摘 要 近年来全息技术在光通信器件中的应用逐渐引起人们的重视。本文重点研究了全息技术在WDM复用器/解复用器、OCDMA编码器/解码器和波长可调谐滤波器中的应用，分析了它们的基本原理和研究进展，并探讨了全息技术在光通信器件发展中的应用前景。
关键词 全息技术，复用器/解复用器，光码分多址，波长可调谐滤波器
中图分类号 TN929.11 文献标识码 A
1 引言
1948年诺贝尔奖获得者丹尼斯·伽柏提出了著名的“波前重建”的方法，开创了全息术研究的新时代。60年代随着激光器的出现，E.N.Leith和J.Opatnieks利用参考光束记录全息图验证了波前重建。从此开展了全息技术在艺术、存储、计量、防伪等众多领域的应用研究。随着因特网、宽带综合业务数字网以及多媒体通信的高速发展，对光通信系统传输速率和带宽的要求越来越高，波分复用(WDM)、光码分多址(OCDMA)和全光交换等新技术和新概念应运而生，对光电子器件提出了越来越高的要求。全息技术由于自身的特点，正在为光通信器件的研发提供新的思路和方法，已逐渐引起人们的重视。
近年来国内外体全息复用器、全息光纤光栅、全息光开关的研究已有较多报道[1-10">，本文对它们不再进行赘述，而重点分析基于全息凹面光栅的高带宽的复用器/解复用器、基于全息技术的光码分多址的编解码器和波长可调谐滤波器的基本原理和应用，最后探讨全息技术在光通信器件发展中的应用前景。
2 基于全息凹面光栅的宽带WDM器件
人们在很早就已经对凹面光栅[11">进行了研究，后来在摄谱仪中采用了全息凹面光栅[12">。近年来开始采用全息凹面光栅设计波分复用器和解复用器[13">。如图1所示，若d是光栅常数，βn是波长λn的衍射角，在失真系数W200[14">二阶平稳条件下，其线性色散的倒数为dλ/dx＝dcosβn/r b(λn)，式中r b(λn)为对应于λn的焦距，如在R=sec3βn r b/2时满足 。对以上方程求解曲面半径可得
(1)
联立式(1)与文献[15">中的(18)、(19)可以得出光谱中中心波长的rA(λn)和rB(λn)[16">
(2)
(3)
式中 ，
方程(1)条件的满足可以降低色散方向的一级像差，从而保证器件具有较低的串扰。若要重现全息凹面光栅的几何关系，可以由 、 联立方程(2)、(3)导出入射角 ， 是光栅常数的函数。

图1 全息凹面光栅示意图
与阵列波导光栅(AWG)等器件作为WDM器件不同的是，自由空间全息凹面光栅具有更大的频谱范围，可以提高频谱效率并降低系统的成本。单全息凹面光栅用作多路解复用器的结构如图2所示，其中多波长光纤垂直阵列转换为2维单波长光纤阵，反之亦然。

图2 面内和面外光纤结构装置.
A. Stavdas等人对基于全息凹面光栅的WDM器件进行了系统的研究，包括全息凹面光栅的优化设计、耦合效率及其在超宽带WDM网络中的应用等[13-16">，研究结果表明其耦合损耗小于-2.7 dB，波长为1450 nm、1500 nm、1550 nm和1650 nm的8相邻通道串扰分别是-31 dB、-41.26 dB、-49.83 dB和52.32 dB。经优化设计后在1450-1650 nm频谱范围内采用5 （nm）/mm光栅作为1000 WDM通道解复用器的性能得到明显改善。该WDM器件的显著特点是它的可扩容性，既可以用作C波段内40通道的解复用器，也可以作为1286-1680 nm 频带范围内的解复用器。因此，它可以用于密集波分复用骨干网、城域网或粗波分复用接入网。
3 基于全息技术的光码分多址编解码器
光码分多址(OCDMA)通信技术可以使多个用户同时占用同一信道实现通信连接，且无需交换，避免了传统通信网中由于电子交换带来的 “电子瓶颈”效应，它是实现全光通信和全光网络的重要技术。而实现OCDMA通信的关键是直接对光信号进行光编码和解码。
J.A. Salehi等提出了一种基于光全息技术的光码分多址编解码器[17">。它的编码通过准直单色光信号与码元为(0,1)或(1,-1)的2维码相乘获得，即在准直透镜的后面放置一个传输特性与2维码成比例的透明体。它的解码是通过使峰值信号能量与均方根噪声比最大化的最佳滤波器实现的。最佳匹配滤波器的设计采用了Vander Lugt引入的光学方法[18">。图3给出了两个2维码s1(x,y)和s2(x,y)的全息滤波器的实验配置，采用参考光束与傅立叶变换透镜的输出光在全息图上产生干涉。若设S1(p,q)表示透镜后焦平面上s1(x,y)的傅立叶变换输出， 表示来自参考光束的光，式中|R(p,q)|是常数，φ(p,q)是线性的，则全息记录片上得到的图像模式为
(4)
式中p和q表示空间频率，第四项表示目标滤波函数 与线性相位因子R(p,q)相乘。同理可以采用上述方法制作s2(x,y)的全息滤波器。两个码的全息匹配滤波器完成后就可以把它们放在系统的接收端。图4给出了两个编码器和一个解码器的实现编解码实验装置，Argon激光器发出的514.5 nm的光被第一个光束分光器分成两路，分别由两个码s1(x,y)和s2(x,y)进行空间调制。实验中将码s1(x,y)的全息滤波器放在傅立叶变换透镜后面的焦距处。第二个傅立叶透镜放在全息图的后面，这样对于相应的解码信号传输场的分布是一个平面波，由第二个全息透镜形成一个亮焦点。

图3 改进的制作码s1(x,y)和s2(x,y)全息滤波器的Vander Lugt方法 图4实现编解码的实验装置
该全息OCDMA编解码器技术具有空间域编解码、可以是任意的输入调制形式和非耦合处理增益等特点，其处理增益可以高达106～108，具有支持几千到数百万采用不同调制形式的用户的能力。另外H. Tsuda等人利用时空转换器和角复用全息图(angle-multiplexed hologram)也实现了OCDMA编-解码 [19">，这种编码器可以产生记录在全息图上的光正交码并能够复用来自各个输入端口的码，而解码器产生输入码和记录码之间的相关波形并把具有不同码字的输入信号解复用到各个输出端口。这种编解码器对OCDMA系统的频谱效率由串扰决定，仿真结果表明在8通道、误码率为10－9时的最差情况下8位正交码的频谱效率为0.17(bit/s)/Hz。
4全息波长可调谐滤波器
全息波长可调谐滤波器的工作原理是基于光栅的波长色散特性。由于不同波长的光通过光栅在不同的角度发生色散，按不同的角度发生衍射，角度衍射所遵循的基本方程为
（5）
式中α是平行光束的入射角，β是衍射光出射的衍射角，λ是波长，m为衍射级数，d为光栅的周期。在使用过程中只采用一级衍射。通过改变光栅周期，使衍射角发生变化。采用液晶全息图空间光调制器(FLC SLM)可以按需要改变光栅的周期，此外还可以根据需要设计多个不同周期的全息图对多个波长进行调谐。采用SLM和固定光栅组成的可调谐波长滤波器如图5所示[20">，其中固定空间滤波器用于选择任意所需要的波长，这样就可以通过改变SLM的周期选择和调谐不同的波长。这里需要说明采用固定滤波器的原因。目前在1.55µm的通信窗口使用的波长解复用器的波长间隔能够达到0.8nm，由于FLC SLM的自身特性和目前技术的限制，它的像素间隔太大不能够实现有效的调谐，而采用高空间频率的固定衍射光栅可以实现高分辨率滤波器的调谐。图5中光的衍射角由θ+ф(如入射角α＝0, 衍射角β＝θ+ф)给出，由于全息图的周期H是可变的而固定光栅的周期d是固定的，所以由sinθ=λ/H确定的第一个角度偏差θ是变化的，而由sinф=λ/d是不变的。而一个使用的偏振不敏感的可调谐全息波长滤波器如图6所示。FLC SLM和固定光栅放在准直透镜1的后面，透镜2将一级衍射光耦合到输出光纤中。对于中心波长为λ滤波后的光，它的半极大全宽度约为2nm。对于该结构的可调谐滤波器，它的通带中心波长λ可由下式计算
（6）
式中，x为输出光纤偏离光轴的距离，f为透镜的焦距，d为固定光栅周期。ND/n等于空间光调制器的周期H，其中D为空间光调制器的像素间隔，N为沿空间光调制器一个方向的像素数，n为0和N/2之间的任意数，由全息图 (全息图可以设计为具有多个空间频率，n有多个值) 确定。

图5 高分辨率波长可调谐滤波器

图6 偏振不敏感高分辨率波长可调谐滤波器
全息波长可调谐滤波器具用光的透明性、偏振不敏感、调谐范围大、分辨率高、多波长工作和低串扰等优点，它可以用于可调谐激光器、EDFA的动态增益均衡、插分复用和空分交换等。
5 结论与展望
全息技术除了在光纤光栅制作、WDM器件、OCDMA编解码器、光开关、波长可调谐滤波器中得到应用外，在其他光通信器件中也得到应用，如用于光通信的全息RAM[21">、用于色度和偏振模色散补偿的频谱全息器件[22">等。此外在无线光通信中也开展了全息器件的应用实验研究，如在无线红外光通信中全息抛物镜用作接收器的前端[23">。
通过以上分析可以看出，全息技术在光通信器件中的应用研究已经取得一定的研究成果，有些全息器件已经在某些方面显示优越的性能。尽管某些全息器件还很不成熟，离实际应用还有一定的差距，但是全息技术为光通信器件的发展提供了一种新的方法和思路。随着材料、设计方法、制作工艺和封装技术的发展和进步，全息技术将在光通信器件的应用中不断扩展，并在未来的全光通信网中发挥重要作用。