光纤放大器是光通信系统中必不可少的器件，随着100G 相干通信系统的逐步商用，系统对光纤放大器的需求越来越大，要求也越来越高，单独的掺铒光纤放大器（erbium-doped fiber amplifier，EDFA）与拉曼光纤放大器（Raman fiber amplifier，RFA）已不能满足这些要求。因此，根据EDFA和RFA各自优点，将它们结合在一起组成的混合光纤放大器在现代通信系统中得到了广泛的应用。现有技术中，RFA 与EDFA 都是独立使用、独立调整的，没有一个统一的控制平台来调整混合放大器的放大增益和增益系数，仅仅将现有的RFA与EDFA简单组合使用，且EDFA内置VOA，在小增益情况下，噪声指数较大。
鉴于上述问题，本文提出一种新型的增益可调的混合光纤放大器，由统一的控制平台调整RFA增益与EDFA增益，其RFA增益与EDFA增益可以相互补偿，增益斜率亦可相互补偿，解决了现有独立调整的RFA 和EDFA 由于没有统一控制，无法达到预期的放大效果，以及现有内置VOA 的EDFA 噪声指数较大的技术问题。此种混合光纤放大器充分结合了EDFA和RFA的优点，增益大，噪声小，非常适用于现代超长距离超大容量超高速率的通信系统中。
目前国内外市场上所使用的混合光纤放大器均是EDFA和RFA的简单叠加（如图1所示），增益为EDFA增益和RFA增益之和，其EDFA和RFA是分别控制、独立调整的，它们的增益和增益斜率无法实现互相补偿，在增益平坦型方面也不是特别理想。
本文提出一种新型的增益可调的混合光纤放大器（如图2所示），其EDFA不带内置的VOA，RFA增益与EDFA增益在统一的控制平台上进行调节，形成反馈，增益斜率可相互补偿。由图2可知，混合光纤放大器由RFA、不含可变衰减器的EDFA和控制模块3大部分组成。RFA包括泵浦信号合波器、泵浦激光器组、带外窄带滤波器以及光电探测器，其中，泵浦激光器组为1400~1499nm 的泵浦激光器，至少包含两种不同的泵浦波长，能够补偿由于掺铒光纤放大器的增益斜率变化带来的增益波动的劣化；EDFA包括输入耦合器、掺铒光纤、输出耦合器，以及输入光电探测器、输出光电探测器；控制模块由MCU(MCU+DSP)及其外围电路组成，根据预期放大要求，控制拉曼光纤放大器和掺铒光纤放大器的增益调整和增益斜率调整，控制模块将这3大部分形成一个反馈回路。所述混合光纤放大器中的EDFA 不包括VOA，因此也不会出现因VOA 衰减带来的噪声指数劣化、泵浦能量浪费的问题，由于不存在VOA 衰减，相同增益情况下泵浦功率会小很多，有助于改善瞬态特性，同时也简化了EDFA 的结构，使得增益控制方法更为简单，性能更可靠，在提高产品性能的同时，可以大幅降低成本，降低功耗。
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图1 混合光纤放大器I结构设计框图
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图2 混合光纤放大器II结构设计框图
在多泵浦分布式RFA放大系统中，由于拉曼散射作用使能量由短波长向长波长传递造成光功率的重新分配，若不考虑噪声、瑞利散射和温度对放大器的的影响，泵浦光和信号光的功率变化可以由下式表示:
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式中等号右边第1项表示光纤衰耗；第2项表示短波长泵浦产生的拉曼增益；第3项表示对于更长波长的泵浦能量损耗；其中v，ξ表示光频率； 和 表示前向和后向传播的光波；P^± (z,v)表示某一特定频率的光功率；α(v)为损耗系数，g(ξ-v)为泵浦频率ξ对信号频率v的拉曼增益系数，K_eff是偏振因子，A_eff为光纤的有效面积。
在拉曼放大器中，当泵浦光与信号光频率相差13.2THz（约100nm）时，获得的增益最大。如图3所示，下面两条曲线分别是1425nm和1455nm波长的泵浦单独作用时产生的增益，可以看出，每个泵浦波长主要对某一信号带宽内的增益起主要作用，对其它带宽内的增益也起作用，但作用较小；同时，拉曼增益谱并不是各泵浦光单独作用时的简单叠加，因为泵浦与泵浦之间、信号与泵浦之间存在着受激拉曼作用，导致能量由短波长泵浦向长波长泵浦发生传递，并且泵浦间能量的传递呈现非线性规律，图3上面的2条曲线显示了考虑泵浦之间的影响与不考虑泵浦之间的影响的增益谱区别。根据拉曼放大器的这些特点，利用调节不同泵浦波长的功率比例来实现拉曼增益斜率的调节，图5显示了在不同泵浦功率下产生的拉曼增益，当各泵浦功率变化时，拉曼的增益斜率发生变化。
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图3 多泵浦RFA各泵浦光单独作用时的增益谱与实际的增益谱
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图4 多泵浦RFA不同的泵浦功率产生的增益谱
EDFA能在l530～1565nm的波长范围内提供光放大。但由于掺铒光纤的增益谱形所限，在此范围内不同的波长上，每个波长所获得的增益不同。掺铒光纤的增益谱不平坦是造成EDFA增益不平坦的根本原因，纤长为L的掺铒光纤放大器增益为：
其中n_2是粒子反转度，g^*是铒纤的增益系数，与铒纤的发射截面σ_k^e有关，α是铒纤的吸收系数，与铒纤的吸收截面σ_k^a有关(3)。发射截面和吸收截面与波长的关系如图（5）所示，由此可知，增益系数和吸收系数均是波长的函数。因此，在一定的泵浦功率和铒纤长度下，对不同波长的输入光，获得的信号增益是不同的。对于增益平坦的EDFA，放大器的增益斜率即Tilt=0。如果光纤长度不变，泵浦功率改变，放大器的增益也改变，那么放大器的增益斜率或Tilt将发生变化。同时，由于信号光在掺铒光纤中传播时，短波长的增益会向长波长发生转移。如果增益变大，在粒子数翻转程度变化不大的情况下，光纤长度应当变长才能保证Tilt不变，若光纤长度L保持不变，而σ_k^e在C波段是逐渐减小的，短波长处的增益变化更大，意味着长波长信号在L长度的光纤中获得的增益将不足，导致短波长增益较长波长增益大，增益斜率为负值；同理，如果增益变小，若光纤长度L保持不变，长波长处的增益变化较短波长处的小，意味着短波长信号在L长度的光纤中向长波长转移增益过大，从而导致短波长增益将不足，而长波长增益过大，增益斜率为正值。图6显示了在一定的铒纤长度下，不同的泵浦功率下产生的增益谱，通过大量的实验进一步得出掺铒光纤放大器增益G和增益斜率T存在如式（3）所示的关系，□(24&dT)为掺铒光纤放大器增益斜率的变化量，EDFA增益每变化1 dB，增益斜率反向变化0.85 dB。
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图5 发射截面和吸收截面与信号波长的关系
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图6 EDFA在不同泵浦功率下的增益谱图
在实际应用中，光纤放大器的增益平坦度是长距离传输系统设计中的一个重要参数，在DWDM系统中，当上下波长、增益变化或输入功率变化时，若各个波长的增益出现了不一致，就会导致输出端各信道间信号功率的不平衡，并进而影响到光信噪比，影响系统的整体性能(4)。因此，在设计和控制混合光纤放大器时要充分考虑到系统的增益平坦型问题。
由RFA+EDFA组成的不带VOA的混合放大器，获得的总增益为拉曼光纤放大器和掺铒光纤放大器增益的叠加。设混合光纤放大器的总增益为G_H，增益斜率为T_H，RFA的增益为G_R，增益斜率为T_R，EDFA的增益为G_E，增益斜率为T_E，其中，G_H=G_R+G_E，T_H=T_R+T_E。在对不带VOA的混合放大器进行增益调整时，要保持增益斜率T_E不变，即保持增益的平坦性，根据2.1和2.2介绍的RFA和EDFA特性，可以这样实现：调整EDFA的增益G_E，RFA的增益G_R保持不变，此时EDFA的增益斜率T_E变化了，为了保持混合光纤放大器的增益斜率不变，通过调整RFA的增益斜率T_R来进行补偿。
DWDM系统中，在一定的通道间隔情况下，光通道数量越多，占用的带宽越宽。但因为单一波长泵浦光形成的增益谱不平坦，所以一般使用多个波长的泵浦光共同作用于信号工作的波长范围，以实现较宽波长区域内的信号放大，保证全部工作通道获得预期的放大效果。当使用多个波长的泵浦时，如果各泵浦功率的比例发生变化，会导致增益谱线的倾斜，这样就可以根据实际的调整情况，改变泵浦功率组的比例，以此来补偿EDFA的增益斜率的变化。
本文提出一种基于EDFA和RFA增益可调的混合光纤放大器，EDFA不带内置的VOA，RFA和EDFA的增益和增益斜率可分别相互补偿，当放大器的增益变化时，在统一的控制管理下，增益斜率可保持为0，使混合放大器具有平坦带宽增益。实验证明这种混合放大器能够很好地达到预期的效果，能够满足现代大容量通信系统对光放大器的需求。
