光纤属于一种称为介电光波导的结构（尽管是商业上最重要的子集）。光纤的工作原理与其他波导类似，但重要的是包含一个圆柱对称轴。对于某些特定应用，光纤可能会略微偏离这种对称性；但它仍然是光纤设计和制造的基础。
(a) 通用光纤设计，(b) 以全内反射的几何角度传播的光线路径
上图显示了通用光纤设计，其纤芯具有高折射率，周围环绕着低折射率包层。这种折射率差异要求光纤内部的光以大于临界角的角度入射
在界面处发生全内反射。
简单的几何图似乎允许结构内部有连续范围的内部反射光线；事实上，光（作为波）必须满足自干涉条件才能被困在波导中。只有有限数量的路径满足此条件；这些路径类似于结构的传播电磁模式。
支持大量模式的光纤（这些是大芯径和大数值孔径的光纤）可以通过几何光学工具进行充分分析；支持少量模式的光纤必须通过使用适合结构的边界条件求解麦克斯韦方程来表征。
在纤芯和包层之间的边界上表现出折射率不连续性的光纤被称为阶跃折射率光纤。 那些从纤芯到包层折射率不断变化设计被称为梯度折射率光纤。
这种光纤的几何射线路径不是直线，而是随着折射率梯度而弯曲，就像弯曲电位中的粒子一样（见下图）
梯度折射率光纤中的射线路径
此类光纤还具有一个特征角度，超过该角度，光将无法在内部传播。当光线以该角度穿过光纤端面时，光线在空气中以一定角度出现，该角度代表进入光纤的光线的最大几何接受角；该角度是光纤的数值孔径（见下图）
光纤的数值孔径定义了外部接受角的范围
在考虑光纤与光纤或激光与光纤的耦合问题时，纤芯尺寸和数值孔径都非常重要。一般来说，较大的纤芯和较大的数值孔径将产生更高的耦合效率。纤芯或数值孔径不匹配的光纤之间的耦合很困难，通常会导致过度损耗。
几何构造有用的最后一个概念是射线分类。
那些通过对称轴并满足自干涉条件的几何路径称为子午光线。
有一类射线几乎完全被内部反射，但仍可能在光纤中传播一段距离。这些射线被称为泄漏射线（或模式）。
其他几何路径完全不受纤芯限制，而是在包层-空气（或外壳）界面内部反射。这些被称为包层模式。
最后，存在一类受约束的几何路径，它们可以引入到光纤正常数值孔径之外，并且不穿过对称轴。这些通常称为斜射线。
下图说明了几何路径的分类。
光纤中几何射线路径的分类。
（a）子午线射线；（b）泄漏射线；（c）对应于包层模式的射线；（d）倾斜射线
几何光学在描述光纤方面的作用有限，必须在导波光学的背景下理解实际的传播特性。对于在边界处折射率变化较小的光纤等波导，电场可以用标量波动方程很好地描述
其解决方案是光纤的模式。
通常假设在光纤圆柱坐标系的变量中是可分离的：
这种分离导致标量场径向部分的以下特征值方程：
其中 （m）表示方位角模式数，（eta）是传播常数。
m表示方位角模式数， β是传播常数。
解决方案必须遵循纤芯-包层边界的必要连续性条件。此外，导模必须在纤芯区域外衰减为零。对于具有均匀、圆柱对称区域的光纤，这些解决方案很容易找到，但对于缺乏圆柱对称性或具有任意折射率梯度的光纤，则需要数值方法。
后者的常见形式是所谓的 ，其中折射率呈现径向梯度α-轮廓
圆对称阶跃折射率光纤是一种特别重要的情况，因为可以得到解析场解，并且可以说明模式的“阶”的概念。对于这种情况，折射率的径向依赖性是阶跃函数
这个问题的解决方案是贝塞尔函数，如下图所示。
<span color: rgb(127, 127, 127);">(m=0,1,) 和 (2) 的贝塞尔函数 (J_m(
ho))。
为了m=0,1 和2
可以看出，只有最低阶模式（（m=0））在中心处具有振幅最大值。其在（核心）传播区域（（rlt{a}））中的解为m=0 ) 在中心处具有振幅最大值。其在（核心）传播区域中的解（ γ＜α） 是
而包层中的解（（rgt{a}））是修正的贝塞尔函数γ＞α) 是修正的贝塞尔函数
高阶模式在场分布的横截面上会有越来越多的零交叉点。
允许每个偏振有多个约束解的光纤称为多模光纤。每个模式将以自己的速度传播，并具有独特的场分布。具有大芯径和高数值孔径的光纤通常允许多种模式传播。这通常允许从发光二极管 (LED) 等非相干源传输更大量的光。它通常会导致更高的衰减和色散，如下一节所述。
目前，最常用于长距离电信应用的光纤只允许每个偏振的单一模式传播。使用单模光纤创下了低色散和衰减的记录，导致长度带宽乘积超过 10 Gb-km/s。
为了将光纤限制为单模操作，纤芯直径通常必须为 10 μm 或更小。这对连接器和接头提出了严格的要求，并增加了光纤内的峰值功率密度。正如将要讨论的，单模光纤的这一特性增强了光学非线性，这可以限制或提高光纤系统的性能
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