波分复用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)光纤通信技术是发掘利用光纤潜在传输容量最有效并被广泛应用的技术方案.WDM是指在一根光纤上不只是传送一个载波,而是同时传送多个波长不同的光载波.使一根光纤由单一信道变为多个信道,从而使得光纤的传输能力成倍增加.波分复用特别是密集波分复用(Dense WDM,DWDM)技术已成为近年来人们关注的热点.随着第三通信窗口(1550nm)的使用,WDM光通信正在成为主流的技术.波分复用系统中的关键元件是卫浴光纤链路两端的复用器和解复用器,可逆的解复用器也可以用来复用信号做复用器,故统称波分复用器.波分复用器的应用范围很广,包括WDM系统中波长的复用和解复用,以及全光网中的光交叉互连(OXC)、光分插复用(OADM)和波长路由选择等.波分复用器件的关键指标有:光学损耗、最大波长通道数、通道间隔、每个通道的3dB光学带宽、通道间的串扰、通带偏振相关性和温度稳定性.随着通道的波长间隔越来越小和通道数目日益增加,对波长复用器件等无源光网络和器件提出了更高的要求.
以波分复用系统的关键器件—复用/解复用器为例,除了传统的介质薄膜干涉型滤波器以外,已经发展了光纤布拉格光栅、阵列波导光栅、光线方向耦合器等技术.这些技术都有各自的优点和局限性.介质薄膜干涉型滤波器通道数越高,器件损耗和成本线形增大.基本上高低交替的折射率薄膜到了百层以上时,总厚度很大,会形成设计上的瓶颈,使器件难以实现更窄的通道间隔.光纤布拉格光栅需要环型器或M-Z干涉仪的设置,其成本随频道数增加而增大,故它不适合于宽带的应用.阵列波导光栅滤波器非相邻的频道杂讯高,需要温度控制,而且投资成本很高.光纤方向耦合器智能用作两路解复用器,制作多路密集解复用器难度很大.因此,各国研究人员仍在积极发展新型的波长滤波器件,体光栅型器件就是一种选择.
体光栅属于角色散型器件.在玻璃衬底上沉积环氧树脂,在其上制造光栅线,构成反射型闪耀光栅.入射光照射到光栅上后,由于光栅的角色散作用,不同波长的光以不同角度反射,然后经透镜汇聚到不同的输出光纤,从而完成波长选择作用.这种体光栅不易制造,价格颇高.用全息方法制作体光栅则可以大大降低制作成本.
利用体全息光栅实现波分复用的构想可以追溯到1977年,贝尔实验室的Tomlinson针对当时多模光纤波分复用通信系统的基本参数,全面评价了各种复用/解复用器件的设计性能、需要的器件尺寸和材料特性.以工作在820nm波段的三通道复用器设计为例,指出用一个反射型平面闪耀光栅作为波长选择元件,加上一个渐变折射率光学元件(GRIN)作为准直器就可以实现三通道复用器;用简单的厚光栅制成同样的复用器需要至少2个波长选择元件和4个准直器,体积大、技术复杂、对材料的要求也高;用多重复用的厚光栅或全息图可以制得比闪耀光栅器件更小,但对记录材料的要求很高.1981年,Horner和Ludman提出用单一体光栅同时衍射几个通道的方案.Horner和Ludmon在15um厚的重铬酸眼全息干版中用488nm波长记录球面波的全息图,全息图工作的波长带宽达到120nm,实验对氩离子激光器的几条可见光谱线,以及氦氖激光器的633nm谱线都实现了有效的分离.近十余年来,体全息光栅波分复用器件的研究持续发展,上述这些方案为体全息光栅型波分复用器的研究提供了基本的结构模式.
