Khuếch đại quang dựa trên nguyên lý phát xạ kích thích và trong quá trình khuếch đại không xảy ra cộng hƣởng.
Hiện tƣợng phát xạ kích thích là một trong ba hiện tƣợng biến đổi quang điện đƣợc ứng dụng trong thông tin quang. Các hiện tƣợng này đƣợc minh hoạ trong hình:
a. Hấp thụ
(Absorption) (Spontaneous emission)
b. Phát xạ tự phát c. Phát xạ kích thích (Stimulated emission) E2 E1 hf12 E2 E1 hf12 E2 E1 hf12 hf12(cùng pha)
Hình 2. 3. Các hiện tƣợng biến đổi quang điện.
Hiện tƣợng hấp thụ xảy ra khi có ánh sáng tới có năng lƣợng Ev =hf12 tác động vào vật liệu có độ rộng vùng cấm Eg = E2-E1 bằng nhau (Ev = Eg). Khi đó, điện tử sẽ nhận năng lƣợng và đƣợc nhẩy lên mức năng lƣợng cao hơn. Đây là nguyên nhân chính gây ra hiện tƣợng suy hao cho tín hiệu quang.
Hiện tƣợng phát xạ tự phát xảy ra khi một điện tử ở mức năng lƣợng cao chuyển xuống mức năng lƣợng thấp, đồng thời phát ra một photon có mức năng
lƣợng Ev bằng độ lớn dải cấm Eg. Mỗi một vật liệu sẽ có một thời gian sống khác
nhau, khi hết thời gian sống nó sẽ thực hiện bức xạ tự phát. Đây chính là nguyên nhân gây ra nhiễu của bộ khuếch đại.
Hiện tƣợng phát xạ kích thích xảy ra khi có một ánh sáng có năng lƣợng photon Ev chính bằng năng lƣợng dải cấm Eg. Khi đó, một điện tử ở mức năng
28
lƣợng cao sẽ bị chuyển xuống mức năng lƣợng thấp hơn và phát ra photon có cùng pha với ánh sáng kích thích. Đây chính là nguyên lý khuếch đại của bộ khuếch đại quang.
Dễ dàng nhận thấy rằng, hiện tƣợng bức xạ tự phát có thể xảy ra bất kỳ lúc nào, và sẽ gây ra nhiễu cho bộ khuếch đại, đƣợc gọi là nhiễu tự phát (ASE). Hiện tƣợng hấp thụ thì sẽ gây ra suy yếu bộ khuếch đại. Nhƣ vậy, nếu mật độ năng lƣợng trong vật liệu khuếch đại là thấp sẽ gây ra hiện tƣợng hấp thụ lớn. Điều đó dẫn đến, nếu muốn khuếch đại lớn chúng ta phải thực hiện đảo mật độ hạt.