现代的光纤通信系统多半包括一个发射机，将电信号转换成光信号，再透过光纤将光信号传递。光纤多半埋在地下，连接不同的建筑物。系统中还包括数种光放大器，以及一个光接收机将光信号转换回电信号。在光纤通信系统中传递的多半是数字信号，来源包括电脑、电话系统，或是有线电视系统。

发射机

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在光纤通信系统中通常作为光源的半导体组件是发光二极管（light-emitting diode, LED）或是激光二极管（laser diode）。LED与激光二极管的主要差异在于前者所发出的光为非相干性（noncoherent），而后者则为相干性（coherent）的光。使用半导体作为光源的好处是体积小、发光效率高、可靠度佳，以及可以将波长优化，更重要的是半导体光源可以在高频操作下直接调制，非常适合光纤通信系统的需求。

LED借着电激发光（electroluminescence）的原理发出非相干性的光，频谱通常分散在300纳米至600纳米间。LED另外一项缺点是发光效率差，通常只有输入功率的40~50%可以转换成光功率，消耗功率约 50~60 mW（milliwatt）左右。但是由于LED的成本较低廉，因此常用于低价的应用中。常用于光通信的LED主要材料是砷化镓或是砷化镓磷（英语：Gallium arsenide phosphide）（GaAsP），后者的发光波长为1300纳米左右，比砷化镓的810纳米至870纳米更适合用在光纤通信。由于LED的频谱范围较广，导致色散较为严重，也限制了其传输速率与传输距离的乘积。LED通常用在传输速率10Mb/s至100Mb/s的局域网（local area network, LAN），传输距离也在数公里之内。目前也有LED内包含了数个量子井（quantum well）的结构，使得LED可以发出不同波长的光，涵盖较宽的频谱，这种LED被广泛应用在区域性的波分复用网络中。

半导体激光的输出功率通常在100毫瓦特（milliwatt）左右，而且为相干性质的光源，方向性相对而言较强，通常和单模光纤的耦合效率可达50%。激光的输出频谱较窄，也有助于增加传输速率以及降低模态色散（modal dispersion）。半导体激光亦可在相当高的操作频率下进行调制，原因是其复合时间（recombination time）非常短。

半导体激光通常可由输入的电流有无直接调制其开关状态与输出信号，不过对于某些传输速率非常高或是传输距离很长的应用，激光光源可能会以连续波（continuous wave）的形式控制，例如使用外置的电吸收光调制器（英语：Electro-absorption modulator）或是马赫-曾德尔干涉仪（Mach-Zehnder interferometer）对光信号加以调制。外置的调制组件可以大幅减少激光的“啁啾脉冲”（chirp pulse）。啁啾脉冲会使得激光的谱线宽度变宽，使得光纤内的色散变得严重。

光纤

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光纤线缆包含一个纤芯（core），纤壳（cladding）以及外层的保护被覆（protective coating）。核心与折射率（refractive index）较高的纤壳通常用高质量的硅石玻璃（silica glass）制成，但是现在也有使用塑胶作为材质的光纤。又因为光纤的外层有经过紫外线固化后的丙烯酸聚合物（acrylate polymer）被覆，可以如铜缆一样埋藏于地下，不需要太多维护费用。然而，如果光纤被弯折的太过剧烈，仍然有折断的危险。而且因为光纤两端连接需要十分精密的校准，所以折断的光纤也难以重新接合。

光通信中主要使用多模、单模两种光纤。多模光纤纤芯直径更大（≥50微米），对发射机、连接器的要求更低。然而，多模光纤引入了多模色散，这会限制系统的带宽和长度。此外，由于有更高的杂质含量，多模光纤通常会有更高的衰减。单模光纤的纤芯直径较小（<10微米），对发射机、连接器的要求更高，但能够搭建传输距离更长、性能更好的系统。单模和多模光纤都有不同的等级。

光纤类型比较[1]

多模光纤 FDDI 62,5/125 µm(1987)

多模光纤 OM1 62,5/125 µm(1989)

多模光纤 OM2 50/125 µm(1998)

多模光纤 OM3 50/125 µm(2003)

多模光纤 OM4 50/125 µm(2008)

多模光纤 OM550/125 µm(2016)

单模光纤 OS19/125 µm(1998)

单模光纤OS29/125 µm(2000)

160 MHz·km@850 nm

200 MHz·km@850 nm

500 MHz·km@850 nm

1500 MHz·km@850 nm

3500 MHz·km@850 nm

3500 MHz·km@850 nm &1850 MHz·km@950 nm

1 dB/km@1300/1550 nm

0.4 dB/km@1300/1550 nm

光放大器

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过去光纤通信的距离限制主要根源于信号在光纤内的衰减以及信号变形，而解决的方式是利用光电转换的中继器。这种中继器先将光信号转回电信号放大后再转换成较强的光信号传往下一个中继器，然而这样的系统架构无疑较为复杂，不适用于新一代的。

接收机

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构成光接收机的主要组件是光侦测器（photodetector），利用光电效应将入射的光信号转为电信号。光侦测器通常是半导体为基础的光电二极管（photodiode），例如pn结、p-i-n二极管，或是雪崩型二极管（avalanche diode）。另外“金属-半导体-金属”（Metal-Semiconductor-Metal, MSM）光侦测器也因为与电路集成性佳，而被应用在光再生器（regenerator）或是波分复用器中。

光接收机电路通常使用转阻放大器（transimpedence amplifier, TIA）以及限幅放大器（limiting amplifier）处理由光侦测器转换出的光电流，转阻放大器和限幅放大器可以将光电流转换成幅度较小的电压信号，再透过后端的比较器（comparator）电路转换成数字信号。对于高速光纤通信系统而言，信号常常相对地衰减较为严重，为了避免接收机电路输出的数字信号变形超出规格，通常在接收机电路的后级也会加上主频及资料恢复电路（英语：Clock and data recovery）（CDR）以及锁相回路（phase-locked loop, PLL）将信号做适度处理再输出。

波分复用

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波分复用的实际做法就是将光纤的工作波长分割成多个通道（channel），俾使能在同一条光纤内传输更大量的资料。一个完整的波分复用系统分为发射端的波分复用器（wavelength division multiplexer）以及在接收端的波长分波解多工器（wavelength division demultiplexer），最常用于波分复用系统的组件是数组波导光栅（英语：Arrayed Waveguide Grating）（AWG）。而目前市面上已经有商用的波分复用器/解多工器，最多可将光纤通信系统划分成80个通道，也使得资料传输的速率一下子就突破Tb/s的等级。