Der Signalübertrager im Sender ist immer eine Leucht- oder Laserdiode, die durch Anlegen einer Spannung Licht emittiert. Im einfachsten Fall wird die Stromzufuhr zur LED durch ein externes Ereignis gesteuert, beispielsweise durch ein Relais. Möglich ist aber auch eine analoge oder digitale Modulation des Lichtstrahls, dessen Signale über den Empfänger des Optokopplers an weiterverarbeitende Systeme übertragen werden können.

Als Lichtsensor in der Empfängereinheit sind üblicherweise Fototransistoren oder Fotodioden im Einsatz. Der lichtempfindliche Transistor besteht wie jeder NPN-Transistor aus dem Emitter, der Basis und dem Kollektor. Wenn die Basis statt Strom sichtbares oder infrarotes Licht erhält, fließt Strom vom Kollektor zum Emitter. In der Mehrzahl der Anwendungen arbeitet der Transistor im Schaltmodus: Leuchtet die LED des Senders, wird der Transistor aktiv und lässt sich wie ein geschlossener Schalter verwenden. Der lichtempfindliche Transistor besitzt zwar ein hohes Stromübertragungsverhältnis – genannt CTR für Current Trans Ratio – von 10 bis mehr als 100 Prozent, bietet aber nur eine mittlere Schaltgeschwindigkeit von typischerweise 0,1 Millisekunden.

Wie der Fototransistor ist die Fotodiode ein Lichtempfänger. Sie lässt nur Strom passieren, wenn sie beleuchtet wird. Ihr Vorteil: Sie schaltet deutlich schneller ist als ein lichtempfindliche Transistor, die Schaltzeiten betragen lediglich 0,1 bis 1 Mikrosekunde. Andererseits ist das Stromübertragungsverhältnis kleiner und liegt im Bereich von 0,1 bis 10 Prozent. Viele lichtempfindliche Transistoren sind deshalb mit einer zusätzlichen lichtempfindlichen Diode und einer Stromverstärkung durch Transistoren ausgestattet.

Das Fotorelais ist ein Optokoppler, dessen Empfänger aus mehreren in Reihe geschalteten Fotodioden besteht, die beim Aufleuchten der Sender-LED eine Spannung erzeugen. Diese Spannung wird an das Gate eines im Optokoppler integrierten Feldeffekttransistors angelegt. In einigen Typen können auch mehrere Feldeffekttransistoren eingebaut sein. Dieses Bauteil verhält sich wie ein Halbleiterrelais. Die Schaltgeschwindigkeit ist allerdings mit bis zu 10 Millisekunden langsamer als bei einem Optokoppler, aber schneller im Vergleich zu elektromechanischen Relais.

Der analoge Optokoppler wird verwendet, um einen präzisen Strom bei einer galvanischen Trennung zu reproduzieren. Es besteht aus einem Sender und zwei Empfängern mit möglichst gleichen Eigenschaften. Einer der Empfänger liefert einen Strom, der mit dem zu übertragenden Referenzstrom verglichen wird. Der andere Empfänger befindet sich auf der zu isolierenden Seite.

Im Handel sind zahlreiche Varianten von Optokopplern, von denen einige eher für digitale Signale, andere für analoge Signale geeignet sind. So gibt es Typen mit zwei Dioden, die Kopf an Kopf montiert sind, um die Baugruppe unempfindlich gegen die Polarität oder den Wechsel der Steuerspannung zu machen.

Auf der Empfängerseite existieren Fotothyristoren oder Fototriacs mit oder ohne Nulldurchgangsdetektor. Auf demselben Chip kann auch eine Komponente dem Leistungsbauteil vorgeschaltet sein, zum Beispiel ein Verstärker, ein Schmitt-Trigger als Hysteresekomparator oder ein Logikgatter.