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 7.5–9.5 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。因为光线的全反射，光线可以传输于光纤核心。粗糙、不规则的表面，甚至在分子层次，也会使光线往随机方向反射，称这现象为漫反射或光散射[1]，其特征通常是多种不同的反射角。
大多数物体因为表面的光散射，可以被人类视觉侦测到。光散射跟入射光波的波长有关。可见光的波长大约是 1 微米。人类视觉无法侦测到超小于这尺寸的物体.[2]。所以，位于可见物体表面的散射中心也有类似的空间尺寸。
光波入射于内部的边界面时，会因为不同调散射而造成衰减。对于结晶材料或多晶材料，像金属或陶瓷，除了细孔以外，大部分内部接口的形式乃晶界，分隔了晶粒尺寸的微小区域。材料学专家发现，假若能将散射中心（或晶界）的尺寸减小到低于入射光波的波长，则光散射的影响会减小很多，可以被忽略。这发现引起更多有关透明陶瓷材料的研究。
类似地，在光学光纤内，光散射是由分子层次的不规则玻璃结构所造成的。很多材料学专家认为玻璃无疑是多晶材料的极限案例。而其展现出短距离现像的畴域 (domain) ，则是金属、合金、玻璃、陶瓷等等的基础建筑材料。散布在这些畴域之间，有很多微结构缺陷，是造成光散射的最理想地点。
当光学倍率变高时，光纤的非线性光学行为也可能会造成光散射
10 紫外线和红外线吸收
除了光散射以外，光纤材料会选择性地吸收某些特定波长的光波，这也会造成衰减或信号损失。吸收光波的机制类似颜色显现的机制。
在电子层次，光纤材料的每种组成原子，其不同的电子轨域的能级差值，决定了光纤材料能否吸收某特定频率或频率带的光子。这些特定频率或频率带的光子，大多属于紫外线或可见光的频区。这就是很多可见物质显示出颜色的机制。
在原子或分子层次，振动频率、堆积结构、化学键强度等等，这些重要因素共同决定了材料传输红外线，远红外线，无线电波，微波等等长波的能力。
在一个晶体物体内部，振动的简正模。
在设计任何透明光学组件前，必须先知道材料的性质和限制，然后才能选择适当的材料。任何材料在低频率区域的晶格吸收特性，也赋予了这材料对于这低频率光波的透明限制。这是组成的原子或分子的热感应振动，和入射光波之间，相互耦合的结果。因此，在红外线频区（＞ 1 微米），每一种材料都要避开这些由于原子或分子振动机制而产生的吸收区域。
因为某特定频率的红外线光波，恰恰好匹配了，某种材料的原子或分子的自然振动频率，这种材料会选择性地吸收这特定频率的光波。由于不同的原子或分子有不同的自然振动频率，它们会选择性地吸收不同频率（或不同频率带）的红外线光波。
由于光波频率不匹配光纤材料的自然振动频率，会造成光波的反射或透射。当红外线光波入射于这不匹配的光纤材料，一部分能量会被反射，另一部分能量会被透射。
