核心直径小于传播光波波长约十倍的光纤，不能用几何光学理论来分析其物理性质。替而代之，必须改用麦克斯韦方程组来分析，导出相关的电磁波方程。视为光学波导，光纤可以传播多于一个横模的光波。只允许一种横模传导的光纤称为单模光纤。用于通信用途时，线材会以黄色外皮做为辨识[来源请求]。大直径核心、多横模的光纤的物理性质，也可以用电磁波波动方程分析。结果会显示出，这种光纤允许多于一个横模的光波。这样的解析多模光纤，所得到的结果，与几何光学的解析结果大致相同。
波导分析显示，在光纤内的光波的能量，并不是全部局限于核心里。令人惊讶地，特别是在单模光纤里，有很大一部分的能量是以衰减波的形式传导于包覆。
最常见的一种单模光纤，核心直径大约为 7.59.5 微米，专门用于传导近红外线。多模光纤的核心直径可以小至 50 微米，或者大至几百微米。