EDFA 的放大作用是通过1550nm 波段的信号光在掺铒光纤中传输与Er 3+离子相互作用产生的。在光与物质相互作用时，光可以被看作由光子组成的粒子束，每个光子的能量为： Ｅ=hv
其中： Ｅ为光子的能量， v 为光的频率，h 为普朗克常数。
掺铒光纤中的Er3+离子所处的能量状态是不能连续取值的，它只能处在一系列分立的能量状态上，这些能量状态称为能级。当在掺铒光纤中传输的光子能量与Er 3+离子的某两个能级之间的能量差相等时，Er 3+离子就会与光子发生相互作用，产生受激辐射和受激吸收效应。受激辐射是指Er 3+离子与光子相互作用从高能级跃迁到低能级，发射出一个与激发光子完全相同的光子（即光子的频率、相位、传播方向、偏振态相同）；受激辐射是指Er 3+离子与光子相互作用从低能级跃迁到高能级，并且吸收激发光子。为了详细说明EDFA 的放大原理，下图给出了Er 3+离子与光放大作用有关的能级结构。
如铒离子能带图所示，与Er 3+离子产生光放大效应
的能级有三个：激发态、亚稳态、基态。激发态与基态
之间的能量差与泵浦光子能量相同，亚稳态与基态之间
的能量差与1550nm 的光子能量相同。
在掺铒光纤中注入足够强的泵浦光，就可以将大部
分处于基态的Er 3+离子抽运到激发态上，处于激发态的
Er 3+离子又迅速无辐射地转移到亚稳态上。由于Er 3+离子在亚稳态上能级寿命较长，因此，很容易在亚稳态与基态之间形成粒子数反转，即处于亚稳态的Er 3+粒子数比处于基态的Er 3+粒子数多。当信号光子通过掺铒光纤，与Er 3+离子相互作用发生受激辐射效应，产生大量与自身完全相同的光子，这时通过掺铒光纤传输的信号光子迅速增多，产生信号放大作用；只有少数处于基态的Er 3+离子对信
号光子产生受激吸收效应，吸收光子。Er 3+离子的亚稳态和基态具有一定的宽度，使EDFA 的放大效应具有一定波长范围，其典型值为1530~1570nm 。Er 3+离子处于亚稳态时，除了发生受激辐射和受激吸收以外，还要产生自发辐射，即Er 3+离子在亚稳态上短暂停留还没有机会与光子相互作用，就会自发地从亚稳态跃迁到基态并发射出
1550nm
铒离子能带图
波段的光子，这种光子与信号光不同，它构成EDFA的噪声。由于自发辐射光子在掺铒光纤中传输时也会得到放大，因此在EDFA的输入光功率较低时，会产生较大的噪声。
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掺铒光纤放大器（EDFA）的组成，是一段不长的石英光纤，在纤芯中掺铒离子。
t6121.55μm波长窗口的光信号输入至这段光纤的一端，而在另一端输出。当这段光纤受到波长0.98μm或1.48μm的半导体激光管输出足够大的功率抽引时，传输经过一定波段宽度，1.55μm信号得到有用的功率增益和平坦的增益特性，也就是得到放大作用。由于光子从抽引至信号间有显著的转换效率，光纤的输出信号得到较大的功率，并保持较低的噪声系数，这样的EDFA对一定的波段宽度提供有用增益和平坦特性，表明它们能对波分多路信号的每一路都提供放大作用，而平坦特性意味着，WDM 各 路同样放大，不会相互间产生路标串扰。EDFA能提供一定大的输出功率，就可使WDM信号沿线路传输较长距离才需要再次放大，从而减少线路中间放大器的只数。EDFA能保持一定小的噪声系数，就容许长距离线路沿线设置较多的放大器，而整个线路的噪声累积不致太严重。
最初的EDFA是在波长1540~1560nm范围的20nm宽度提供增益。它有两段掺铒光纤，各由980nm激光管经过耦合器抽引。就是说，它是两级放大：输入级主要是提高增益，输出级则是提供饱和的输出功率，而两级之间设置一个避免放大自发性发射的滤波器。后来，EDFA能在C波段1530~1565nm或1525~1560nm的35nm 宽度提供平坦增益，在两级之间设置增益均衡滤波器。这样的EDFA已经实际应用于长途线路的32路和64路的DWDM系统，光纤的传输容量加大为320Gb/s和640Gb/s。然而，EDFA并不停留在这样的水平，而是准备在L波段1565~1615nm，的50nm宽度同时提供平坦增益。进一步的办法是把C波段EDFA和L波段EDFA 装在一起联合使用，两者宽度相加，得到85nm，构成宽度的W-EDFA。据最近报道，这种实际试验的W-EDFA是采用分开波段的结构，在输入端设置分波器，把输入的宽带信号分为C波段和L波段两支，由两支EDFA各自放大，在输出端设置合波器，把放大过的C波段和L波段信号合并为一个宽波段的输出信号。C波段EDFA 和L波段EDFA各有3级，即3部分掺铒光纤。这3级分别称为散补偿级、增益均衡滤波级和功率级，它们的第1、2级都是各有一段掺铒光纤，各由980nm激光管抽引。第1级各有散补偿光纤光栅，第2级各有增益均衡滤波器。C波段的第3级有一段掺铒光纤，由980nm和1480nm抽引，而L波段的第3级则有3段掺铒光纤，分别由980nm 和1480nm抽引。这样的两个EDFA各自调整到同样的增益、同样的输出功率和同样的噪声系数。只是它们组成W-EDFA后，波段是C和L两个波段的总和，即40.8nm+43.5nm=84.3nm，有平坦效益24dB，每路输出功率24.5dBm，
噪声系数6.5dB。这样的W-EDFA曾与DWDM配合应用于1Tb/s 400km的大容量、长距离传输系统。
光纤放大器的基本结构
光纤放大器一般由五个基本部分组成，它们是掺铒光纤（EDF）、泵浦激光器（PUMP-LD）、光无源器件、控制单元和监控接口（通信接口）。其中光无源器件包括：光波分复用器（WDM）、光隔离器（ISO）、光纤连接器（FC/APC）和光耦合器（Coupler）。WDM作用是将信号光与泵浦光耦合起来进入掺铒光纤，光隔离器是防止光路中反向光对EDFA的影响，光纤连接器使EDFA与通信系统和光缆线路的连接变得容易，光耦合器从输入和输出中分路出一部分光（5%左右）送到光探测器（PIN），由控制单元对光纤放大器的工作进行不间断地控制，监控接口向传输系统提供光纤放大器工作状态信息，确保光纤放大器作为传输系统的一个部件，纳入到统一的网络监控之中。
怎样使用EDFA
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EDFA在功能应用上可以分为作远距离传输的线路放大器、用作光反射机输出的功率放大器和用作光接收机前端的前置放大器。如图EDFA的使用所示。
（1）线路放大器。掺铒光纤放大器作为线路放大器有许多特殊功能是电子线路放大器不可比拟的：1、中继距离长。采用“光-电-光”的中继方式一般只能传输70-80公里就要加一级中继。而光放大器作中继可超过150公里，这种特性为在条件恶劣不宜加中继的地带的通讯带来极大的方便。2、它可用作数字、模拟以及相干光通信的线路放大器，即如果采用EDFA作为线路放大器，不管传输数字信号还是模拟信号，都不必改变EDFA设备。3、EDFA可传输不同的码率。如果需要扩容，由底码率改变为高码率时，不需要改变EDFA线路设备。4、EDFA作为线路放大器，可在不改变原有噪声特性和误码率的前提下直接放大数字、模拟或二者混合的数据格式。特别适合光纤传输网络升级，实现语言、图象、数据同网传输时，不必改变EDFA线路设备。5、一个EDFA可同时传输若干个波长的光信号，即用光波复用扩容时，不必改变EDFA的线路设备。6、EDFA用作线路放大器，不必经过光电转换可以直接对光信号放大，结构简单可靠。实践证明，使用EDFA的光纤传输，经过近千公里的传输后的误码率仍能达到10E-9。
（2）前置放大器。把EDFA 置于光接收机PIN 管光检测器的前面，来自光纤的信号经EDFA 放大后再由PIN 管检测。强大的光信号使电子放大器的噪声可以忽略，最根本的原因是由于EDFA 的信噪比优于电子放大器。所以，用EDFA 作预放的光接收机具有较好的灵敏度。
（3）功率放大器。把EDFA 置于光发射机半导体
激光器之后，光信号经EDFA 放大后进入光纤线路，从
而使光纤传输的无中继距离增大，可达200公里以上。
在CATV 网络应用中，它能更有效地保证点对多点对的
所谓星形结构的光功率分配。在高速Gbit/s 系统中，半
导体激光器直接调制会发出“啁啁”声，如果采用EDFA
对输出功率进行放大后再输入到光纤线路则能获得良好的效果。EDFA 的应用领域非常的广泛，它不仅在现在的通讯、CATV 、数据传输方面得到广泛的应用。而且在未来的各种通信制式中如相光通信、光孤子通信、全光通信等当中都将有突出的作用。
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EDFA 虽然问世时间不太长，但目前的应用已相当广泛，主要的应用领域有以下三个：
在数字通信中
数字通信正朝宽带化、大容量发展。EDFA 的出现大大提高了光传输系统的无中继距离。仅使用一台功率放大器时，系统无中继距离可以从50～80km 提高到150～180km 。这也是目前SDH 系统中使用最普遍的一种方式。若在接收端再增加一台预放大器，系统无中继距离可提高到200km 以上。如果再引入线路放大器，在散不受限情况下，系统的传输距离可达上千公里。
在CATV 中
随着光纤CATV 系统的规模不断扩大，链路的传输距离不断增加。1550nm 系统因其在光纤中的衰耗较小而逐渐成为主流。EDFA 在1550nm 光纤CATV 系统中的应用简化了其系统结构，降低了系统成本，加快了光纤CATV 的发展。
EDFA 的使用
将EDFA用在CATV光发射机后及链路中可以提高光功率，弥补链路衰耗，补偿光功率分配带来的功率
损失。使用性能良好的EDFA可将模拟CATV系统的链路长度扩展到接近200km，EDFA级联数目达到4级，使众多用户共用一个前端和发射机，大大降低系统运营成本。
在DWDM中
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随着电信业务的不断发展，传统的通信方式渐渐难以满足对通信容量日益增长的需要。密集波分复用系统在干线传输系统中逐渐成为技术主流。作为DWDM系统的核心器件之一，掺铒光纤放大器在其中的应用将迅速发展。由于EDFA有足够的增益带宽，用在DWDM系统可使光中继变得十分简单。EDFA功率放大器在WDM 复用器之后提升光发盘输出光功率，线路放大器补偿链路损耗，预放大器在WDM 解复用器之前将光功率提升到合适的功率范围。
在DWDM系统中的EDFA还要考虑增益平坦和增益锁定的问题。由于掺铒光纤的增益谱形所限，其不同的波长的增益亦不相同。在DWDM系统中，各信道增益的差别造成增益的不平坦性。当EDFA在系统级联使用时，由于此不平坦性的积累，会使增益较低信道的光信噪比迅速恶化，从而影响系统性能。增益锁定是指EDFA在一定的输入光变化范围内提供恒定的增益，这样当一个信道的光功率发生变化时，其他信道的光功率不会受其影响。
波分复用WDM和掺铒光纤放大器EDFA被认为是光纤通信的代表性技术，下面是WDM+EDFA示意图
WDM+EDFA示意图
OTDM通信技术
桂林旅游高等专科学校学报电的时分复用（ETDM）是一种成熟的技术，已在通信领域广泛应用，成为数字通信的基本技术。随着通信速率的提高，容量的扩大，其性能受到一系列因素的
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