Nel campo delle telecomunicazioni, le sorgenti ottiche utilizzate per la trasmissione di segnali ottici sono principalmente dispositivi a semiconduttore; tali dispositivi sono di due tipi: diodi emettitori di luce (LED, light emitting diode) e diodi ad amplificazione luminosa per emissione stimolata di radiazione (LASER, light amplification by stimulated emission of radiation) e si basano su fenomeni di emissione della radiazione elettromagnetica che è possibile descrivere mediante principi elementari di meccanica quantistica.
L'interazione della radiazione elettromagnetica con la materia avviene mediante tre fenomeni fondamentali: assorbimento, emissione spontanea ed emissione stimolata, tutti relativi all'emissione di un fotone da parte di un atomo. In particolare, quando un fotone a frequenza fo, e quindi energia hxfo interagisce con un atomo, esso può essere assorbito provocando la transizione di un elettrone dal livello E₁ al livello E₂ > E₁(E₂ = E₁ + hxfo).

Gli elettroni eccitati, a partire da questo stato, possono tornare allo stato originario attraverso l'emissione spontanea di un fotone con energia hxf_o.

Se un fotone interagisce con un atomo con un elettrone sul livello E₂, si può avere emissione stimolata di un ulteriore fotone con energia hxfo, che accompagna il fotone originario e la transizione dell'atomo sul livello E₁.

La caratteristica principale dell'emissione stimolata è che il fotone secondario ha la stessa energia e la stessa direzione (quantità di moto) del fotone primario. Al campo elettromagnetico, dovuto ai fotoni primari, si aggiungono i contributi dei fotoni secondari che, per quanto detto, possono considerarsi in fase con i fotoni primari dando luogo all'emissione coerente, caratterizzata da un'unica frequenza di emissione. L'emissione stimolata viene amplificata e convogliata all'esterno, nelle sorgenti LASER, ottenendo un alto grado di coerenza temporale (teoricamente), ovvero un raggio monocromatico. I fotoni che si creano per emissione spontanea hanno direzioni di propagazione aleatorie e si ricombinano con relazioni arbitrarie fornendo una emissione incoerente ovvero caratterizzata da uno spettro di emissione ampio (tipico del LED).

Per ottenere una sorgente luminosa in cui è predominante il fenomeno dell'emissione stimolata, ovvero con elevata coerenza temporale, si devono verificare due condizioni:
la distribuzione degli stati energetici degli atomi non deve essere relativa ad una situazione di equilibrio termico;
si deve realizzare l'inversione della popolazione dei due livelli.
In particolare, quest'ultima condizione può ottenersi eccitando il materiale con una sorgente di energia esterna ed effettuando il cosiddetto pompaggio. Così facendo, tuttavia, si può ottenere al massimo una equipartizione e non una vera inversione della popolazione dei due livelli energetici.
Per risolvere questo problema si deve ricorrere ad un sistema a più livelli; si può usare, ad esempio, un sistema a tre livelli (LASER a cristallo di rubino) in cui gli atomi vengono pompati dallo stato base E₁ ad un livello E₃ (instabile) più elevato del livello metastabile E₂.

In E₃ gli atomi restano per un tempo breve decadendo velocemente, con un decadimento non radiativo, sul livello E₂ (metastabile perchè il tempo di permanenza è elevato), consentendo di avere tempo sufficiente affinchè vi sia un accumulo degli atomi su E₂ tale da realizzare l'inversione di popolazione. Tra i livelli E₂ ed E₁ si realizza l'emissione stimolata, come già descritto per il sistema a due livelli, è necessario, tuttavia, prendere in considerazione schemi a quattro livelli (LASER a semiconduttore), almeno in alcuni casi, perchè in essi l'inversione si può ottenere più semplicemente con meno energia di pompaggio tra i due livelli intermedi.

In questi sistemi, infatti, si ha un livello base E₀ (stabile) minore di E₁ (instabile) a partire dal quale gli atomi vengono pompati direttamente su E₃(instabile): si ha, quindi, prima la transizione non radiativa da E₃ ad E₂ (metastabile), poi la transizione radiativa da E₂ ad E₁ed infine gli atomi passano rapidamente su E₀ da E₁

Il LASER nasce come amplificatore di segnali ottici secondo il fenomeno dell'emissione stimolata, in quanto il mezzo sede di quest'ultimo (amplificazione ottica) si può caratterizzare dal guadagno ottico per unità di lunghezza g, il quale varia al variare della lunghezza d'onda ed è caratteristico del materiale e della modalità di pompaggio. Il LASER è però usato prevalentemente come sorgente luminosa, in cui viene prodotto autonomamente un segnale ad una fissata e, nella terminologia delle telecomunicazioni, viene indicato come oscillatore ottico. Il modo più semplice di trasformare un amplificatore in un oscillatore è quello di reazionarlo positivamente e ciò viene fatto nel LASER confinando il segnale ottico amplificato per emissione stimolata in una porzione definita del materiale amplificatore, soddisfacendo opportune condizioni di coerenza temporale. Un modo per ottenere quanto detto è l'uso di una ”cavità” (ottica), cioè dotare di facce riflettenti i lati contrapposti del mezzo amplificatore.

Il segnale all'interno della cavità subisce riflessioni multiple e viene contestualmente amplificato in modo da autosostenere una oscillazione (onda stazionaria). Se le due facce sono parzialmente riflettenti è possibile estrarre una parte dell'emissione interna, purché la perdita di potenza non sia tale da disinnescare l'oscillazione, per accoppiarla esternamente. Quando il guadagno ottico, all'interno del materiale, bilancia esattamente le perdite interne per assorbimento e la parte di segnale trasmesso all'esterno, si ottiene la condizione di stabilità dell'oscillazione e, quindi, quando il pompaggio è sufficiente a ottenere l'inversione della popolazione, la cavità comincia ad oscillare spontaneamente ed ad autosostenersi. È intuibile che il segnale, durante le ripetute propagazioni nel materiale, deve poter mantenere la caratteristica di coerenza temporale dell'emissione stimolata, per cui l'oscillazione si può avere solo quando la distanza L tra le facce è in relazione ben precisa con la lunghezza d'onda

La struttura di principio è mostrata di seguito:

Per descrivere il funzionamento del meccanismo di pompaggio per ottenere l'inversione della popolazione, partiamo dal diagramma degli stati energetici, funzione del numero d'onda, per un semiconduttore intrinseco:

Per T = 0 °K, in assenza di polarizzazione esterna, la banda di valenza è piena e quella di conduzione è, invece, vuota. La distanza tra le due bande è, ovviamente, l'energia di gap. Se il semiconduttore viene polarizzato con una forte corrente di conduzione, in modo da avere forte iniezione di portatori, la banda di conduzione viene parzialmente riempita mentre quella di valenza viene parzialmente svuotata (si riempie di lacune). Ciò avviene fino al raggiungimento dei quasi-livelli di Fermi E_fc ed E_fv nella situazione di quasi-equilibrio, mostrato nella figura precedente. Nella situazione descritta, un fotone con energia pari a E_g = hxf_o, non può venire assorbito in quanto la minima energia necessaria per l'assorbimento è E_fc - E_fv > E_g. L'emissione stimolata è, però, nella condizione di prevalere sull'assorbimento perchè, se hxf_o < E_fc - E_fv, il fotone può ugualmente stimolare una transazione dalla banda di conduzione alla banda di valenza con emissione di un fotone avente energia E_g. Affinché ciò si verifichi, deve allora essere verificata la seguente relazione:

E_g< hf_o < E_fc-E_fv

cosicché il mezzo può essere sede di guadagno ottico. Sostanzialmente si è ottenuto un sistema a quattro livelli (con E₀ = E_fv, E₃ = E_fc) grazie al meccasnismo di pompaggio adottato. Quanto appena descritto, valido per T = 0 °K e semiconduttore intrinseco, è applicabile, almeno approssimativamente, anche per un semiconduttore drogato con T diversa dallo zero assoluto. Se la temperatura non è allo zero assoluto ed il semiconduttore è drogato, le curve della probabilità di occupazione degli stati sono più stondate e, quindi, la condizione di inversione della popolazione (equazione precedente) resta valida ma il guadagno ottico dipende anche dal drogaggio e dalla corrente I di iniezione. La condizione di inversione di popolazione si può assicurare solo con un forte drogaggio sia del materiale p che di quello n che costituiscono la giunzione p-n, contrariamente al LED nel quale l'inversione dipende dalla sola corrente anche se, per ottenere un dispositivo efficiente, si opera ancora per confinamento dell'emissione nella zona di svuotamento. Si parla in queste condizioni di giunzione degenere in cui i livelli di Fermi sono così alterati dal drogaggio da risultare all'interno della banda di valenza (parte p) e della banda di conduzione (parte n), distando più di Eg come previsto dalla condizione precedente.

	profilo delle bande di una giunzione p-n in assenza di polarizzazione
	profilo delle bande in seguito all’applicazione di una tensione di polarizzazione diretta V: l’effetto è quello di abbassare la barriera di potenziale

La figura precedente mostra che, se la corrente di polarizzazione è forte, cioè l'iniezione è forte, nella zona di svuotamento esistono contemporaneamente popolazioni degenerate di elettroni e lacune. Questo assicura che esiste una frequenza per cui si ha emissione stimolata e, quindi, guadagno ottico. Se il drogaggio non è forte, la condizione di inversione non può verificarsi (semiconduttore non degenere) ed il semiconduttore emette per sola emissione spontanea, il dispositivo risulta essere un LED. Inoltre l'inversione di popolazione è tanto maggiore quanto maggiore è la corrente di conduzione diretta, ovvero, è maggiore la densità di portatori iniettati (per questo prende anche il nome di LASER a semiconduttore ad iniezione).
La figura che segue riporta, per un LASER InGaAsP a 1.3 um, l'andamento del guadagno per unità di lunghezza al variare della lunghezza d'onda e per diverse concentrazioni dei portatori; si vede che al di sotto di una certa concentrazione dei portatori il guadagno è in ogni caso negativo e, quindi, non si ha amplificazione ottica. L'amplificazione si verifica, comunque, solo per un ben determinato intervallo di lunghezze d'onda, per le quali vale la relazione della condizione di inversione. La minima corrente I_th, che determina il minimo valore della concentrazione di portatori necessaria alla realizzazione della condizione di innesco, è detta corrente di soglia. Sopra il valore della corrente di soglia nel semiconduttore si ha un'oscillazione di ampiezza crescente al crescere della corrente di iniezione.

Per lo stesso tipo di LASER (InGaAsP a 1.3 um) si ricavano le caratteristiche luce-corrente (L-I, dove L è riportato come potenza ottica esterna) della figura seguente.

Da queste caratteristiche si vede la dipendenza di Pe dalla corrente I di conduzione ed in particolare, è evidente il fenomeno della soglia e la forte dipendenza dalla temperatura a cui si trova il LASER.
Da notare che l’inversione di popolazione è tanto maggiore quanto maggiore è la densità di portatori iniettati, cioè quanto maggiore è la corrente di conduzione diretta. Per amplificare il segnale, le facce del diodo ortogonali alla direzione di emissione sono lavorate a specchio, mentre le altre superfici sono lasciate grezze in modo da evitare oscillazioni lungo direzioni non richieste. Normalmente le due superfici lavorate non sono ricoperte di specchi, infatti, essendo l’indice di rifrazione di un semiconduttore molto elevato, il coefficiente di riflessione alla superficie semiconduttore-aria è dell’ordine del 35%.

I diodi laser, nel settore delle telecomunicazioni, sono utilizzati su particolari e costosissimi collegamenti sui quali è indispensabile trasmettere dati a velocità elevatissima (tipicamente 10 Gb/s) con la più grande lunghezza (canale ottico) della migliore fibra ottica realizzabile.
La quasi totalità dei sistemi di telecomunicazioni in fibra ottica utilizza, come sorgente di trasmissione, un diodo laser del tipo a semiconduttore. In pratica, il segnale in forma digitale, ma di natura elettrica, chiude e apre il circuito che controlla la corrente del diodo laser. Si incanala luce nella fibra quando si trasmettono i livelli fisici corrispondenti ai valori “1” e si manda buio per i livelli fisici “0”: questo semplice metodo di modulazione, simile a quello che si utilizzò sulla linea telegrafica nel 1848, è chiamato “ON-OFF”.

Nel diodo laser entra un segnale elettrico ed esce, su apposito connettore, un segnale ottico modulato (1300 nm o 1550 nm). Questa semplice architettura, che funziona anche con normali diodi led, ma a basse velocità di commutazione (< 30 Mb/s) si è evoluta per risolvere parecchi problemi che si creano con l'aumento della velocità di accensione e spegnimento del laser. Come per tutti i sistemi di telecomunicazioni, si è sempre perseguita la ricerca della più alta velocità di trasmissione (bit rate) con la maggiore lunghezza di collegamento possibile, in pratica il valore del prodotto banda B per lunghezza L (Hz×km).
Per trasportare a lunga distanza bit rate di 2,5 Gb/s non è più possibile usare la modulazione variando la corrente del diodo led, ma bisogna ricorrere ai diodi laser. Si tratta di sistemi per telecomunicazioni di sesta generazione, tipicamente per impieghi sottomarini, dove, per ridurre il numero di ripetitori ottici, occorre ottenere il prodotto B×L più alto possibile: con speciali tecniche di compensazione cromatica della fibra, si possono superare i 1000 GHz×km.
Come i diodi led, anche i diodi laser emettono luce tramite la ricombinazione di elettroni e lacune nella zona di barriera del diodo: la differenza fondamentale è che questa emissione è stimolata dalla luce stessa, e che la luce emessa è coerente, cioè molto facile da concentrare (con appropriate lenti). E' possibile pertanto avere un fascio con pochissima deviazione anche per diversi chilometri di distanza, a differenza del diodo LED, che emette una luce non coerente, cioè una luce dispersiva e spontanea.