核心直径较大的光纤（大于 10 微米）的物理性质，可以用几何光学的理论来分析，这种光纤称为多模光纤，用于通信用途时，线材会以橘色外皮做为辨识。

在一个多模突变光纤内，光线靠着全反射传导于核心。当光线遇到核心-包覆边界时，假若入射角大于临界角，则光线会被完全反射。临界角的角度是由核心折射率与包覆折射率共同决定。假若入射角小于临界角，则光线会折射入包覆，无法继续传导于核心。临界角又决定了光纤的受光角，通常以数值孔径来表示其大小。较高的数值孔径会允许光线，以较近轴心和较宽松的角度，传导于核心，造成光线和光纤更有效率的耦合。但是，由于不同角度的光线会有不同的光程，通过光纤所需的时间也会不同，所以，较高的数值孔径也会增加色散。有些时候，较低的数值孔径会是更适当的选择。

渐变光纤的核心的折射率，从轴心到包覆，逐渐地减低。这会使朝着包覆传导的光线，平滑缓慢地改变方向，而不是急剧地从核心-包覆边界反射过去。这样，大角度光线会花更多的时间，传导于低折射率区域，而不是高折射率区域。因此，所形成的曲线路径，会减低多重路径色散。工程师可以精心设计渐变光纤的折射率分布，使得各种光线在光纤内的轴传导速度差值，能够极小化。这理想折射率分布应该会非常接近于抛物线分布。