Uno studio rigoroso della fisica delle fibre ottiche richiede concetti di optoelettronica e ottica quantistica.

Usando un paragone di ottica classica, nelle fibre ottiche avviene un fenomeno di riflessione totale interna, per cui la discontinuità dell’indice di rifrazione tra i materiali del nucleo e del mantello intrappola la radiazione luminosa finché questa mantiene un angolo abbastanza radente, in pratica finché la fibra non compie curve troppo brusche.

Sono costituite da un sottilissimo cilindro centrale in vetro (core), circondato da uno strato esterno (cladding) di vetro avente un diverso indice di rifrazione e da una guaina protettiva. Sono quindi raggruppate insieme in una guaina contenitrice esterna.

Le fibre ottiche sfruttano il principio della deviazione che un raggio di luce subisce quando attraversa il confine fra due materiali diversi (core e cladding). La deviazione dipende dagli indici di rifrazione dei due materiali. Oltre un certo angolo, il raggio rimane intrappolato all’interno del materiale.

Le fibre ottiche sono di due tipi: 

• Multimodali: raggi diversi possono colpire la superficie con diversi angoli (detti mode), proseguendo quindi con diversi cammini. Il diametro del core è di 50 micron.

• Monomodali: sono così sottili (il diametro del core è 8-10 micron) che si comportano come una guida d’onda: la luce avanza in modo rettilineo, senza rimbalzare. Sono più costose ma reggono distanze più lunghe (fino a 30 km ). 

Le fibre ottiche hanno prestazioni strepitose.
Con le correnti tecnologie è raggiungibile una velocità di trasmissione di 50.000 Gbps (50 Tbps) con un bassissimo tasso d’errore. La pratica attuale di usare velocità dell’ordine dei Gbps dipende dall’incapacità di convertire più velocemente segnali elettrici in luminosi. Infatti, nelle fibre ottiche, il mezzo fisico utilizzato è la luce, e un impulso luminoso rappresenta un 1 mentre la sua assenza uno zero.

Sono fatte di un vetro estremamente trasparente e per questo offrono una bassissima attenuazione del segnale luminoso. L’attenuazione dipende anche dalla lunghezza d’onda della luce, per cui si usano comunemente tre particolari bande per la trasmissione, larghe da 25.000 GHz a 30.000 Ghz ciascuna. 

Un sistema di trasmissione ottica ha tre componenti : 

• sorgente luminosa: può essere un LED o un laser. Converte un segnale elettrico in impulsi luminosi; 

• mezzo di trasmissione: è la fibra ottica vera e propria; 

• fotodiodo ricevitore: converte gli impulsi luminosi in segnali elettrici. Il tipico tempo di risposta di un fotodiodo è 1 nano secondo, da cui il limite di 1 Gbps. 

Ci sono due topologie comuni per le reti basate su fibre ottiche: 

• anello: mediante la concatenazione di più spezzoni di fibre ottiche si crea un anello. L’interfaccia può essere passiva (fa passare l’impulso luminoso nell’anello) o attiva (converte l’impulso in elettricità, lo amplifica e lo riconverte in luce);

• stella passiva: l’impulso, inviato da un trasmettitore, arriva in un cilindro di vetro al quale sono attaccate tutte le fibre ottiche; viene poi distribuito alle fibre ottiche uscenti. Si realizza così una rete broadcast.