Giản đồ năng l−ợng của EDFA đ−ợc minh hoạ trên hình 3.8. Trong đó ba mức năng l−ợng E1, E2 và E3 lần l−ợt là các trạng thái bền vững, trạng thái kích thích và trạng thái ổn định biến đổi. Bơm laser sẽ bơm liên tục tín hiệu b−ớc sóng 1480nm/980nm. Các điện tử mức năng l−ợng bền vững (số l−ợng tức thời của các điện tử này là N1) sẽ hấp thụ năng l−ợng bơm và chuyển lên mức kích thích E3. Số điện tử chuyển lên mức E3 là N3. Mức năng l−ợng E2 có
thời gian sống là τ32 (là thời gian chuyển từ E3 → E2). Các điện tử từ E2 chuyển xuống E1 sẽ phát xạ ra các photon có tần số v. Tín hiệu quang tới qua hệ thống này sẽ đ−ợc khuếch đại do hấp thụ tức thời các photon phát xạ.
Hình 3.8. Mô hình 3 mức hoạt động của EDFA
Công suất bơm phù hợp sẽ tăng đ−ợc hệ số khuếch đại tín hiệu. Có thể đạt đ−ợc hệ số khuếch đại WDM (tất cả các kênh) là 30dB với hiệu quả bơm 1dB/mW bơm 980nm. Có thể bơm EDFA theo cả h−ớng thuận và h−ớng ng−ợc. Khi tín hiệu bơm cùng chiều với tín hiệu WDM thì ta có bơm thuận và khi tín hiệu bơm ng−ợc chiều với tín hiệu WDM thì ta có bơm ng−ợc. Ngoài ra còn có ph−ơng pháp bơm cả 2 h−ớng khi 2 bơm đồng thời bơm theo h−ớng thuận và h−ớng ng−ợc. Với bơm h−ớng ng−ợc có hiệu quả chuyển đổi công suất (hệ số khuếch đại trên công suất bơm) thấp. Ưu điểm trong bơm 2 h−ớng là hệ số khuếch đại hầu nh− tuyến tính trong vùng pha tạp.
Phổ khuếch đại EDFA khá rộng tỷ lệ với thời gian giản l−ỡng cực T2. Hệ số khuếch đại trong băng C là một đ−ờng cong 2 đỉnh với giá trị trong khoảng từ 7-30dB phụ thuộc vào công suất bơm, thời gian gin, tần số chuyển đổi và công suất bo hoà. Với một bộ khuếch đại, hệ số khuếch đại sẽ tăng theo công suất bơm vào. Tại một gí trị nào đó, hệ số khuếch đại sẽ tăng chậm lại và nếu tiếp tục tăng công suất bơm sẽ làm giảm hệ số khuếch đại.