Sợi quang EDF có tính chất đặc biệt là có thể khuếch đại tín hiệu ánh sáng trong dải bước sóng λ=1530÷1560nm
khi tín hiệu truyền dọc sợi.
Nguyên lý làm việc của EDFA dựa trên sự bức xạ kích thích của các điện tử trong các ion Er3+ ở trạng thái bị kích thích nhờ nguồn bơm bên ngoài. Nguyên tắc làm việc được giải thích nhờ giản đồ vùng năng lượng của ion Erbi hóa trị ba trong lõi sợi quang EDF như mô tả trong hình 3.16.
Hình 3.16. Giản đồ năng lượng của ion Er3+ trong lõi sợi EDF.
Khác với sợi quang thạch anh thông thường ánh sáng truyền dọc sợi bị suy hao cường độ, sợi EDF khi hấp thụ năng lượng ánh sáng bơm từ bên ngoài có bước sóng nằm ngoài dải 1520 tới 1560nm lại có khả năng khuếch đại tín hiệu ánh sáng trong dải sóng trên khi truyền dọc sợi quang này. Quá trình khuếch đại ánh sáng diễn ra như sau:
- Khi nhận được năng lượng từ ánh sáng nguồn bơm ở bước sóng bơm thích hợp λP
, các điện tử của ion Ecbi dịch chuyển từ mức năng lượng E1 (mức ổn định) trong vùng hoá trị lên mức năng lượng cao hơn E2 (với bước sóng bơm
nm
P =980λ λ
) hoặc mức E3 (với bước sóng bơm
nm
P =1480λ λ
) ở vùng dẫn, để lại các lỗ trống ở vùng hoá trị. Ion Ecbi khi đó nằm ở trạng thái bị kích thích.
- Mức năng lượng E2 là mức không ổn định, nên các điện tử nhanh chóng tự động địch chuyển xuống mức thấp hơn là E3 với hằng số thời gian khá nhỏ
s t32 =10µ
. Dịch chuyển này không bức xạ ra ánh sáng và gọi là sự phân rã không bức xạ.
- Mức năng lượng E3 là tương đối ổn định, các điện tử từ mức này dịch chuyển về mức ổn định E1 với hằng số thời gian khá lớn
ms t31=10
, nên được gọi là mức siêu bền. Nếu các điện tử từ mức siêu bền E3 tự động dịch chuyển về mức ổn định E1 để tái hợp với lỗ trống thì sẽ phát ra bức xạ tự phát có bước sóng nằm
trong dải từ 1520÷
1560nm. Do các photon của bức xạ tự phát có pha và hướng ngẫu nhiên, nên cường độ rất yếu và chỉ tồn tại một lượng rất nhỏ trong sợi pha tạp (cỡ 1%). Bức xạ tự phát này là nguồn tạp âm chính của bộ khuếch đại EDFA, nó được khuếch đại và làm suy giảm tỉ số tín/tạp ở đầu ra và được gọi là tạp âm bức xạ tự phát được khuếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emission).
- Khi có tín hiệu ánh sáng với năng lượng của photon bằng độ rộng vùng cấm giữa hai mức E3 và E1 ( E = hν
= E3 - E1= EG ) truyền vào sợi quang EDF, lập tức các điện tử nằm ở trạng thái bị kích thích (trạng thái siêu bền) E3 dịch chuyển về mức ổn định E1 tái hợp với lỗ trống và phát ra bức xạ kích thích. Các photon của bức xạ kích thích có cùng bước sóng và đồng pha với photon tín hiệu kích thích truyền vào sợi, nên kết quả là ánh sáng bức xạ kích thích có cường độ rất mạnh truyền dọc theo sợi quang EDF.
Như vậy tín hiệu ánh sáng đi vào sợi đã được khuếch đại lên nhiều lần và đoạn sợi quang EDF làm nhiệm vụ như một bộ khuếch đại quang, mang tên bộ khuếch đại quang sợi EDFA.