EDFA掺铒光纤放大器的基本原理

在回答如何把弱光信号进行放大这个问题前，我们可以来看一个这样的光学结构一个输入1550nm光信号的输入端口，然后通过WDM耦合器把980nm泵浦激光器输出的980nm的泵浦光耦合到一起，再一起注入掺杂了饵这一稀土元素的光纤中。这个光学结构内部会产生什么效果呢？

在纤芯中掺入了饵这一稀土元素，而饵离子，有3个工作能级，分别是E1、E2和E3。其中，E1能级能量最低，粒子数最多，而E3能级能量最高，粒子数最少，中间蓝色的线对应的是E2能级。这三个能级中，因为E1能级能级最低，粒子数最多，最稳定，我们也称它为基态，即最稳定的状态；而E3能级中能量最高，这个能级的粒子最不稳定，我们也称它为激发态。中间的E2能级处在基态和激发态之间，我们称它为亚稳态。它比基态活跃些，也比激发态稳定一些。亚稳态上的粒子数相对来说比较稳定，能在一段时间内保持住一个稳定状态。我们外加一个泵浦光源的目的是给物质输入能量，使得低能级E1的粒子吸收泵浦光的能量后纷纷向上跃迁到E3能级（也就是激发态），我们称这个过程为电子吸收泵浦光跃迁。

而E3能级上的粒子是处于激发态的，非常不稳定，所以在没有外界粒子激发的情况下，它就会纷纷地向下跃迁，跃迁到E2能级也就是亚稳态，我们称这个过程为无辐射跃迁（没有外界粒子激发，高能级的粒子就自动地自发地向下跃迁到低能级）。

而E2能级因为是处于亚稳态，可以在一段时间内保持住该能级上的粒子，使得在E2和E1之间实现粒子数的反转分布状态。这时候，如果有一个外来光子的激发，而这个光正好是将要被放大的光信号，此时的光信号是弱光，里面所包含的光子数比较少，而这样射入的光子，在E2和E1之间作为一个外来的激发光子，会在反转分布状态的E2和E1之间实现受激辐射的过程大于受激吸收的过程，产生新的全同光子，从而实现光的放大，那么从物质中输出来的光就是强光了。
然后通过隔离器把除了1550nm的光全部过滤掉，实现输出更大光功率的1550nm的光，以达到光放大的效果。这也就是EDFA掺铒光纤放大器的基本原理，我们通常把这一光学结构封装成一个单独的模块，应用在光路中需要对弱光信号进行放大的场景。