Sợi quang EDF cú tớnh chất đặc biệt là cú thể khuếch đại tớn hiệu ỏnh sỏng trong dải bước súng λ=1530ữ1560nm khi tớn hiệu truyền dọc sợi.
Nguyờn lý làm việc của EDFA dựa trờn sự bức xạ kớch thớch của cỏc điện tử trong cỏc ion Er3+ ở trạng thỏi bị kớch thớch nhờ nguồn bơm bờn ngoài. Nguyờn tắc làm việc được giải thớch nhờ giản đồ vựng năng lượng của ion Erbi húa trị ba trong lừi sợi quang EDF như mụ tả trong hỡnh 2.10.
Hỡnh 2.10: Giản đồ năng lượng của ion Er3+ trong lừi sợi EDF.
Khỏc với sợi quang thạch anh thụng thường ỏnh sỏng truyền dọc sợi bị suy hao cường độ, sợi EDF khi hấp thụ năng lượng ỏnh sỏng bơm từ bờn ngoài cú bước súng nằm ngoài dải 1520 tới 1560nm lại cú khả năng khuếch đại tớn hiệu
ỏnh sỏng trong dải súng trờn khi truyền dọc sợi quang này. Quỏ trỡnh khuếch đại ỏnh sỏng diễn ra như sau:
- Khi nhận được năng lượng từ ỏnh sỏng nguồn bơm ở bước súng bơm thớch hợp λP, cỏc điện tử của ion Ecbi dịch chuyển từ mức năng lượng E1 (mức ổn định) trong vựng hoỏ trị lờn mức năng lượng cao hơn E2 (với bước súng bơm
nm P =980
λ ) hoặc mức E3 (với bước súng bơm λP =1480nm) ở vựng dẫn, để lại
cỏc lỗ trống ở vựng hoỏ trị. Ion Ecbi khi đú nằm ở trạng thỏi bị kớch thớch.
- Mức năng lượng E2 là mức khụng ổn định, nờn cỏc điện tử nhanh chúng tự động địch chuyển xuống mức thấp hơn là E3 với hằng số thời gian khỏ nhỏ
s
t32 =10à . Dịch chuyển này khụng bức xạ ra ỏnh sỏng và gọi là sự phõn ró khụng
bức xạ.
- Mức năng lượng E3 là tương đối ổn định, cỏc điện tử từ mức này dịch chuyển về mức ổn định E1 với hằng số thời gian khỏ lớn t31 =10ms, nờn được gọi
là mức siờu bền. Nếu cỏc điện tử từ mức siờu bền E3 tự động dịch chuyển về mức ổn định E1 để tỏi hợp với lỗ trống thỡ sẽ phỏt ra bức xạ tự phỏt cú bước súng nằm trong dải từ 1520ữ1560nm. Do cỏc photon của bức xạ tự phỏt cú pha và
hướng ngẫu nhiờn, nờn cường độ rất yếu và chỉ tồn tại một lượng rất nhỏ trong sợi pha tạp (cỡ 1%). Bức xạ tự phỏt này là nguồn tạp õm chớnh của bộ khuếch đại EDFA, nú được khuếch đại và làm suy giảm tỉ số tớn/tạp ở đầu ra và được gọi là tạp õm bức xạ tự phỏt được khuếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emission).
- Khi cú tớn hiệu ỏnh sỏng với năng lượng của photon bằng độ rộng vựng cấm giữa hai mức E3 và E1 ( E = hν = E3 - E1= EG ) truyền vào sợi quang EDF, lập tức cỏc điện tử nằm ở trạng thỏi bị kớch thớch (trạng thỏi siờu bền) E3 dịch chuyển về mức ổn định E1 tỏi hợp với lỗ trống và phỏt ra bức xạ kớch thớch. Cỏc photon của bức xạ kớch thớch cú cựng bước súng và đồng pha với photon tớn hiệu kớch thớch truyền vào sợi, nờn kết quả là ỏnh sỏng bức xạ kớch thớch cú cường độ rất mạnh truyền dọc theo sợi quang EDF.
Như vậy tớn hiệu ỏnh sỏng đi vào sợi đó được khuếch đại lờn nhiều lần và đoạn sợi quang EDF làm nhiệm vụ như một bộ khuếch đại quang, mang tờn bộ khuếch đại quang sợi EDFA.