เครือข่ายใยแก้วนำแสงเป็นวิธีการสื่อสารที่ใช้สัญญาณที่เข้ารหัสด้วยแสงเพื่อส่งข้อมูลในเครือข่ายโทรคมนาคม ประเภทต่างๆ ซึ่งรวมถึง เครือข่ายบริเวณจำกัด(LAN) หรือเครือข่ายบริเวณกว้าง (WAN) ที่ครอบคลุมพื้นที่เมืองและภูมิภาค ตลอดจนเครือข่ายระยะไกลระดับชาติ ระหว่างประเทศ และข้ามมหาสมุทร เป็นรูปแบบหนึ่งของการสื่อสารด้วยแสง ที่ อาศัยเครื่องขยายสัญญาณแสงเลเซอร์หรือLEDและการมัลติเพล็กซ์แบบแบ่งความยาวคลื่น (WDM) เพื่อส่งข้อมูลจำนวนมาก โดยทั่วไปผ่านสายเคเบิลใยแก้วนำแสงเนื่องจากมีความสามารถในการรองรับแบนด์วิดท์ สูงมาก จึงเป็นเทคโนโลยีสำคัญสำหรับอินเทอร์เน็ตและเครือข่ายโทรคมนาคมที่ส่งข้อมูลระหว่างมนุษย์และเครื่องจักรเป็นส่วนใหญ่

เครือข่ายใยแก้วนำแสงที่พบได้บ่อยที่สุดคือเครือข่ายการสื่อสารเครือข่ายแบบตาข่ายหรือเครือข่ายแบบวงแหวนซึ่งมักใช้ในระบบระดับเมือง ระดับภูมิภาค ระดับประเทศ และระดับนานาชาติ อีกรูปแบบหนึ่งของเครือข่ายใยแก้วนำแสงคือเครือข่ายใยแก้วนำแสงแบบพาสซีฟซึ่งใช้ตัวแยกสัญญาณแสงแบบไม่ใช้พลังงานเพื่อเชื่อมต่อใยแก้วนำแสงเส้นเดียวไปยังสถานที่ต่างๆ หลายแห่งสำหรับการใช้งาน ในระยะสุดท้าย (last mile )

เครือข่ายออปติคอลในอวกาศใช้หลักการเดียวกันกับเครือข่ายใยแก้วนำแสงหลายอย่าง แต่ส่งสัญญาณผ่านพื้นที่โล่งโดยไม่ต้องใช้ใยแก้วนำ แสง กลุ่มดาวเทียม ที่วางแผนไว้หลายกลุ่ม เช่นStarlink ของ SpaceXซึ่งมีจุดประสงค์เพื่อให้บริการอินเทอร์เน็ตทั่วโลก จะใช้การสื่อสารด้วยเลเซอร์ ไร้สาย เพื่อสร้างเครือข่ายออปติคอลแบบตาข่ายระหว่างดาวเทียมในอวกาศ^{[ 1 ]}เครือข่ายออปติคอลบนอากาศระหว่างแพลตฟอร์มระดับสูงได้รับการวางแผนไว้เป็นส่วนหนึ่งของProject Loon ของ GoogleและAquila ของ Facebookโดยใช้เทคโนโลยีเดียวกัน^{[ 2 ] [ 3 ]}

เครือข่ายใยแก้วนำแสงแบบไร้สายยังสามารถใช้ในการสร้างเครือข่ายภาคพื้นดินชั่วคราวได้ เช่น เพื่อเชื่อมต่อเครือข่าย LAN ในวิทยาเขต

ส่วนประกอบของระบบเครือข่ายใยแก้วนำแสงประกอบด้วย:

• สายไฟเบอร์ออปติก แบบมัลติโหมดหรือแบบซิงเกิลโหมด
• แหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์หรือ LED
• มัลติเพล็กเซอร์/ดีมัลติเพล็กเซอร์หรือเรียกอีกอย่างว่า mux/demux, ฟิลเตอร์ หรือปริซึม ซึ่งอาจรวมถึงOptical Add/Drop Multiplexer (OADM) และReconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer (ROADM)
• สวิตช์แสง ใช้สำหรับส่งแสงระหว่างพอร์ตโดยไม่ต้องแปลงสัญญาณแสงเป็นไฟฟ้าแล้วกลับมาเป็นแสงอีกครั้ง
• ตัวแยกสัญญาณแสง (Optical splitter ) ใช้สำหรับส่งสัญญาณผ่านเส้นทางใยแก้วนำแสงที่แตกต่างกัน
• ตัวหมุนเวียน (Circulator)ใช้สำหรับเชื่อมต่อส่วนประกอบอื่นๆ เช่น OADM
• เครื่องขยายสัญญาณแสง
• ตัวแยกสัญญาณแบบแบ่งคลื่น (Wave division multiplexer )

ในยุคเริ่มต้น เครือข่ายโทรคมนาคมอาศัยสายทองแดงในการส่งข้อมูล แต่แบนด์วิดท์ของสายทองแดงมีข้อจำกัดเนื่องจากคุณสมบัติทางกายภาพ กล่าว คือ เมื่อความถี่ของสัญญาณเพิ่มขึ้นเพื่อส่งข้อมูลมากขึ้น พลังงานของสัญญาณก็จะสูญเสียไปในรูปของความร้อน มากขึ้น นอกจากนี้ สัญญาณไฟฟ้ายังสามารถรบกวนซึ่งกันและกันได้เมื่อสายไฟอยู่ใกล้กันเกินไป ซึ่งเป็นปัญหาที่เรียกว่า ครอสทอล์ก (crosstalk) ในปี 1940 ระบบสื่อสารระบบแรกใช้สายเคเบิลโคแอกเซียลที่ทำงานที่ความถี่ 3 เมกะเฮิร์ตซ์ และสามารถรองรับการสนทนาทางโทรศัพท์ได้ 300 สาย หรือช่องโทรทัศน์ 1 ช่อง ในปี 1975 ระบบโคแอกเซียลที่ทันสมัยที่สุดมีอัตราการส่งข้อมูล 274 เมกะบิตต่อวินาที แต่ระบบความถี่สูงเช่นนี้จำเป็นต้องมีตัวทวนสัญญาณทุกๆ ประมาณหนึ่งกิโลเมตรเพื่อเสริมความแรงของสัญญาณ ทำให้เครือข่ายดังกล่าวมีค่าใช้จ่ายในการดำเนินงานสูง

เป็นที่ชัดเจนว่าคลื่นแสงสามารถมีอัตราการส่งข้อมูลที่สูงขึ้นมากโดยไม่มีการรบกวน ในปี 1957 กอร์ดอน กูลด์ได้อธิบายถึงการออกแบบเครื่องขยายสัญญาณแสงและเลเซอร์ เป็นครั้งแรก ซึ่งต่อมาได้รับการสาธิตโดยธีโอดอร์ ไมแมน ในปี 1960 เลเซอร์เป็นแหล่งกำเนิดคลื่นแสง แต่จำเป็นต้องมีตัวกลางในการนำแสงผ่านเครือข่าย ในปี 1960 เส้นใยแก้วถูกนำมาใช้ในการส่งแสงเข้าสู่ร่างกายเพื่อการถ่ายภาพทางการแพทย์ แต่มีการสูญเสียทางแสงสูง กล่าวคือ แสงถูกดูดซับขณะที่ผ่านแก้วในอัตรา 1 เดซิเบลต่อเมตร ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่เรียกว่าการลดทอนในปี 1964 ชาร์ลส์ เกาแสดงให้เห็นว่าในการส่งข้อมูลในระยะทางไกล เส้นใยแก้วจะต้องมีการสูญเสียไม่เกิน 20 เดซิเบลต่อกิโลเมตร ความก้าวหน้าครั้งสำคัญเกิดขึ้นในปี 1970 เมื่อโดนัลด์ บี. เค็กโรเบิร์ต ดี. เมารอร์และปีเตอร์ ซี. ชูลซ์จากบริษัทคอร์นิง อินคอร์ปอเรทออกแบบเส้นใยแก้วที่ทำจากซิลิกาหลอมเหลว โดยมีการสูญเสียเพียง 16 เดซิเบลต่อกิโลเมตร เส้นใยของพวกเขาสามารถส่งข้อมูลได้มากกว่าทองแดงถึง 65,000 เท่า

ระบบไฟเบอร์ออปติกระบบแรกสำหรับการรับส่งข้อมูลโทรศัพท์แบบเรียลไทม์เกิดขึ้นในปี 1977 ที่ลองบีช รัฐแคลิฟอร์เนีย โดยบริษัทGeneral Telephone and Electronicsด้วยอัตราการส่งข้อมูล 6 เมกะบิตต่อวินาที ระบบรุ่นแรกๆ ใช้แสงอินฟราเรดที่ความยาวคลื่น 800 นาโนเมตร และสามารถส่งข้อมูลได้สูงสุด 45 เมกะบิตต่อวินาที โดยมีตัวทวนสัญญาณห่างกันประมาณ 10 กิโลเมตร ในช่วงต้นทศวรรษ 1980 ได้มีการนำเลเซอร์และตัวตรวจจับที่ทำงานที่ 1300 นาโนเมตร ซึ่งมีการสูญเสียทางแสง 1 เดซิเบลต่อกิโลเมตร มาใช้ และในปี 1987 ระบบเหล่านี้สามารถทำงานได้ที่ 1.7 กิกะบิตต่อวินาที โดยมีระยะห่างระหว่างตัวทวนสัญญาณประมาณ 50 กิโลเมตร^{[ 4 ]}

ความจุของเครือข่ายใยแก้วนำแสงเพิ่มขึ้นส่วนหนึ่งเนื่องมาจากการปรับปรุงส่วนประกอบต่างๆ เช่น เครื่องขยายสัญญาณแสงและตัวกรองแสงที่สามารถแยกคลื่นแสงออกเป็นความถี่ที่มีความแตกต่างกันน้อยกว่า 50 GHz ทำให้สามารถบรรจุช่องสัญญาณได้มากขึ้นในใยแก้วนำแสง เครื่องขยายสัญญาณแสงที่เจือด้วยเออร์เบียม (EDFA) ได้รับการพัฒนาโดยDavid Payneที่มหาวิทยาลัย Southamptonในปี 1986 โดยใช้อะตอมของธาตุหายากเออร์เบียมที่กระจายอยู่ตามความยาวของใยแก้วนำแสง เลเซอร์ปั๊มจะกระตุ้นอะตอม ทำให้เกิดการปล่อยแสง จึงช่วยเพิ่มสัญญาณแสง เมื่อการเปลี่ยนแปลงกระบวนทัศน์ในการออกแบบเครือข่ายดำเนินไป เครื่องขยายสัญญาณหลากหลายประเภทก็เกิดขึ้น เนื่องจากระบบการสื่อสารด้วยแสงส่วนใหญ่ใช้เครื่องขยายสัญญาณใยแก้วนำแสง^{[ 5 ]}เครื่องขยายสัญญาณที่เจือด้วยเออร์เบียมเป็นวิธีการที่ใช้กันทั่วไปในการรองรับระบบมัลติเพล็กซ์แบบแบ่งความยาวคลื่นหนาแน่น^{[ 6 ]}ในความเป็นจริง EDFA แพร่หลายมากจนเมื่อ WDM กลายเป็นเทคโนโลยีที่เลือกใช้ในเครือข่ายแสง เครื่องขยายสัญญาณเออร์เบียมจึงกลายเป็น "เครื่องขยายสัญญาณแสงที่เลือกใช้สำหรับแอปพลิเคชัน WDM" ^{[ 7 ]}ปัจจุบัน EDFA และตัวขยายสัญญาณแสงแบบไฮบริดถือเป็นส่วนประกอบที่สำคัญที่สุดของระบบและเครือข่ายมัลติเพล็กซ์แบบแบ่งคลื่น^{[ 8 ]}  

การใช้เครื่องขยายสัญญาณแสงทำให้ความสามารถในการส่งข้อมูลของใยแก้วนำแสงเพิ่มขึ้นอย่างมากด้วยการนำ ระบบ มัลติเพล็กซ์แบบแบ่งความยาวคลื่น (WDM) มาใช้ในช่วงต้นทศวรรษ 1990 ห้องปฏิบัติการเบลล์ของ AT&T ได้พัฒนากระบวนการ WDM ซึ่งปริซึมจะแยกแสงออกเป็นความยาวคลื่นที่แตกต่างกัน ซึ่งสามารถเดินทางผ่านใยแก้วนำแสงได้พร้อมกัน ความยาวคลื่นสูงสุดของแต่ละลำแสงจะอยู่ห่างกันมากพอที่จะทำให้ลำแสงสามารถแยกแยะออกจากกันได้ ทำให้เกิดช่องสัญญาณหลายช่องภายในใยแก้วนำแสงเส้นเดียว ระบบ WDM รุ่นแรกๆ มีเพียงสองหรือสี่ช่องสัญญาณ—ตัวอย่างเช่น AT&T ได้ติดตั้งระบบส่งสัญญาณระยะไกล 4 ช่องสัญญาณข้ามมหาสมุทรในปี 1995 ^{[ 9 ]}อย่างไรก็ตาม เครื่องขยายสัญญาณที่เจือด้วยเออร์เบียมซึ่งเป็นส่วนประกอบของระบบเหล่านี้ ไม่ได้ขยายสัญญาณอย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งช่วงการขยายสเปกตรัม ในระหว่างการสร้างสัญญาณใหม่ ความคลาดเคลื่อนเล็กน้อยในความถี่ต่างๆ ทำให้เกิดระดับสัญญาณรบกวนที่ไม่สามารถยอมรับได้ ทำให้ WDM ที่มีมากกว่า 4 ช่องสัญญาณไม่สามารถใช้งานได้จริงสำหรับการสื่อสารผ่านใยแก้วนำแสงที่มีความจุสูง

เพื่อแก้ไขข้อจำกัดนี้Optelecom , Inc. และGeneral Instruments Corp.ได้พัฒนาส่วนประกอบเพื่อเพิ่มแบนด์วิดท์ของไฟเบอร์ด้วยช่องสัญญาณที่มากขึ้น Optelecom และหัวหน้าฝ่าย Light Optics วิศวกร David Huber และKevin Kimberlinได้ร่วมกันก่อตั้งCiena Corpในปี 1992 เพื่อออกแบบและทำการตลาดระบบโทรคมนาคมแบบออปติคอล โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อขยายความจุของระบบเคเบิลเป็น 50,000 ช่องสัญญาณ^{[ 10 ] [ 11 ]} Ciena ได้พัฒนาเครื่องขยายสัญญาณออปติคอลแบบสองขั้นตอนที่สามารถส่งข้อมูลด้วยอัตราขยายที่สม่ำเสมอในหลายความยาวคลื่น และด้วยเหตุนี้ ในเดือนมิถุนายน 1996 จึงได้เปิดตัวระบบ WDM หนาแน่นเชิงพาณิชย์ระบบแรก ระบบ 16 ช่องสัญญาณดังกล่าว ซึ่งมีความจุรวม 40 Gbit/s ^{[ 12 ]}ได้ถูกนำไปใช้งานบน เครือข่าย Sprintซึ่งเป็นผู้ให้บริการอินเทอร์เน็ตรายใหญ่ที่สุดของโลกในขณะนั้น^{[ 13 ]}การประยุกต์ใช้การขยายสัญญาณด้วยแสงทั้งหมดในเครือข่ายสาธารณะครั้งแรกนี้^{[ 14 ]}ถูกนักวิเคราะห์มองว่าเป็นลางบอกเหตุของการเปลี่ยนแปลงถาวรในการออกแบบเครือข่าย ซึ่ง Sprint และCienaจะได้รับเครดิตส่วนใหญ่^{[ 15 ]}ผู้เชี่ยวชาญด้านการสื่อสารด้วยแสงขั้นสูงอ้างถึงการนำ WDM มาใช้เป็นจุดเริ่มต้นที่แท้จริงของเครือข่ายแสง^{[ 16 ]}

ความหนาแน่นของเส้นทางแสงจาก WDM เป็นกุญแจสำคัญในการขยายขีดความสามารถของใยแก้วนำแสง อย่างมหาศาล ซึ่งช่วยให้การเติบโตของอินเทอร์เน็ตในช่วงทศวรรษ 1990 เป็นไปได้ นับตั้งแต่ทศวรรษ 1990 จำนวนช่องสัญญาณและความจุของระบบ WDM หนาแน่นได้เพิ่มขึ้นอย่างมาก โดยระบบเชิงพาณิชย์สามารถส่งข้อมูลได้เกือบ 1 Tbit/s ที่ 100 Gbit/s บนแต่ละความยาวคลื่น^{[ 17 ]}ในปี 2010 นักวิจัยที่ AT&T รายงานระบบทดลองที่มี 640 ช่องสัญญาณที่ทำงานที่ 107 Gbit/s สำหรับการส่งข้อมูลรวม 64 Tbit/s ^{[ 18 ]}ในปี 2018 Telstra ของออสเตรเลียได้ติดตั้งระบบที่ใช้งานจริงซึ่งช่วยให้สามารถส่งข้อมูลได้ 30.4 Tbit/s ต่อคู่ใยแก้วนำแสงผ่านสเปกตรัม 61.5 GHz เทียบเท่ากับการสตรีมวิดีโอ 4K Ultra HD จำนวน 1.2 ล้านรายการพร้อมกัน^{[ 19 ]}ด้วยความสามารถในการขนส่งปริมาณการรับส่งข้อมูลจำนวนมาก WDM จึงกลายเป็นพื้นฐานทั่วไปของเครือข่ายการสื่อสารทั่วโลกเกือบทุกเครือข่าย และเป็นรากฐานของอินเทอร์เน็ตในปัจจุบัน^{[ 20 ] [ 21 ]}ความต้องการแบนด์วิดท์ส่วนใหญ่มาจาก ปริมาณการรับส่งข้อมูล โปรโตคอลอินเทอร์เน็ต (IP) จากบริการวิดีโอ การแพทย์ทางไกล เครือข่ายสังคม การใช้งานโทรศัพท์มือถือ และการประมวลผลบนคลาวด์ ในขณะเดียวกัน การรับส่งข้อมูลระหว่างเครื่องจักร IoT และชุมชนวิทยาศาสตร์ก็ต้องการการสนับสนุนสำหรับการแลกเปลี่ยนไฟล์ข้อมูลขนาดใหญ่ ตามดัชนีเครือข่ายภาพของซิสโก้ ปริมาณการรับส่งข้อมูล IP ทั่วโลกจะมากกว่า 150,700 กิกะบิตต่อวินาทีในปี 2022 โดยเนื้อหาวิดีโอจะเท่ากับ 82% ของปริมาณการรับส่งข้อมูล IP ทั้งหมด ซึ่งส่งผ่านเครือข่ายออปติคอลทั้งหมด^{[ 22 ]}

เครือข่ายออปติคอลแบบซิงโครนัส (SONET) และลำดับชั้นดิจิทัลแบบซิงโครนัส (SDH) ได้พัฒนาขึ้นมาเป็นโปรโตคอลที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดสำหรับเครือข่ายออปติคอล โปรโตคอลเครือ ข่ายการขนส่งออปติคอล (OTN) ได้รับการพัฒนาโดยสหภาพโทรคมนาคมระหว่างประเทศ (ITU) เพื่อเป็นโปรโตคอลที่พัฒนาต่อยอดและช่วยให้สามารถทำงานร่วมกันได้ทั่วทั้งเครือข่ายตามที่ระบุไว้ในข้อแนะนำ G.709โปรโตคอลทั้งสองนี้อนุญาตให้ส่งข้อมูลผ่านโปรโตคอลที่หลากหลาย เช่นโหมดการถ่ายโอนแบบอะซิงโครนัส (ATM), อีเธอร์เน็ต , TCP/IPและอื่นๆ