光纤通信
光信号由发射器产生。
光纤是用来传输信号的，同时需要保证光信号在光纤中不会衰减或严重变形。
光信号被接收器接收并转换成电信号。光纤通常被电话公司用来传输电话、互联网或有线电视信号。有时，一根光纤可以同时传输上述所有信号。与传统的铜线相比，光纤的信号衰减和干扰都提高了很多，特别是在长距离和大规模传输应用中，光纤的优势更加明显。然而，城市间使用光纤的通信基础设施的建设难度和材料成本通常难以控制，建成后系统维护的复杂程度和成本也较高。因此，早期的光纤通信系统大多用于长距离通信需求，以充分发挥光纤的优势，抑制日益增长的成本。
自2000年光通信市场崩溃以来，光纤通信的成本不断下降，已经可以和以铜缆为骨干的通信系统相媲美。
对于光纤通信行业来说，在1990年光放大器正式进入商用市场后，才真正实现了跨洋海底光缆等许多长距离光纤通信。到2002年，跨洋海底光缆总长度已经超过25万公里，每秒可承载的数据量已经超过2.56Tb，而且根据电信运营商的统计，这些数据从2002年开始就一直在大幅增长。从古至今，人们对远距离通信的需求从未稍有减少。随着时间的进步，从烽火到电报，再到1940年第一根同轴电缆的正式服役，这些通信系统的复杂程度和精细程度也在不断提高。但是，这些沟通方式都有自己的局限性。利用电信号传输信息虽然速度快，但传输距离会需要大量的中继器)；因为电信号容易衰减。微波通信虽然可以利用空气作为介质，但也受到载频的限制。直到二十世纪中叶，人们才意识到利用光来传递信息可以带来许多过去所没有的显著好处。
但当时还没有高相干的相干光源，也没有合适的传输光信号的介质，所以光通信一直只是一个概念。直到公元1960年，激光的发明才解决了第一个问题。1970之后，康宁玻璃厂研发出高品质低衰减光纤，解决了第二个问题。此时，信号在光纤中传输的衰减首次低于光纤通信之父高锟提出的20dB/km衰减阈值，证明了光纤作为通信介质的可能性。同时，还发明了砷化镓(GaAs)制成的半导体激光器，并凭借其体积小而广泛应用于光纤通信系统中。1976年，第一个速度为44.7Mbit/s的光纤通信系统在美国亚特兰大的地下管道中诞生。
经过五年的研发，1980推出了第一个商用光纤通信系统。人类历史上第一个光纤通信系统使用波长为800纳米的砷化镓激光器作为光源，数据速率达到45Mb/s(比特每秒)，每10公里需要一个中继器来增强信号。
第二代商用光纤通信系统也是在1980之后开发出来的，使用的是波长为1300 nm的InGaAsP激光器。虽然早期的光纤通信系统受到色散的影响，信号质量受到影响。但是1981年单模光纤的发明克服了这个问题。到1987，一个商用光纤通信系统的传输速率已经达到1.7Gb/s，比第一个光纤通信系统快了近四十倍。同时发射功率和信号衰减的问题也得到了明显的改善，每50公里需要一个中继器来增强信号。1980年末，EDFA诞生了，这是光通信史上的一个里程碑。它使光纤通信能够直接中继，使长距离高速传输成为可能，促进了DWDM的诞生。
第三代光纤通信系统采用波长为1550 nm的激光作为光源，信号衰减已经低至0.2dB/km。过去，使用铟镓砷磷化物激光器的光纤通信系统经常遇到脉冲扩展的问题，但科学家们设计了一种色散位移光纤来解决这些问题。当这种光纤传输1550 nm的光波时，色散几乎为零，因为它可以将激光的光谱限制在单纵模。这些技术突破使第三代光纤通信系统的传输速率达到2.5Gb/s，中继器间距可达100公里。
第四代光纤通信系统引入了光放大器，以进一步减少对中继器的需求。此外，波分复用(WDM)技术大大提高了传输速率。随着这两项技术的发展，光纤通信系统的容量以每六个月翻一番的速度大幅跃升。到2001，已经达到了10Tb/s的惊人速率，是80年代光纤通信系统的200倍。近年来，传输速率进一步提高到14Tb/s，每160 km只需要一个直放站。
第五代光纤通信系统发展的重点是扩大波分复用器的波长工作范围。传统的波长范围，俗称“c波段”，约为1530 nm至1570 nm，而新型干光纤的低损耗波段延伸至1300 nm至1650 nm。另一种正在发展的技术是引入光孤子的概念，利用光纤的非线性效应，使脉冲波抗色散，保持原来的波形。
1990-2000年，光纤通信行业在互联网泡沫的影响下有了很大的增长。此外，一些新兴的网络应用，如视频点播，使得互联网带宽的增长甚至超过了摩尔定律所预期的集成电路芯片中晶体管的增长速度。从互联网泡沫破灭到2006年，光纤通信行业通过巩固和扩大企业规模，外包生产降低成本，延续了自己的生命。
现在的发展前沿是全光网络，这样光通信就可以完全取代电信号通信系统。当然还有很长的路要走。在光纤通信系统中，通常用作光源的半导体元件是发光二极管(LED)或激光二极管。LED和激光二极管的主要区别在于，前者发出的光是非相干的，而后者是相干的。使用半导体作为光源的优点是体积小、发光效率高、可靠性好、波长优化。更重要的是，半导体光源可以在高频工作下直接调制，非常适合光纤通信系统的需要。
LED利用电致发光原理发出非相干光，频谱通常在30nm-60nm之间散射。LED的另一个缺点是发光效率低。通常只有1%的输入功率可以转换成光功率，大约是100 MW[微米(μ)瓦(μW)]。但是LED因为成本低，所以经常用于低成本的应用。光通信中常用的LED主要材料是砷化镓或砷化镓磷(GaAsP)，其发光波长约为1300 nm，比砷化镓的810 nm到870 nm更适合光纤通信。由于LED光谱范围广，色散严重，这也限制了其传输速率与传输距离的乘积。局域网(LAN)通常使用LED，传输速率为100Mb/s到100 MB/s，传输距离也在几公里以内。目前LED中有几个量子阱，可以发出不同波长的光，覆盖很宽的光谱。这种LED广泛用于区域波分复用网络。
半导体激光器的输出功率通常在100微瓦(μW)左右，是方向性比较强的相干光源，与单模光纤的耦合效率通常可以达到50%。激光的窄输出光谱也有助于提高传输速率，减小模型色散。半导体激光器也可以在相当高的工作频率下被调制，因为它们的复合时间非常短。
半导体激光器通常可以根据输入电流直接调制其开关状态和输出信号，但对于一些传输速率非常高或传输距离很长的应用，激光光源可能以连续波的形式进行控制，如使用外部电吸收调制器或马赫-曾德尔干涉仪来调制光信号。外部调制元件可以大大减少激光器的“啁啾脉冲”。啁啾脉冲会加宽激光的谱线宽度，并使光纤中的色散严重。过去光纤通信的距离限制主要来源于信号在光纤中的衰减和信号变形，解决方法是使用光电转换中继器。这种中继器先将光信号转换回电信号进行放大，再转换成更强的光信号传输到下一个中继器。但这种系统架构无疑更加复杂，不适合新一代波分复用技术。同时，每20公里需要一个中继器，这使得整个系统的成本很难降低。
光放大器的目的是直接放大光信号，不需要光电和电光转换。光放大器的原理是在一段光纤中掺入铒等稀土元素，然后用短波长激光泵浦。这样，光信号可以被放大以取代中继器。光接收器的主要部件是光电探测器，它通过光电效应将入射的光信号转换成电信号。光电探测器通常是基于半导体的光电二极管，例如pn结二极管、p-i-n二极管或雪崩二极管。此外，“金属-半导体-金属”(MSM)光电探测器由于与电路的良好集成性，也被用于光再生器或波分复用器。
光接收机电路通常使用跨阻放大器(TIA)和限幅放大器来处理光电探测器转换的光电流。跨阻放大器和限幅放大器可以将光电流转换成小幅度的电压信号，再通过后端的比较器电路转换成数字信号。对于高速光纤通信系统来说，信号衰减往往比较严重。为了防止接收器电路输出的数字信号超出规格，通常在接收器电路的后级添加时钟恢复电路(CDR)和锁相环(PLL ),以在输出信号之前适当地处理信号。对于现代玻璃光纤来说，最严重的问题不是信号衰减，而是色散，即信号在光纤中传输一定距离后逐渐扩散重叠，使得接收端难以分辨信号的高低。光纤中的色散有许多原因。以模式色散为例，信号横模的轴向速度不一致导致色散，也限制了多模光纤的应用。在单模光纤中，模式之间的色散可以被抑制得非常低。
然而，单模光纤也存在同样的色散问题，通常称为群速色散。原因是玻璃的折射率对于不同波长的入射光波略有不同，光源发出的光波不可能没有光谱分布，这也导致光波在光纤中因为波长的细微差别而有不同的折射行为。单模光纤中的另一种常见色散称为偏振模色散。原因是虽然单模光纤中一次只能容纳一个横模光波，但横模光波可以在两个方向偏振，光纤中的任何结构缺陷和变形都可能使这两个偏振方向的光波具有不同的传输速度，这也称为光纤双折射。这种现象可以通过保偏光纤来抑制。然而，对于短距离和低带宽通信应用，使用电信号的传输具有以下优点:
降低建设成本
易于组装
电力系统可以用来传输信息。
由于这些优点，信息通常在短距离内传输，例如在主机之间、电路板之间甚至集成电路芯片之间。但是，目前一些实验系统已经改变了照明来传输信息。
在一些低带宽的场合，光纤通信仍有其独特的优势:
它能抵抗电磁干扰，包括核引起的电磁脉冲。(但是，光纤可能会被α或β射线破坏。)
对电信号的阻抗极高，因此可以在高电压或不同地电位条件下安全工作。
轻量化，这在飞机上尤为重要。
不会产生火花，这在一些易燃环境中很重要。没有电磁辐射，不容易被窃听，这对于需要高安全性的系统非常重要。
当绕组路径受限时，小线径变得很重要。为了使不同的光纤通信设备制造商拥有* * *通信标准，国际电信联盟(ITU)制定了几个与光纤通信相关的标准，包括:
ITU-T G.651，50/125微米多模渐变折射率光缆的特性
ITU-T G.652，单模光缆的特性
关于光纤通信的其他标准规定了发送和接收端或传输介质的规范，包括:
10G以太网(10千兆以太网)
光纤分布式数据接口
光纤通道(光纤通道)
HIPPI
同步数字体系(同步数字体系)
同步光网络(同步光网络)。
此外，在数字音效领域，还有一种通过光纤传输信息的规范，即日本东芝公司制定的TOSLINK规范。塑料光纤(POF)用作介质，该系统包括具有红色LED的发射器和具有集成光电探测器和放大器电路的接收器。