一、飛秒激光技術(shù)概況
超快光學(xué)是指皮秒、飛秒光脈沖產(chǎn)生、放大、壓縮、測(cè)量、控制及其應(yīng)用的一門(mén)具有廣泛應(yīng)用前景的學(xué)科，它將對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到巨大的帶動(dòng)作用。飛秒激光技術(shù)是超快光學(xué)的核心，是八十年代初期誕生并迅速發(fā)展起來(lái)的激光前沿研究領(lǐng)域和新的科學(xué)技術(shù)分支，其發(fā)展直接關(guān)系到信息科學(xué)的進(jìn)步和物理、化學(xué)、生物、材料科學(xué)的研究向更深層次的發(fā)展，其突出特點(diǎn)是：
1. 脈沖寬度極短，可達(dá)飛秒（10-15秒），它比利用電子學(xué)方法所獲得的最短脈沖要短幾千倍，是當(dāng)前人類在實(shí)驗(yàn)室條件下能夠獲得的最短脈沖的唯一技術(shù)手段。
2. 經(jīng)放大后峰值功率極高，可達(dá)太瓦（1012W）以上，經(jīng)聚焦，峰值功率密度可達(dá)1018~1020瓦/cm2，其強(qiáng)度超過(guò)了原子內(nèi)部的庫(kù)侖場(chǎng)。
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(nèi)，利用一種特殊技術(shù)獲得飛秒激光脈沖。展寬器將這個(gè)飛秒種子脈沖按不同波長(zhǎng)在時(shí)間上拉開(kāi)。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(huì)聚到一起，恢復(fù)到飛秒寬度，從而形成具有極高瞬時(shí)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(shù)已經(jīng)成為研究物理、化學(xué)、生物學(xué)中原子、分子的超快過(guò)程，揭示微觀物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ)研究手段。眾所周知，物質(zhì)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(shí)間量級(jí)里快速地運(yùn)動(dòng)著，這是微觀物質(zhì)的一個(gè)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(yùn)動(dòng)過(guò)程。基于這些科學(xué)上的發(fā)現(xiàn)，飛秒激光在物理學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)控制反應(yīng)、光通訊等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)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?cè)缙谠\斷、醫(yī)學(xué)成像和生物活體檢測(cè)、外科醫(yī)療及超小型衛(wèi)星的制造上都有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)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(shù)又是產(chǎn)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(diǎn)火的高新技術(shù)途徑。物質(zhì)在高強(qiáng)度飛秒激光的作用下會(huì)出現(xiàn)非常奇特的現(xiàn)象：氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)的物質(zhì)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(zhǎng)的射線的激光。高功率飛秒激光與電子束碰撞能夠產(chǎn)生硬X射線飛秒激光，產(chǎn)生β射線激光，產(chǎn)生正負(fù)電子對(duì)。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(xué)、超精細(xì)微加工、高密度信息儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)人工引雷，避免飛機(jī)、火箭、發(fā)電廠因天然雷擊而造成的災(zāi)難性破壞。高功率飛秒激光與物質(zhì)相互作用，能夠產(chǎn)生足夠數(shù)量的中子，實(shí)現(xiàn)激光受控核聚變的快速點(diǎn)火。從而為人類實(shí)現(xiàn)新一代能源開(kāi)辟一條嶄新的途徑。
人類正在步入知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代與信息化社會(huì)。信息的流量以每年34％的速率增長(zhǎng)。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(dǎo)體中速度的限制，信息傳輸?shù)乃俾屎腿萘慷际艿较拗啤９獠ǖ念l率是普通電磁波的105倍，光速是半導(dǎo)體材料中電子速度的1000倍，光子還具有空間與波長(zhǎng)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(shù)將成為現(xiàn)代通信的主體。知識(shí)經(jīng)濟(jì)正是以光學(xué)經(jīng)濟(jì)為特征。飛秒技術(shù)將為光通訊提供高重復(fù)頻率的超短光源、超快速光開(kāi)關(guān)、光調(diào)制器和光控測(cè)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(xué)時(shí)分復(fù)用和波分復(fù)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(shù)對(duì)超大容量光通信起關(guān)鍵作用
自從二十世紀(jì)八十年代早期以來(lái)，光通信技術(shù)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(jīng)運(yùn)行于10Gbps的傳輸速率之上。但是，隨著互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)電話應(yīng)用的爆炸性擴(kuò)張，目前的通信容量不足以支撐起未來(lái)基于多媒體的通信需求。據(jù)預(yù)測(cè)，到2010年，通信系統(tǒng)的傳輸速率要求達(dá)到5－100Tbps 。這種性能要求不可能通過(guò)簡(jiǎn)單的修改目前的系統(tǒng)來(lái)達(dá)到。目前，要達(dá)到這種新一代的Tb/s級(jí)超大容量光通信的要求主要有兩種途徑：