При попадании света от внешнего источника на торец световода в нем возбуждаются несколько волн (лучей), которые распространяются по световоду независимо от исходного луча. Возможные (разрешенные) собственные световые волны, которые распространяются в оптоволокне, называют модами. По сути, модой можно также назвать возможную траекторию прохождения светового луча по оптоволокну.
В многомодовом волокне вследствие сравнительно большого диаметра сердцевины и использования некогерентных источников излучения возможно существование большого количества мод. Оптоволокно, в котором в идеальном случае может существовать только одна мода (луч), получило название "одномодовое оптоволокно". Такой эффект достигается за счет использования источников когерентного излучения (лазеров) для диаметра сердцевины оптоволокна, соизмеримого с длиной волны.

В многомодовом оптоволокне со ступенчато изменяющимся показателем преломления лучи света, которые достигают покрытия (стенки сердцевины) под углом (измеряется относительно нормали к поверхности) больше критического, испытывают полное внутреннее отражение.
Высокая численная апертура позволяет проникать внутрь оптоволокна не только падающим близко к оси волокна лучам света, но и приходящим под различными углами, что позволяет собирать больше света в оптоволокно. Однако это увеличивает и величину дисперсии: падающие под различными углами лучи проходят разной длины пути и следовательно имеют разное время прохождения по кабелю. Оптоволокно со ступенчато изменяющимся показателем преломления в основном и используется в спектроскопических приложениях.

В оптоволокне с плавным изменением показателя преломления значение показателя преломления уменьшается от оси сердцевины до оболочки по закону, близкому к параболическому. При этом, хотя волны, распространяющиеся дальше от оси, проходят больший путь, но за счет меньшего показателя преломления материала световода в области распространения их скорость значительно выше. Разброс задержек распространения различных лучей, т.е. межмодовая дисперсия, уменьшается, следовательно, увеличивается пропускная способность оптоволокна с таким профилем показателя преломления. Такие кабели в основном используется в телекоммуникационных приложениях.

Распространение света по одномодовому оптоволокну с диметром сердцевины меньше 1/10 длины волны не может моделироваться с помощью геометрической оптики, требуется решение уравнений Максвелла для электромагнитной волны.
Большинство стандартных одномодовых кабелей имеют диаметр сердцевины от 8 до 10 мкм и рассчитаны для работы в ближнем ИК-диапазоне. Поскольку структура мод зависит от длины волны, то в таких волокнах будет наблюдаться некоторое количество дополнительных мод при работе в видимом диапазоне длин волн. Многомодовые кабели, для сравнения, изготавливаются с диаметром сердцевины не менее 50 мкм.