Promień światła, który jest włączany i wyłączany w celu przesłania
danych (jedynek i zer) w światłowodzie, musi w nim pozostać aż do momentu
dotarcia do odległego końca. Promień nie może zostać załamany i przedostać się
do materiału otaczającego światłowód. Załamanie spowodowałoby utratę części
energii światła zawartej w promieniu. Światłowód musi być zaprojektowany w taki
sposób, aby jego powierzchnia zewnętrzna działała jak lustro dla poruszającego
się w nim promienia światła. Jeśli promień światła próbujący wydostać się przez
ścianę światłowodu zostanie odbity do wnętrza światłowodu pod kątem kierującym
go w stronę odległego końca światłowodu, będzie to dobry „tunel" lub
„rurociąg" dla fal świetlnych. 
Dzięki znajomości praw odbicia i załamania można zaprojektować
taki światłowód, który będzie przenosił fale świetlne z minimalną utratą
energii. Aby promień świetlny w światłowodzie był odbijany z powrotem do
światłowodu bez straty energii spowodowanej załamaniem, muszą zostać spełnione
następujące dwa warunki:
- Rdzeń światłowodu musi mieć większy współczynnik załamania (n), niż
otaczający go materiał. Materiał otaczający rdzeń światłowodu jest nazywany
płaszczem.
- Kąt padania promienia świetlnego musi być większy niż kąt krytyczny dla
rdzenia i płaszcza.

Gdy spełnione są oba te warunki, całe światło wpadające do światłowodu
jest odbijane z powrotem do jego wnętrza. Zjawisko to jest nazywane całkowitym
odbiciem wewnętrznym i stanowi fundamentalną zasadę projektowania światłowodów.
Całkowite odbicie wewnętrzne powoduje, że promienie świetlne w światłowodzie
odbijają się od granicy rdzenia z płaszczem i kontynuują podróż w kierunku
odległego końca światłowodu. Światło będzie poruszać się poprzez rdzeń
światłowodu wielokrotnie załamaną ścieżką.
Światłowód spełniający
pierwszy warunek można utworzyć z łatwością. Ponadto można kontrolować kąt
padania promieni świetlnych wchodzących do rdzenia. Wprowadzenie ograniczeń
dwóch wymienionych poniżej czynników umożliwia kontrolowanie kąta padania:
-
Apertura numeryczna światłowodu – apertura numeryczna rdzenia to
zakres kątów padania, pod którymi promienie światła mogą wejść w światłowód,
aby zostać całkowicie odbite.
-
Mody – ścieżki, którymi promień światła może się poruszać podczas
przechodzenia przez światłowód.

Kontrolując oba te warunki, można uzyskać całkowite odbicie wewnętrzne
w światłowodzie. Dzięki temu można utworzyć przewodnik fal świetlnych
znajdujący zastosowanie w transmisji danych.