Ba dạng cấu trúc khác nhau của EDFA được mô tả qua hình (3.1). Sợi quang có pha trộn nguyên tố EDFA được ghép nối với sợi quang thông thường và có thể ghép với các thiết bị khác. Ánh sáng bơm được kết hợp với tín hiệu và nhờ sử dụng bộ ghép bước sóng quang WDM trên hệ thống. Ánh sáng bơm được truyền dọc theo sợi có pha tạp Ethium và bị hấp thụ khi các ion Erbium được đưa lên trạng thái kích thích. Khi tín hiệu được truyền vào EDFA, nó kích thích sự phát xạ của ánh sáng từ các ion ở trạng thái kích thích, do vậy nó khuếch đại công suất tín hiệu.
EDFA là một thiết bị được bơm quang học, do đó năng lượng được cung cấp bởi một nguồn quang (một LD), để phun năng lượng vào sợi quang pha tạp ở bước sóng phù hợp với các đặc tính của Erbium (980 hoặc l480nm). Việc bơm có thể thực hiện theo hướng thuận (hình a), hướng ngược (hình b ) hoặc theo cả 2 hướng (hình c). Khuếch đại xảy ra bởi sự truyền năng lượng từ sóng bơm đến sóng tín hiệu khi nó truyền xuống sợi quang pha tạp. Với hình (a) kết cấu này đưa tín hiệu quang và bơm quang vào sợi quang trộn Erbium trên cùng một chiều, còn gọi là bơm phía trước. Còn bơm ngược thì tín hiệu quang và bơm quang đưa vào sợi quang trộn Erbium từ hai hướng khác nhau. Hình (c) là kết cấu đồng thời bơm cùng chiều và ngược chiều EDFA hoạt động thông qua hệ thống 3 mức năng lượng. Hình vẽ (3.2) miêu tả quá trình này.
Hình 3.1. Các cấu trúc cơ bản của bộ khuếch đại quang EDFA
Các mức El, E2, E3, tương ứng là mức đất, mức gần ổn định và mức bơm. Mật độ của ion Er3+ được biểu thị bởi các Nl, N2, N3 trong đó Nl> N2> N3 khi hệ thống ở trạng thái cân bằng nhiệt (không bơm). Khi bơm, những mật độ này thay đổi do các ion di chuyển qua lại giữa các mức năng lượng, kèm theo sự phát xạ hoặc hấp thụ photon ở các tần số được xác định bởi sự sai khác giữa các mức năng lượng. Bước sóng đối với mỗi chuyển đổi được cho bởi quan hệ lượng tử: hc / E , trong đó
h là hằng số Planck và E là sự sai khác giữa các mức năng lượng. Trong thực tế, ba
mức trong sơ đồ trên là các dải hẹp, do đó mỗi chuyển đổi thực tế được kết hợp với một dải bước sóng.
Hai bước sóng bơm điển hình được sử dụng trong EDFA là 980nm và 1,480nm. Như chỉ ra ở hình trên, bằng cách hấp thụ năng lượng từ một cái bơm 980nm, các con Er+3 ở trạng thái đất nhảy lên đến trạng thái E3. Tốc độ mà ở đó xảy ra những dịch chuyển này tỷ lệ thuận với NlPp trong đó Pp là công suất bơm. Các ion được kích thích này lại phân rã một cách tự phát xuống trạng thái gần ổn định E2 Và dịch chuyển này ở
tốc độ lớn hơn nhiều so với dịch chuyển từ mức El đến mức E3. Tốc độ chuyển đổi từ mức E2 xuống mức El rất chậm so với các chuyển đổi khác. Hoạt động bơm tương tự có thể xảy ra ở bước sóng 1480 nm. Trong trường hợp này các ion nhảy trực tiếp đến ngưỡng trên của dải E2 các nguồn bơm laser bán dẫn tin cậy được phát triển ở cả 2 bước sóng bơm 980 nm và 1480 nm. EDFA thường sử dùng 2 bộ cách ly quang. Bộ thứ nhất ở đầu vào, dùng để loại bỏ can nhiễu có thể gây ra do truyền bá tự phát ngược chiều của bộ khuếch đại; bộ thứ hai ở đầu ra, bảo vệ cho linh kiện không bị phản xạ ngược chiều từ đoạn dưới.
Hình 3.2. Các mức năng lượng trong EDFA