半导体激光器的工作原理，它是在泵浦源的作用下，使得工作物质处于粒子数反转分布状态，从而具备光的放大作用。对于掺铒光纤放大器来说，其基本原理与之相同，它之所以能放大光信号，简单来说，是在泵浦源的作用下，在掺铒光纤中出现了粒子数反转分布，产生了受激辐射，从而使光信号得到放大。由于edfa具有细长的纤形结构，使得有源区的能量密度很高，光和物质的作用区很长，这样可以降低对泵浦源功率的要求。
由理论分析知道，铒离子有三个工作能级：e1,e2和e3，如图所示。其中e1能级最低，称为基态；e2能级为亚稳态，e3能级最高，称为激发态。
图 铒离子能带图
在末受任何光激励的情况下，处在最低能级e1上，当用泵浦光源的激光不断地激发光纤时，处于基态的粒子获得了能量就会向高能级跃迁。如由e1跃迁至e3，由于粒子在e3这个高能级上是不稳定的，它将迅速以无辐射跃迁过程落到亚稳态e2上。在该能级上，相对来讲粒子有较长的存活寿命，此时，由于泵浦光源不断地激发，则e2能级上的粒子数就不断增加，而e1能级上的粒子数就减少，这样，在这段掺铒光纤中实现了粒子数反转分布状态，就具备了实现光放大的条件。
当输入光信号的光子能量e=hf正好等于e2和e1的能级差时，即e2-e1=hf：，则亚稳态e2上的粒子将以受激辐射的形式跃迁到基态e1上，并辐射出和输入光信号中的光子一样的全同光子，从而大大增加了光子数量，使得输入光信号在掺铒光纤中变为一个强的输出光信号，实现了对光信号的直接放大。