Giản đồ phân bố năng lượng của trong sợi silica được minh họa trong hình vẽ. Theo đó, các ion có thể tồn tại ở nhiều vùng năng lượng khác
nhau được ký hiệu: , , , , , , .
Trong đó
- Vùng có mức năng lượng thấp nhất, được gọi là vùng nền (ground-state band)
- Vùng được gọi là vùng giả bền (mestable band) vì các ion có thời gian sống (lifetime) tại vùng này lâu (khoảng 10ms) trước khi chuyển xuống vùng nền. Thời gian sống này thay đổi tùy theo loại tạp chất được pha trong lõi của EDF.
- Vùng , , , , là các vùng năng lượng
cao, được gọi là vùng kích thích hay vùng bơm (pumping band). Thời gian các ion có trạng thái năng lượng trong các vùng này rất ngắn (khoảng 1
Hình 7.17. Giản đồ phân bố năng lượng của ion trong sợi silica.
Sự chuyển đổi năng lượng của các ion có thể xảy ra trong các trường hợp sau:
- Khi các ion ở vùng nền nhận một mức năng lượng bằng độ chênh lệch năng lượng giữa vùng nền và vùng năng lượng cao hơn, chúng sẽ chuyển lên vùng có mức năng lượng cao hơn (sự hấp thụ năng lượng)
- Khi các ion chuyển từ các vùng năng lượng cao xuống vùng năng lượng thấp hơn sẽ xảy ra hai trường hợp sau:
Phân rã không bức xạ (nonradiative decay): năng lượng được giải phóng dưới dạng photon tạo ra sự dao động phân tử trong sợi quang
Phát xạ ánh sáng (radiation): năng lượng được giải phóng dưới dạng photon
Độ chênh lệch năng lượng giữa vùng giả bền ( ) và vùng nền ( )
0.775eV (tương ứng với năng lượng của photon có bước sóng 1600nm) tính từ đáy vùng giả bền đến đỉnh của vùng nền
0.814eV (1527 nm) tính từ đáy vùng giả bền đến đáy của vùng nền
0.841 eV (1477nm) tính từ đỉnh vùng giả bền đến đáy của vùng nền
Mật độ phân bố năng lượng của các ion trong vùng giả bền khơng đều nhau: các ion có khuynh hướng tập trung nhiều ở các mức năng lượng thấp. Điều này dẫn đến khả năng hấp thụ và phát xạ photon của ion Erbium thay đổi theo bước sóng. Phổ hấp thụ (absortion spectrum) và phổ độ lợi (gain spectrum) của EDFA có lõi pha Ge được biểu diễn trên hình dưới
Hình 7.18. Phổ hấp thụ (absorption spectrum) và phổ độ lợi (gain spectrum) của EDFA có lõi pha Ge