Az EDFA erősítő hatását az 1550 nm-es sávban lévő jelfény kölcsönhatása hozza létre az Erbiummal adalékolt szálon és az Er3 Er-ionok kölcsönhatása révén. Amikor a fény kölcsönhatásba lép az anyaggal, a fény fotonokból álló részecskesugárnak tekinthető. Az egyes fotonok energiája: E = hv, ahol E a foton energiája, v a fény frekvenciája, h pedig Planck' állandó.
Az erbiummal adalékolt rostban az Er3+ ion energiaállapota nem vehető fel folyamatosan. Csak különálló energiaállapotok sorozatában lehet energiaszint, és ezekből az energiaállapotokból energiaszint lesz. Amikor az erbiummal adalékolt szálban átvitt foton energiája megegyezik az Er3+-ionok két energiaszintje közötti energiakülönbséggel, az Er3+-ionok kölcsönhatásba lépnek a fotonokkal gerjesztő sugárzást és gerjesztéselnyelő hatást eredményezve. A stimulált emisszió az Er3+ ion és foton átmenetét jelenti a magas energiaszintről az alacsony energiaszintre, és egy olyan fotont bocsát ki, amely pontosan megegyezik a gerjesztett fotonnal (a lézer frekvenciája, fázisa, terjedési iránya és polarizációs állapota a azonos); a stimulált abszorpció arra utal, hogy az Er3+ ion kölcsönhatásba lép a fotonnal, hogy az alacsony energiáról magas energiára álljon át, és elnyeli a gerjesztett fotont.
Ha az erbiummal adalékolt szálba kellően erős szivattyúfényt injektálunk, az alapállapotban lévő Er3+-ionok nagy része magas energiájú állapotba pumpálható, és a nagyenergiájú Er3+-ionok gyorsan átkerülnek a metastabil állapot sugárzás nélkül. Mivel az Er3+-ionok hosszabb energia-élettartammal rendelkeznek metastabil állapotban, könnyű populációinverziót kialakítani a metastabil állapot és az alapállapot között, vagyis az Er3+-részecskék száma a metastabil állapotban nagyobb, mint a az alapállapotú Er3+ részecskék.
Amikor a jelfotonok áthaladnak a füljelölt fényszálon, és kölcsönhatásba lépnek az Er3+-ionokkal, hogy stimulált emissziós hatást fejtsenek ki, nagyszámú, önmagukkal azonos foton keletkezik. Ebben az időben a füldopott szálon át továbbított jelfotonok gyorsan növekednek, ami jelerősítést eredményez; csak néhány van alapállapotban. Az Er3+-ion jelfotonok stimulált abszorpciós hatást váltanak ki, amely elnyeli a fotonokat.
Az Er3+ ion metastabil állapotának és alapállapotának van egy bizonyos szélessége, így az EDFA amplifikációs hatása bizonyos hullámhossztartományú, és tipikus értéke 1530-1570nm. Ha az Er3+-ionok áttétállapotban vannak, a stimulált emisszió és a stimulált abszorpció mellett spontán sugárzás is keletkezik, vagyis az Er3+-ionok rövid ideig metastabil állapotban maradnak, és nincs esélyük kölcsönhatásba lépni a fotonokkal, és spontán módon érkezik az alállomás állapotából. Az egyensúlyi állapot áttér az alapállapotra, és fotonokat bocsát ki az 1550 nm-es sávban. Ez a foton különbözik a jelfénytől, és ez képezi az EDFA zaját. Mivel a spontán emissziós fotonok akkor is felerősödnek, amikor az erbiummal adalékolt szálban továbbítják őket, amikor az EDFA bemeneti optikai teljesítménye alacsony, nagyobb zaj keletkezik.
