飞秒激光技术应用于超大容量光纤通信中

一、飞秒激光技术概况
超快光学是指皮秒、飞秒光脉冲产生、放大、压缩、测量、控制及其应用的一门具有广泛应用前景的学科，它将对社会经济的发展起到巨大的带动作用。飞秒激光技术是超快光学的核心，是八十年代初期诞生并迅速发展起来的激光前沿研究领域和新的科学技术分支，其发展直接关系到信息科学的进步和物理、化学、生物、材料科学的研究向更深层次的发展，其突出特点是：
1. 脉冲宽度极短，可达飞秒（10-15秒），它比利用电子学方法所获得的最短脉冲要短几千倍，是当前人类在实验室条件下能够获得的最短脉冲的唯一技术手段。
2. 经放大后峰值功率极高，可达太瓦（1012W）以上，经聚焦，峰值功率密度可达1018~1020瓦/cm2，其强度超过了原子内部的库仑场。
高功率飞秒激光系统由四部分组成：振荡器、展宽器、放大器和压缩器。在振荡器内，利用一种特殊技术获得飞秒激光脉冲。展宽器将这个飞秒种子脉冲按不同波长在时间上拉开。放大器使这一展宽的脉冲获得充分能量。压缩器把放大后的不同成分的光谱再会聚到一起，恢复到飞秒宽度，从而形成具有极高瞬时功率的飞秒激光脉冲。
由于飞秒激光的超短脉冲宽度，飞秒激光技术已经成为研究物理、化学、生物学中原子、分子的超快过程，揭示微观物质运动规律的基础研究手段。众所周知，物质是由分子和原子组成的，但是它们不是静止的，都在皮秒甚至更短的时间量级里快速地运动着，这是微观物质的一个非常重要的基本属性。飞秒激光的出现使人类第一次在原子和电子的层面上观察到这一超快运动过程。基于这些科学上的发现，飞秒激光在物理学、生物学、化学控制反应、光通讯等领域中得到了广泛应用。特别值得提出的是，由于飞秒激光具有快速和高分辨率特性，它在病变早期诊断、医学成像和生物活体检测、外科医疗及超小型卫星的制造上都有其独特的优点和不可替代的作用。
由于飞秒激光脉冲的超高峰值功率，飞秒激光技术又是产生激光等离子体、超短X激光、新一代粒子加速器和激光核聚变快速点火的高新技术途径。物质在高强度飞秒激光的作用下会出现非常奇特的现象：气态、液态、固态的物质瞬息间变成了等离子体。这种等离子体可以辐射出各种波长的射线的激光。高功率飞秒激光与电子束碰撞能够产生硬X射线飞秒激光，产生β射线激光，产生正负电子对。利用飞秒激光能够非常有效地加速电子，使加速器的规模得到上千倍的压缩。高功率飞秒激光在医学、超精细微加工、高密度信息储存和记录方面都有着很好的发展前景。高功率飞秒激光还可以将大气击穿，从而制造放电通道，实现人工引雷，避免飞机、火箭、发电厂因天然雷击而造成的灾难性破坏。高功率飞秒激光与物质相互作用，能够产生足够数量的中子，实现激光受控核聚变的快速点火。从而为人类实现新一代能源开辟一条崭新的途径。
人类正在步入知识经济时代与信息化社会。信息的流量以每年34％的速率增长。要有效地利用信息，就要不断提高信息的传输、交换与处理的速度。由于普通电磁波的频率及电子在半导体中速度的限制，信息传输的速率和容量都受到限制。光波的频率是普通电磁波的105倍，光速是半导体材料中电子速度的1000倍，光子还具有空间与波长方面的并行处理能力。因此，以光子作为信息载体的通讯与信息处理技术将成为现代通信的主体。知识经济正是以光学经济为特征。飞秒技术将为光通讯提供高重复频率的超短光源、超快速光开关、光调制器和光控测器。飞秒激光脉冲由于它极短的脉冲宽度和与之相伴的宽带，将为提高光学时分复用和波分复用的信道数目提供方便，从而大大增加光纤通讯的容量。
二、 飞秒激光技术对超大容量光通信起关键作用
自从二十世纪八十年代早期以来，光通信技术一直持续飞速发展。信息传送容量不断膨胀，目前的商用光通信系统已经运行于10Gbps的传输速率之上。但是，随着互联网和移动电话应用的爆炸性扩张，目前的通信容量不足以支撑起未来基于多媒体的通信需求。据预测，到2010年，通信系统的传输速率要求达到5－100Tbps 。这种性能要求不可能通过简单的修改目前的系统来达到。目前，要达到这种新一代的Tb/s级超大容量光通信的要求主要有两种途径：