一、飛秒激光技術概況
超快光學是指皮秒、飛秒光脈沖產生、放大、壓縮、測量、控制及其應用的一門具有廣泛應用前景的學科，它將對社會經濟的發(fā)展起到巨大的帶動作用。飛秒激光技術是超快光學的核心，是八十年代初期誕生并迅速發(fā)展起來的激光前沿研究領域和新的科學技術分支，其發(fā)展直接關系到信息科學的進步和物理、化學、生物、材料科學的研究向更深層次的發(fā)展，其突出特點是：
1. 脈沖寬度極短，可達飛秒（10-15秒），它比利用電子學方法所獲得的最短脈沖要短幾千倍，是當前人類在實驗室條件下能夠獲得的最短脈沖的唯一技術手段。
2. 經放大后峰值功率極高，可達太瓦（1012W）以上，經聚焦，峰值功率密度可達1018~1020瓦/cm2，其強度超過了原子內部的庫侖場。
高功率飛秒激光系統(tǒng)由四部分組成：振蕩器、展寬器、放大器和壓縮器。在振蕩器內，利用一種特殊技術獲得飛秒激光脈沖。展寬器將這個飛秒種子脈沖按不同波長在時間上拉開。放大器使這一展寬的脈沖獲得充分能量。壓縮器把放大后的不同成分的光譜再會聚到一起，恢復到飛秒寬度，從而形成具有極高瞬時功率的飛秒激光脈沖。
由于飛秒激光的超短脈沖寬度，飛秒激光技術已經成為研究物理、化學、生物學中原子、分子的超快過程，揭示微觀物質運動規(guī)律的基礎研究手段。眾所周知，物質是由分子和原子組成的，但是它們不是靜止的，都在皮秒甚至更短的時間量級里快速地運動著，這是微觀物質的一個非常重要的基本屬性。飛秒激光的出現(xiàn)使人類第一次在原子和電子的層面上觀察到這一超快運動過程�；�于這些科學上的發(fā)現(xiàn)，飛秒激光在物理學、生物學、化學控制反應、光通訊等領域中得到了廣泛應用。特別值得提出的是，由于飛秒激光具有快速和高分辨率特性，它在病變早期診斷、醫(yī)學成像和生物活體檢測、外科醫(yī)療及超小型衛(wèi)星的制造上都有其獨特的優(yōu)點和不可替代的作用。
由于飛秒激光脈沖的超高峰值功率，飛秒激光技術又是產生激光等離子體、超短X激光、新一代粒子加速器和激光核聚變快速點火的高新技術途徑。物質在高強度飛秒激光的作用下會出現(xiàn)非常奇特的現(xiàn)象：氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)的物質瞬息間變成了等離子體。這種等離子體可以輻射出各種波長的射線的激光。高功率飛秒激光與電子束碰撞能夠產生硬X射線飛秒激光，產生β射線激光，產生正負電子對。利用飛秒激光能夠非常有效地加速電子，使加速器的規(guī)模得到上千倍的壓縮。高功率飛秒激光在醫(yī)學、超精細微加工、高密度信息儲存和記錄方面都有著很好的發(fā)展前景。高功率飛秒激光還可以將大氣擊穿，從而制造放電通道，實現(xiàn)人工引雷，避免飛機、火箭、發(fā)電廠因天然雷擊而造成的災難性破壞。高功率飛秒激光與物質相互作用，能夠產生足夠數(shù)量的中子，實現(xiàn)激光受控核聚變的快速點火。從而為人類實現(xiàn)新一代能源開辟一條嶄新的途徑。
人類正在步入知識經濟時代與信息化社會。信息的流量以每年34％的速率增長。要有效地利用信息，就要不斷提高信息的傳輸、交換與處理的速度。由于普通電磁波的頻率及電子在半導體中速度的限制，信息傳輸?shù)乃俾屎腿萘慷际艿较拗�。光波的頻率是普通電磁波的105倍，光速是半導體材料中電子速度的1000倍，光子還具有空間與波長方面的并行處理能力。因此，以光子作為信息載體的通訊與信息處理技術將成為現(xiàn)代通信的主體。知識經濟正是以光學經濟為特征。飛秒技術將為光通訊提供高重復頻率的超短光源、超快速光開關、光調制器和光控測器。飛秒激光脈沖由于它極短的脈沖寬度和與之相伴的寬帶，將為提高光學時分復用和波分復用的信道數(shù)目提供方便，從而大大增加光纖通訊的容量。
二、 飛秒激光技術對超大容量光通信起關鍵作用
自從二十世紀八十年代早期以來，光通信技術一直持續(xù)飛速發(fā)展。信息傳送容量不斷膨脹，目前的商用光通信系統(tǒng)已經運行于10Gbps的傳輸速率之上。但是，隨著互聯(lián)網(wǎng)和移動電話應用的爆炸性擴張，目前的通信容量不足以支撐起未來基于多媒體的通信需求。據(jù)預測，到2010年，通信系統(tǒng)的傳輸速率要求達到5－100Tbps 。這種性能要求不可能通過簡單的修改目前的系統(tǒng)來達到。目前，要達到這種新一代的Tb/s級超大容量光通信的要求主要有兩種途徑：