Per capire come funziona una fibra ottica bisogna partire dal fenomeno della riflessione totale. La riflessione totale è uno dei tanti fenomeni ottici che passano normalmente inosservati, ma la si può osservare spesso nelle vasche dei pesci, oppure immergendosi nell'acqua calma di una piscina: guardando in certe direzioni si vede che alcune delle superfici di separazione tra materiali trasparenti si comportano come specchi, invece di provocare la semplice rifrazione della luce.

La rifrazione della luce che si verifica in corrispondenza di una superficie di separazione piana tra due moteriali trasparenti viene descritta molto bene dalla "legge di Snell", vale a dire dalla formula

n1 * sin(theta1) = n2 * sin(theta2)

In questa formula n1, n2 sono gli "indici di rifrazione" dei due materiali. L'indice di rifrazione è un numero che caratterizza il comportamento ottico del materiale; di solito materiali più densi hanno un indice di rifrazione più alto. L'indice di rifrazione dell'aria vale circa 1, quello dell'acqua vale circa 1.33, quello di molte plastiche trasparenti e molti vetri comuni non si discosta molto da 1.5, mentre l'indice di rifrazione dei cristalli al piombo, come il cristallo di Boemia, varia tra 2 e 3. I parametri theta1 e theta2 sono invece gli angoli di incidenza e rifrazione del raggio di luce al quale ci stiamo riferendo, e vengono misurati a partire dalla direzione perpendicolare al piano di separazione tra i due materiali (in altre parole, se theta1 = 0, allora il raggio di luce è perpendicolare al piano di separazione).

Se conosciamo gli indici di rifrazione e l'angolo di incidenza di un raggio di luce, possiamo utilizzare la legge di Snell per calcolare l'angolo di rifrazione, infatti dalla formula troviamo che il seno di theta2 vale:

sin(theta2) = (n1/n2)*sin(theta1)

Se il raggio passa da aria (n1=1) a vetro (n2=1.5), allora si trova che sin(theta2) vale approssimativamente:

0.67 * sin(theta1)

ed in particolare sin(theta2) < sin(theta1): il raggio rifratto è un pò più vicino alla perpendicolare rispetto al raggio incidente.

Se invertiamo il cammino del raggio e lo facciamo passare da vetro ad aria possiamo ripetere il ragionamento appena fatto - invertendo il ruolo degli indici di rifrazione - e troviamo:

sin(theta2) = 1.5 * sin(theta1)

e il raggio rifratto è più lontano dalla perpendicolare rispetto al raggio incidente.

Tutto qui? Niente affatto! Infatti ora possiamo notare che ci sono degli angoli di incidenza theta1 che danno come risultato dei valori inaccettabili per il seno di theta2. Ad esempio, se theta1 = 50°, allora sin(theta1) = 0.766 e quindi sin(theta2) = 1.15. Ma il seno di un angolo è sempre minore di 1: non c'è alcun angolo il cui seno corrisponda al valore 1.15. In casi come questi il raggio incidente non viene rifratto, ma piuttosto riflesso, e la riflessione è estremamente efficiente, si tratta appunto della riflessione totale menzionata sopra. A questo punto si capisce anche perché per osservare il fenomeno si deve guardare la superficie di separazione stando dalla parte del materiale con l'indice di rifrazione più alto (per esempio all'interno della piscina), infatti altrimenti il fenomeno non è visibile.

Nelle fibre ottiche si sfrutta il fenomeno della riflessione totale fra il materiale della fibra (ad alto indice di rifrazione) e l'aria: un raggio di luce viene fatto entrare da una estremità della fibra, e poi si propaga fino all'altra estremità dopo una successione di riflessioni totali. Non importa molto se la fibra viene piegata, la regione di angoli in cui si verifica la riflessione totale è abbastanza ampia da consentire alla fibra di assumere anche raggi di curvatura abbastanza piccoli.

Grazie a queste loro capacità, le fibre ottiche vengono utilizzate per inviare informazione per mezzo di brevi segnali luminosi: i raggi di luce che si propagano nelle fibre possono percorrere anche diversi chilometri senza venire attenuati significativamente.

La descrizione della riflessione totale fatta sopra è incompleta perché tratta il fenomeno solo dal punto di vista dell'ottica geometrica. In realtà la luce si comporta anche come un'onda, e la riflessione totale risente delle caratteristiche ondulatorie della luce. In particolare a causa di ciò in un fascio di fibre ottiche attraversate da diversi segnali luminosi, i segnali possono passare da una fibra all'altra anche se le fibre non si toccano. Per rimediare a questo problema le fibre ottiche sono costruite in modo da avere un indice di rifrazione variabile dal centro alla periferia (al centro l'indice di rifrazione è più elevato), e la riflessione totale non avviene sulla superficie della fibra, ma all'interno, in modo graduale.

La tecnologia delle fibre ottiche è ormai molto sviluppata, e contiene molte soluzioni interessanti ed ingegnose.