Nguyờn lý khuếch đại quang trong cỏc bộ khuếch đại quang được thực hiện dựa trờn hiện tượng bức xạ kớch thớch của Eistein.
a. Hấp thụ b. Phỏt xạ tự phỏt c. Phỏt xạ kớch thớch
Hỡnh 2.1:. Cỏc loại dịch chuyển giữa cỏc mức năng lượng.
Theo Eistein, khi nguyờn tử của một mụi trường vật chất tớch cực ở trạng thỏi cõn bằng nhiệt động học với mụi trường xung quanh thỡ cỏc điện tử húa trị của nú nằm ở mức năng lượng thấp E1, lỳc này cú thể xảy ra ba loại dịch chuyển giữa mức năng lượng thấp E1 (mức cơ bản) và mức năng lượng cao E2 (mức kớch thớch) như mụ tả trờn hỡnh 2.1.
- Dịch chuyển hấp thụ (Absorption), hỡnh 2.1.a xảy ra khi điện tử chuyển từ mức cơ bản E1 lờn mức năng lượng cao hơn E2 khi nguyờn tử hấp thụ một photon cú năng lượng bằng hiệu hai mức năng lượng (hν = E2 −E1). Số lượng dịch chuyển hấp thụ phụ thuộc vào số điện tử ở mức năng lượng E1 và số photon cú năng lượng hν .
- Dịch chuyển bức xạ tự phỏt (Sponateous Emission), hỡnh 2.1.b, xảy ra khi một điện tử chuyển trạng thỏi năng lượng từ mức năng lượng cao E2 xuống mức năng lượng thấp E1 và phỏt ra một năng lượng hν =E2 −E1 dưới dạng một
photon ỏnh sỏng. Quỏ trỡnh này xảy ra một cỏch tự nhiờn vỡ trạng thỏi năng lượng cao E2 khụng phải là trạng thỏi năng lượng bền vững của điện tử. Sau một khoảng thời gian được gọi là thời gian sống của điện tử ở mức năng lượng cao, cỏc điện tử sẽ tự động chuyển về trạng thỏi năng lượng thấp hơn (trạng thỏi năng lượng bền vững ). Tựy theo loại vật liệu khỏc nhau, thời gian sống của điện tử sẽ khỏc nhau.
Cho dự hiện tượng bức xạ tự phỏt tạo ra photon ỏnh sỏng nhưng trong khuếch đại quang, bức xạ tự phỏt khụng tạo ra độ lợi khuếch đại. Nguyờn nhõn là do hiện tượng này xảy ra một cỏch tự phỏt khụng phụ thuộc vào tớn hiệu ỏnh sỏng đưa vào bộ khuếch đại. Nếu khụng cú ỏnh sỏng tớn hiệu đưa vào, vẫn cú năng lượng ỏnh sỏng được tạo ra ở đầu ra của bộ khuếch đại. Ngoài ra, ỏnh sỏng do bức xạ tự phỏt tạo ra khụng cú tớnh kết hợp. Do vậy, bức xạ tự phỏt được xem là nguyờn nhõn chớnh gõy nhiễu trong cỏc bộ khuếch đại quang. Loại nhiễu này được gọi là nhiễu bức xạ tự phỏt được khuếch đại ASE (Amplified Sponateous Emission noise).
- Dịch chuyển bức xạ kớch thớch, hỡnh 2.1.c, xảy ra khi một điện tử đang ở trạng thỏi năng lượng cao E2 (trạng thỏi kớch thớch) bị kớch thớch bởi một photon cú năng lượng hν bằng độ chờnh lệch năng lượng giữa trạng thỏi năng lượng cao và trạng thỏi năng lượng thấp của điện tử (hν =E2 −E1). Khi đú, điện tử sẽ
chuyển từ trạng thỏi năng lượng cao E2 xuống trạng thỏi năng lượng thấp E1 và bức xạ ra một photon cú năng lượng bằng với năng lượng của photon kớch thớch ban đầu. Như vậy, từ một photon ban đầu sau khi xảy ra hiện tượng bức xạ kớch thớch sẽ tạo ra hai photon (photon ban đầu và photon mới được tạo ra) cú cựng phương truyền, cựng phõn cực, cựng pha và cựng tần số (tớnh kết hợp của ỏnh sỏng). Sau đú cỏc photon này lại kớch thớch gõy ra sự dịch chuyển kớch thớch đối với cỏc điện tử khỏc đang ở trạng thỏi kớch thớch, kết quả là tạo ra một chựm photon cú tớnh kết hợp. Hay núi cỏch khỏc, quỏ trỡnh khuếch đại của ỏnh sỏng được thực hiện. Hiện tượng bức xạ kớch thớch được ứng dụng trong cỏc bộ khuếch đại quang bỏn dẫn (SOA) và khuếch đại quang sợi (OFA).
Hiện tượng bức xạ kớch thớch cũng được ứng dụng trong việc chế tạo laser. Tuy nhiờn, điểm khỏc biệt chớnh giữa laser và cỏc bộ khuếch đại quang là trong cỏc bộ khuếch đại quang khụng xảy ra hiện tượng hồi tiếp và cộng hưởng. Vỡ nếu xảy ra quỏ trỡnh hồi tiếp và cộng hưởng như trong laser, bộ khuếch đại quang sẽ tạo ra cỏc ỏnh sỏng kết hợp của riờng nú cho dự khụng cú tớn hiệu quang ở đầu vào. Nguồn ỏnh sỏng này được xem là nhiễu xảy ra trong cỏc bộ khuếch đại. Do vậy, khuếch đại quang cú thể làm tăng cụng suất tớn hiệu ỏnh sỏng được đưa vào đầu vào bộ khuếch đại nhưng khụng tạo ra tớn hiệu quang kết hợp của riờng nú ở đầu ra.