هر اتم از یک باند ظرفیت و یک باند هدایت تشکیل شده است. بعد از باند ظرفیت اتم، باند هدایت قرار گرفته است که در حالت عادی خالی است. الکترونهای باند ظرفیت با گرفتن انرژی کافی به ممانه هدایت رفته یک جفت الکترون حفره ایجاد می‌کنند. حال اگر الکترونها در معرض تغییرات انرژی کافی در اثر بایار مناسب قرار گیرند. الکترونها دوباره از باند ممنوعه پرش کرده و به باند مجاور می رود و هنگام این پرش از باند ممنوعه مقداری انرژی از دست می دهند و این اتلاف انرژی همراه با تشعشع به همراه مقداری انرژی مشخص است. این مکانیزم مدارهای نوری مورد استفاده قرار می گیرد.
2-1- مولدهای نوری
دو نوع ابزار مولد نور مورد استفاده قرار می گیرند که LEDها و لیزرها هستند. LEDها و لیزرها دو تفاوت اساسی دارند.
1- LED یک ابزار نیمه هادی است که با استفاده از یک فرآیند تبدیل توان به شکل جریان ورودی و فوتون خروجی، نور ساطع می کند در حالیکه لیزر یک ابزار مولد تشدید در حفره است که ممکن است به عنوان واسطه فعال خود، از یک گاز، یک مایع یا یک جسم جامد استفاده کند و به عنوان محصول فرآیند افزایش شار فوتونی نور ساطع نماید.
2- LED نوری با باند عریض ساطع می کند که در آن فوتونها مستقیماً وابسته به فاز نیستند در حالیکه لیزر یک نوع نوری با باند باریک ساطع می کند که در آن فوتونهای تابشی یا فوتونهای مولد همفازند و به همین جهت نور laser برخلاف LED می تواند در یک نقطه دور و بسیار کوچک متمرکز شود و در نتیجه در محل تمرکز نور چگالی توان بسیار بالایی داشته باشد.
در حال حاضر دیودهای نور گسیل نسبت به laser دارای اشکالات بیشتری است از جمله:
الف- قدرت نوی پایین تر
ب- پهنای باند مدولاسیون نسبتاً کوچکی دارند (کمتر از MHZ50)
ج- انحراف هارمونیکی دارند
با وجود اشکالات فوق دیودهای نور گسیل مزایایی دارند که کا ربرد آنها را در مخابرات نوری بسیار برجسته کرده است که عبارتند از:
الف- ساخت ساده تر در آن هیچ تراش منعکس کننده ای وجود ندارد و در بعضی از انواع ساختاری آن Striped Geometry وجود ندارد.
ب- هزینه کمتر بخاطر ساختار ساده تر
ج- وابستگی دمایی کمتر آن. مشخصات خروجی نور در مقابل جریان آن نسبت به مشخصات لیزر کمتر تحت تاثیر قرار می گیرد و مسائل مربوط به پایداری جریان آستانه و جبران حرارتی را ندارد.
د- خطی بودن. یک دیود نور گسیل دارای خروجی نوری خطی در قبال مشخصات جریان می باشد (برخلاف لیزر اتصالی) که این امر در مواردی که مدولاسیون آنالوگ مورد نظر است، سودمند است.
3-1- کارایی دیودهای نور گسیل
عدم وجود تقویت نوری از طریق نشر تحریک شده در دیود نور گسیل، سبب محدود شدن کارائی کمی درونی دیود (نسبت فوتونهای تولید شده به الکترونهای تزریق شده) می گردد. تکیه بر نشر خودبخودی، بدلیل وجود نقص ها و ناخالصی ها اجازه جا گرفتن ترکیبات مجدد غیر تابشی را درون ساختار می دهد و در نتیجه در بهترین حالت، کارایی داخل 50% را برای دستگاههای ساده ای با اتصال Homojvnetion را می دهد اگرچه کارایی کمی درونی می تواند بطور نسبی بالا باشد، ولی شکل نامبرده برای دیود نور گسیلی که از طریق یک سطح مسطح منتشر می شود ضرورتاً به صورت Lambertion می باشد چرا که تشعشع سطحی قدرت تابیده شده از یک فضای واحد به یک زاویه سه بعدی در تمام جهات ثابت می باشد. توزیع شدت Lambertion در شکل 1-1 نشان داده شده است. J0 شدت ماکزیمم بر سطح مسطح عمودی می باشد ولی به طرفین کاهش می یابد (متناسب با کسینوس زاویه تصویر 5) این مساله بهره قدرت خروجی را به میزان چند درصد کاهش می دهد.
بهره قدرت خروجی ، به عنوان نسبت قدرت نوری منتشر شده خروجی Pe، به قدرت الکتریکی تامین شده برای دستگاه، P، می باشد که می توان آن را بصورت زیر نوشت:
شکل
همچنین قدرت نوری منتشر شده (Pe) به درون محیطی با مشخصه انکسار پایین، n، از سطح یک دیود نور گسیل مسطح ساخته شده از موادی با مشخصه انکسار nx، تقریباً بصورت زیر داده می شود:
که در این رابطه Pint قدرت تولید شده داخلی و F فاکتور انتقال از سطح مشترک نیمه هادی- خروجی، می باشد. از این رو تخمین زدن درصد قدرت نوری منتشر شده، ممکن می باشد.