，而传给介质使用的是由光纤构成的光缆，不是一般的电缆等。
由于光通信和一般的电通信主要差别在于光终端和传输介质，即在光终端中使用的光源、光电探测器和其它一些光学元件以及光纤等，因此，下面用图33来进一步说明光信号的处理和传递过程：待传送的信号经过编码器编码后加到调制器上去调制光源发出的光，被调制后的光由发射光学系统发送出去。因为光波也是一种电磁波，发射光学系统所起的作用和无线电发射天线所起的作用完全相同，因此，发射光学系统又称发射天线。由发射天线发送出去的光信号经过传输介质，如大气、光纤等，到达接收端。在接收端，由接收光学系统或接收天线将光聚焦到光电探测器上，光电探测器的作用是将光信号转变成电信号。由于光信号经过长距离传输后会衰减和失真，因此需先用前置放大器将其放大整形，然后送解码器进行解码，最后由终端显示器，如电话、传真机、电视等将原始信号显示出来。
三、光通信系统的分类
光通信系统可以按不同的方式来进行分类。
若按传输介质来进行分类，可分为大气光通信系统和光纤通信系统。大气光通信系统是属于无线通信系统，它的传输介质是大气或真空。由于地球表面大气层对光衰减很严重，因此地面大气光通信的发展受到限制。但是今后卫星之间的光通信，即空间或深空光通信系统，仍然是非常有前途的。因为在宇宙空间中，传输介质几乎是真空，没有大气干扰和衰减的问题。光纤通信系统是属于有线通信系统，它的传输介质是光纤。
若按调制方式来进行分类，可分为模拟光通信系统和数字光通信系统。模拟光通信系统传送的是模拟信号，数字光通信系统传送的是数字信号。所谓模拟信号，是指在幅度上和时间上都是连续变化的信号；所谓数字信号，是指在幅度上和时间上都是不连续变化的、离散的信号。对于一般的脉冲信号，虽然它在时间上是间断的、不连续的，但它在幅度或宽度上仍是连续变化的，我们一般也认为它们是模拟信号而不是数字信号。因此，不能将脉冲调制方式一律看作是数字调制方式，不能将两者简单地等同起来。但是，数字调制方式必然是脉冲调制的。模拟调制方式有许多类型，如强度调制(IM)、幅度调制(AM)、频率调制(FM)、相位调制(PM)、脉位调制(PPM)、脉宽调制(PWM或PDM)、脉幅调制(PAM)、脉冲频率调制或脉冲数调制(PFM或PNM)等等。数字调制方式主要有脉冲编码调制(PCM)、差分脉冲编码调制(DPCM)、增量调制(△M)等。由于数字通信系统所占的带宽比较宽，而带宽非常宽又是光纤的主要优点之一，因此，光纤通信系统特别适合于采用数字调制方式的数字通信系统，光纤通信的发展极大地促进和推动了数字通信的发展。虽然光纤通信和数字通信两者是密切相关的，但光纤通信和数字通信毕竟是两个不同的概念，两个不同的范畴，不能将两者等同起来，混为一谈。
