关于“非线性光学效应”的综述

1、大连理工大学关于“非线性光学效应”的综述学院： 物理学院专业：光电信息科学与工程班级： 物光1501学号： 201521014姓名： 徐企阳日期：2018年4月13日目 录1 绪论32 发展历史43 基本理论63.1 概述63.2 非线性光学效应73.2.1 光学变频效应73.2.2 光的受激散射效应83.2.3 光学相位共轭效应93.2.4 光学双稳态效应93.2.5 光学孤子103.3 理论模型103.3.1 双能级模型113.3.2 电荷转移模型113.3.3 阴离子基团理论123.3.4 双重基元结构模型123.3.5 二次极化率矢量模型123.3.6 簇模型理论124 目前发展状态1

2、44.1 非线性光学效应在材料科学中的应用发展144.2 非线性光学效应在光纤通信中的应用发展155 应用领域166 结束语161 绪论非线性光学是现代光学的一个分支，研究介质在强相干光作用下出现的与介质的非线性极化相联系的各种光学效应，以及如何利用这些效应的学科。美籍华人学者、非线性光学专家沈元壤先生用这样一句话来叙述非线性光学：“混沌初开，世界就是非线性的。线性化简化了复杂的世界，把世界线性化损失了许多有趣的现象，而非线性现象是世界进展的因素”。过去的光学理论认为，介质的极化强度与入射光波的场强成正比。于是，表征物质光学性质的许多参数，如折射率、吸收系数等都是与光强无关的常量。普遍的光学实

3、验证实，单一频率的光通过透明介质后频率不会发生任何变化，不同频率的光之间不会发生相互耦合作用。激光出现后的短短的几年内，人们观察到许多用过去的光学理论无法解释的新效应。为了解释这些新效应，产生了非线性光学理论。非线性光学不仅从理论上丰富了人们对光与物质相互作用的认识，而且已经得到广泛的实际应用。非线性光学的研究在激光技术、光通信、信息和图像的处理与存储、光计算等方面有着重要的应用，具有重大的应用价值和深远的科学意义。例如，光倍频、光参量振荡、受激喇曼散射已成为产生新频率相干辐射的一种有效方法；利用非线性饱和吸收已制成染料Q开关和被动锁模元件。此外，它在激光光谱学、同位素分离、光控化学反应、核聚

4、变、集成光学、信息光学、光学计算机等方面都有重要的作用。2 发展历史早在公元前五、六世纪，人们对光学现象就已经开始有所认识了。但是，一直到本世纪50年代，人们对光学现象的认识还只是停留在线性光学范围内，虽然在电学和磁学中的非线性现象，从麦克斯韦时代起就已知道了，如铁磁体中磁化的饱和、无线电波的整流等就是熟知的例子。可是在光学波段内的非线性现象，只是在1960年激光问世以后，才成为具有实际内容的学科。1961年，Franke等人所做的二次谐波产生的实验，实际上标志着非线性光学的诞生。一般说来，非线性光学现象涉及到光与物质的非线性相互作用，包括诸如光感生介质光学性质的变化等问题。其实，二次谐波产生

5、并不是第一个被观测到的非线性光学现象。光学泵浦无疑是在激光问世以前就已为人们知道的一种非线性光学现象。但因非线性光学现象的观测需要有较强的相干光，而激光正是这种光。所以，自1961年以来，各种二阶非线性光学现象和三阶非线性光学现象都相继被人们观测到了。他们是：1962年，Armstrong从理论上预言了光整流现象。同年，Bass等人首先从实验上观察到了这一现象。此外，他们还首先在硫酸三甘氨酸晶体中观察到了光的和频现象；1962年，Woodbury从实验上首次观测到了光的受激拉曼散射；1963年，Hopfield等人第一次从实验上观测到了双光子吸收现象；1964年，Chiao用红宝石激光在石英中

6、观测到了受激布里渊散射；1965年，在实验中首先证实了光参量放大，接着在1967年，就实现了光参量振荡1967年，New和Ward首先在原子气体中实现了三次谄波产生；1967年，Zaitsev等人首次观测到了受激瑞利散射。这些非线性光学现象的出现，不仅极太地增长了人们关于光与物质相互作用的知识，而且也促使光学技术产生了革命性的变化，并且已经或正在对光学这门古老学科的复兴作出重大的贡献。70年代以后非线性光学现象又有了新的发展从经典非线性光学发展到非经典非线性光学；1970年，Chandra等人首次预言了反聚束效应；1977年，就从实验上观察到了反聚束效应这一非经典的非线性光学效应；1976年，

7、Yuan提出了光学压缩态；1986年，首次在实验上观测到了光学压缩态。此外，还在实验上观察到了光子的亚泊松分布现象。80年代以后，进一步发现新现象，更多的研究是将已知效应应用到各个新技术领域：􀀁光学自适应技术；􀀁光学集成元件和光学计算机；􀀁光学信息存储与实时全息显示技术；􀀁光学混沌；􀀁光纤通信：相干光纤通信、电光效应光调制器、光孤子通信( 光Kerr效应自相位调制、交叉相位调制)、Raman放大器、Raman孤子激光器、利用四波混频进行波长变换、超短脉冲的产生(压缩)与测量。􀀁发现非线性

8、光学新材料：新晶体、有机物材料、半导体材料非线性光学的发展简史给了人们以极大的启示，世界上的一切介质都是非线性光学介质。特别是非经典非线性光学的问世，再一次表明了人类对光的本性的认识，无论是在广度上还是在深度上都还远没有完结。我们相信，在不久的将来，各种非线性光学现象都将在其他科学技术和工业生产中大放光彩。3 基本理论3.1 概述非线性光学(nonlinearoptics,NLO)是现代光学的一个新领域,是研究在强光作用下物质的响应与场强呈现的非线性关系的科学,这些光学效应称为非线性光学效应。在众多的非线性光学效应中,倍频效应(又称二阶非线性光学效应)是最引人注目也是研究得最多的非线性效应。1

9、961年Franken等人利用红宝石激光器获得的相干强光(=694。3nm)透过石英晶体时,产生了=347。2nm的二次谐波,其光波频率恰好是基频光频率的两倍,即所谓的倍频效应,从而开创了二阶非线性光学及其材料的新领域。自发现倍频效应以来,非线性光学领域吸引了大批科技工作者,使这一学科得到了空前的发展,在30多年后的今天,非线性光学已经发展成为以量子电动力学、经典电动力学为基础,结合光谱学、固体物理学、化学等多门学科的综合性学科。当较弱的光电场作用于介质时,介质的极化强度P与光电场E成线性关系:P=0E (1)其中0为真空介电常数,为介质的线性极化系数。当作用于介质的光为强光(如激光)时,介质

10、的极化将是非线性的,在偶极近似的情况下,原子或分子的微观极化关系可表示为:P=E+E2+E3+(2)其中第一项为线性项,第二项以后为非线性项,为分子的线性光学系数(一阶非线性光学系数),、分别为分子的二阶和三阶非线性光学系数(又称分子的二阶或三阶极化率),它们是描述分子的非线性性质的重要物理量。当外电磁场E足够强时,这些高次项不能再被忽略,也就是说,极化强度与光电场不再是线性相关,而是非线性关系了。类似地,对于一个由多个原子或分子组成的宏观样品来说,外部光电场作用产生的极化强度可表示为:P=(1)E+(2)E2+(3)E3+(3)其中(n)的含义与(2)式中的、类似。在各非线性效应中,对二阶非

11、线性效应的研究进行得最早最深入,应用开发也最为广泛。3.2 非线性光学效应3.2.1 光学变频效应不同频率的光波之间进行能量变换,引起频率转换的各种混频现象叫做光学变频效应。光学变频效应包括由介质的二阶非线性电极化所引起的光学倍频、光学和频与差频效应、光学参量放大与振荡效应,还包括由介质的三阶非线性电极化所引起的四波混频效应。以光学倍频效应为例说明光学变频效应。假设入射光的光场为，若晶体的二阶非线性极化率不为零,则取前两项电极化强度为（4）式中第一项激发出频率不变的出射光波,第二项导致光学整流,第三项则导致二次谐波,即产生了倍频光。光学倍频现象的实质,是在非线性介质内两个基频入射光子的湮灭和一

12、个倍频光子的产生,如图1所示。整个过程由两个阶段组成:第一阶段,两个基频入射光子湮灭,同时组成介质的一个分子(或原子)离开所处能级(通常为基态能级)而与光场共处于某种中间状态(用虚能级表示);第二阶段,介质的分子重新跃迁回到其初始能级并同时发射出一个倍频光子。由于分子在中间状态停留的时间为无穷小,因此上述两个阶段实际上是几乎同时发生的,介质分子的状态并未发生变化,即分子的动量和能量守恒。图1光倍频的量子跃迁图解以上各种非线性光学变频效应是目前比较成熟的相干光变频手段。当入射激光满足相位匹配条件(即动量守恒条件)且其中一种为可调谐时,可通过这些效应获得高频率可调谐变频相干光输出。另一方面,相干光

13、混频效应也为人们提供了一条研究物态结构、分子跃迁和凝聚态物理过程的新途径。当前,带有二倍频器、三倍频器和四倍频器的固体激光器和光参量振荡器作为独立元件已很容易获得,并在许多系统(如光刻照相和材料处理)中得到运用。3.2.2 光的受激散射效应光通过介质时都有一部分能量偏离预定的方向而向空间其他方向弥散开来,这种现象叫光的散射。激光出现以后,以单色高亮度的激光作为入射光束,不但使光的散射现象更易于观测和研究,而且各种散射过程由自发散射转变为受激散射,散射光是具有高度方向性的相干光,其强度也会有几个数量级的增加。我们把这类现象称为光的受激散射效应。纯净介质中的受激散射现象主要包括受激瑞利散射、受激拉

14、曼散射和受激布里渊散射等。我们采用量子理论对受激瑞利散射、受激拉曼散射过程进行简单的描述。设组成散射介质的分子本身具有不连续的分立本征能级,且假设单色入射光波的频率不与分子任何一个共振吸收频率相等。这样分子本身就不能对入射光子产生共振吸收,但可以通过两个阶段对入射光产生散射作用。如图2所示,设散射分子的最低两个能级分别为和,其能量间隔为,则图2()为分子受激瑞利散射的情况。在散射过程的第一阶段,一个入射光子0湮灭,而处于能级a(或者能级()上的分子跃迁到一种中间状态(虚能级)上;第二阶段,已跃迁到虚能级上的分子重新回到其初始能级,并同时散射出一个频率仍为的光子。受激瑞利散射的特点是散射光子能量

15、与入射光子的能量相同,但方向可以不同,这就相当于分子与入射光子之间发生“弹性碰撞”的过程。图2受激分子散射的量子跃迁过程(图下方为散射频谱)图2()为两种受激拉曼散射之一。它与上述受激瑞利散射的区别就在于,原来处于较低能级a上的分子,在散射后跃迁到较高的能级c上(分子的内能增加),而散射光子的频率向低频方向移动的大小,这一过程形成的光称为斯托克斯散射光。与此类似,图2()是受激拉曼散射的另一种情况。其特点是散射后分子回到较低的能级(内能减少),而散射光子的频率向高频方向移动的大小,这就是所谓反斯托克斯散射光的形成过程。受激拉曼散射的特点,是散射光子的能量与方向相对于入射光子都发生变化,与此相应

16、,散射分子的能量与动量也相应发生变化。我们把受激拉曼散射看作分子与入射光子之间的“非弹性碰撞”过程。通过研究受激散射效应,不但大大加深了人们对强光与物质相互作用规律性的认识,而且也从根本上提供了一种产生强相干光辐射的新方式。目前已被广泛应用于分子结构的研究,测量分子瞬态寿命、相干时间和测量大气污染等。3.2.3 光学相位共轭效应非线性光学相位共轭(NOPC)技术是近30多年来发展起来的现代光学的分支。它能够通过全光学方案对电磁波进行实时的空间和时间信息处理,给出具有任意空间相位和偏振的单色入射光场的时间反演。应用这一原理,可以使严重畸变的光束回复到初始未畸变的状态,因而在激光工程中有许多可能的

17、应用,受到人们广泛的注意。光学相位共轭效应可在激光技术、光学成像与信息处理技术、全息适时显示技术以及光学图像的转换和增强技术中获得一系列重要的应用。下面举例说明。一、用于激光器光束质量的改善在普通激光共振腔情况下,增益介质的不均匀性、热畸变以及光学元件所引起的相位与极化的像差是限制激光器输出光束定向性和亮度水平的主要因素。利用具有产生相位共轭波能力的反射体代替普通反射镜组成激光共振腔,具有自动消除增益介质所产生的动态光程畸变影响的能力,从而保证了在腔的另一输出端获得波面规则的高亮度激光输出。如图3(a)所示。图3光学相位共轭效应的应用(a） 利用相位共轭反射体组成高亮度激光共振腔;(b)相位共

18、轭波实现精密瞄准打靶二、用于实现精密瞄准打靶一台大功率激光器所输出的光能足以引爆核聚变的弹丸或摧毁军事上的飞行物,但由于光路介质和光学元件不均匀性以及调整光路技术上的原因,不可避免地使光束变形、发散,无法达到引爆或摧毁的目的。光学位相共轭技术提供了一个解决这方面问题的思路。图3(b)是利用相位共轭波进行远距离激光打靶的一种原理方案图。先用一发散角较大的低功率激光器发出寻的光束照射靶目标,由靶面发射的一部分光波经过扰动介质后返回发射端,经小信号激光放大器后入射到相位共轭波反射体,所产生的反向相位共轭波经激光功率(能量)放大器后,穿过扰动介质完全准确地击中靶面被照明的部分。3.2.4 光学双稳态效

19、应在电子学中,双稳态是一个单元电路,它对于同一个输入电信号具有高低不同的两个电阻值;在光子学中,双稳态则是一个光学元件,它对于同一个入射光强具有高低不同的两个透射率,称为光学双稳态。它对于理解光信息的存储、运算和逻辑处理等有重要意义。在非线性光学系统中,当输入光强较小时,系统输出光强也较小,当输入光强增至某临界光强值时,系统输出光强会跃变到某一高光强状态,如同开关被打开。此后若再减小输入光强,系统不再在原来临值处回到低光强状态,而在更低光强处有另一临界值,使系统从高态跃变回低态(图4所示)。这一过程中,光学系统的输入输出转移关系中出现“滞后”现象,类似于电磁学中的磁滞回线。图4光学双稳态光学双

20、稳态装置或器件有可能用于高速光通信、光学图像处理、光存储、光学限幅器以及光学逻辑元件等方面。尤其是采用半导体材料制成的光学双稳态器件,具有尺寸小、功率低、开关时间短()等特点,极有可能成为未来光计算机的逻辑元件。由于光学双稳态的巨大潜在应用价值,使之成为当前非常活跃的研究领域。3.2.5 光学孤子光波、声波或水波都有一个共同的特点:传播越远,扩展越大。如果波在传播时保持稳定的形状而不扩展,这样的波就称为孤子波(solitarywave)。由于这样的波在相互作用时具有粒子的特性,故又称为孤子(soliton)。在光学领域里,由于色散,使得超短脉冲会在时域自然加长;由于衍射,超窄光束会在空域里自然

21、拓宽。而光学孤子能以超窄光束定形传播,如同一根细针,在空间永不扩展。利用光学孤子理论制成的光纤孤子通信系统具有实现超长距离、超高码率的全光通信能力,在光学通信中具有较好的应用前景。33 理论模型随着非线性光学材料的迅速发展,新的问题和现象不断出现,这就要求不断有新的理论来解释这些现象,并为材料的设计和制备提供理论依据。对此,人们做了大量的工作,提出了若干理论模型,其中影响较大的有:非谐振子模型、键参数模型、双能级模型、键电荷模型和电荷转移模型等。我国科技工作者也提出了自己的理论,主要有:阴离子基团理论、双重基元结构模型、二次极化率矢量模型和簇模型理论。非谐振子模型是人们最早用经典的观点来解释光

22、和物质相互作用的理论,其基本要点是质量为m的带电粒子在光波场的作用下做简谐振动,它受到的作用力F与偏离平衡位置的距离d呈线性关系,当光波场强度很强时,F与d不再是线性关系而是非线性关系,根据非谐振子的运动方程和电极化强度可以推出非线性电极化率。利用这一模型,能够比较容易地理解倍频和混频现象的产生,它成功地解释了分子晶体和离子晶体的红外非线性光学效应,但利用这一模型来处理问题只能停留在定性水平上。Robinson等人提出的键参数模型,是建立在假定晶体的宏观倍频系数是单个化学键对其贡献的几何叠加的基础上的,它对共价型碘酸盐晶体进行了成功地解释,但对离子型晶体并不适用。1969年,Levine提出了

23、键电荷模型,该模型认为键电荷q由两部分组成:一是成键原子的成键轨道重迭贡献q0;二是离子完不完全屏蔽贡献q1。键电荷的动态特性决定了线性和非线性极化率,假定光波场使键电荷q发生位移r,可推得二阶非线性系数的Miller张量为:ijk=ijk(C)+ijk(Eh)式中C为离子能隙,Eh为共价能隙。其理论值能较好地与实验值吻合,并且具有处理大范围复杂晶体结构的能力。相比之下,双能级模型和电荷转移模型应用更为广泛,连同我国科技人员提出的理论,下面择要进行介绍。3.3.1 双能级模型主要用于具有四面体配位的晶体的二阶非线性光学系数计算,能与实验值较好地吻合。其主要思想是采用导带和价带之间的平均能隙Eg

24、来近似计算非线性光学系数,并推导出123如下计算公式:123其中, C为离子能隙,Eh为共价能隙,(1)为多向同性线性极化率,(2)为晶体的宏观二阶非线性光学系数。根据(4)式对四面体配位的晶体得到满意的计算结果,但对其他类型的晶体得不到满意的结果。3.3.2 电荷转移模型电荷转移模型是研究有机二阶非线性光学材料的最直观也是应用最广泛的理论。C。L。Tang等人认为:二阶非线性光学系数产生于价电荷分布的扩展和不对称性。定义了一个以键中心为原点的键偶极矩,在外场作用下,价电荷在分子内转移而产生一级诱导偶极矩,这是产生非线性效应的根本原因。1978年J.Zyss发现,具有电荷转移性质的共轭分子具有

25、有机非线性材料中最有效的成分。这不仅是对电荷转移模型理论的证实,也为寻找新型有机NLO材料指明了方向。3.3.3 阴离子基团理论阴离子基团理论是陈创天2在对BaTiO3、SrTiO3、LiNbO3等氧化物型晶体材料的电光、非线性光学效应与晶体中离子基团的构型、对称性以及价键性质之间的关系系统计算研究的基础上提出的。其基本思想是:晶体的非线性光学效应的基元是阴离子基团,与阳离子无关,晶体的宏观倍频系数是基团微观倍频系数的几何迭加。利用这一理论,陈创天等对新型紫外倍频晶体材料2BaB2O4(BBO)作了定量计算,倍频系数的计算值经校正同实验值符合得较好。阴离子基团理论的局限性在于:一是它只是针对氧

26、化物型晶体提出的理论模型,二是它并没有考虑阳离子在晶体中对非线性极化率的贡献,因而在处理实际问题时,对含有离子半径大、电荷分布易于变形的阳离子的体系有时会产生较大的偏差,或出现难以克服的困难。3.3.4 双重基元结构模型双重基元结构模型是许东、蒋民华3等人通过总结非线性光学晶体的无机畸变氧多面体,结合有机不对称共轭分子基团理论而提出的结构模型。其基本思想是将无机非线性材料中的畸变氧八面体同有机非线性材料中的共轭体系相结合,在几何八面体的顶点上选择性地配置有机和无机基团并通过中心离子与它们之间的电子相互作用形成有利于提高非线性效应的结构。如果在各矢量取向一致的情况下,体系的倍频效应会得到极大的增

27、强。应用该模型成功地设计了Cd(Tu)2ClI(Tu为硫脲),其粉末二次谐波发生(SHG)应高于磷酸二氢钾(KDP),并能得到合理的解释。但缺乏理论计算的证明和支持,是该理论模型的令人遗憾之处。3.3.5 二次极化率矢量模型在1991年李宋贤等人结合二次谐波效应的偶极子模型和光电子量子理论,提出了二次极化率矢量模型,其要点如下:化学键的固有二次极化率是一矢量,它的方向与化学键前线分子轨道间电子跃迁的荷移方向相反,与外场无关。理想的具有二次谐波效应的化学键是有适当极性的共价键。分子的倍频基团的二次极化率矢量(2)是该基团中化学键的二次极化率矢量i的加和。化学键可分为i和偶极矩i方向相反和相同的两

28、种类型。该模型的着眼点在于使二次极化率矢量化,以期借助较直观的矢量分析指导倍频晶体的分子设计。对金属有机配合物的非线性效应作了合理的解释。3.3.6 簇模型理论簇模型理论是卢嘉锡等人为了克服阴离子基团模型在处理实际问题时所遇到的困难而发展的计算方法。该方法主要考虑了以下3种因素:(1)结构基元在晶体中的密度数;(2)晶体环境中其他原子或结构基元对所选择的结构基元的作用可Lorent2Lorentz局域场近似描述;(3)所选结构基元在晶体环境中受到其他结构基元偶极电场作用而产生取向重新分布,这种分布通常用Maxwell2Boltzman统计平均方法处理。利用簇模型理论计算的BBO晶体的最大分量的

29、二阶极化率yyy与实验结果相接近,研究表明:BBO二阶极化率的贡献主要来自于O2-离子的2p轨道到Ba2+离子的电荷转移5。这一理论对其他氧化物型NLO晶体的解释也是比较成功的。这些理论模型尽管都有一定的局限性,但它们对非线性光学材料的研制提供了一定的理论依据,减少了材料制备研究的弯路,对NLO材料的发展功不可没。它们也将成为未来的更为完善的理论体系的基础。4 目前发展状态4.1 非线性光学效应在材料科学中的应用发展一、无机非线性材料无机非线性光学材料包括红外材料、可见到红外区材料和紫外材料 种，其中红外材料一般选用的是半导体材料；可见到红外区材料一般用磷酸盐、碘酸及碘酸盐、铌酸盐；紫外材料一

30、般选用硼酸盐晶体。无机非线性光学材料通常比较稳定，多数允许各向异性离子交换，使之可用于导 波器材料，并且它们都有比有机材料纯度更高的晶体形式。在应用方面，无机类材料一直处于主要地位。例如，我国研究人员发现了一些具有优良性能的紫外倍频晶体材料偏硼酸钡和三硼酸锂，已应用于现代激光技术。二、有机低分子非线性材料有机低分子非线性光学材料大致包含尿素及其衍生物、硝基苯衍生物偶氮化合物、以乙炔基连 接的化合物、二苯乙烯类化合物、腙系及希夫碱系化合物、芳酮系化合物、吡啶衍生物、苯甲醛类化 合物等。与无机材料相比，有机低分子材料具有以下显著特点：较大的非线性光学系数；很高的光学损伤阈值密度，可以按所需的物理特

31、性人为设计合成有机晶体；很宽的透过波长范围，可生长成天然的薄膜波导或利用 膜等生长技术形成薄膜波导，相匹配易实现，可平面集成；易于加工成型、合成改性，便于器件化，成本低廉；低介电常数光学响应快速；易于设计、裁剪组合。三、有机高分子非线性材料高分子非线性光学材料应用最多的是聚乙炔、聚二乙炔、聚苯并二噻吩、聚亚苯基亚乙烯、聚甲基苯基硅烷等聚合物。由于具有大的 电子共轭体系、非线性光学系数大、响应速度快、直流介电常数低等诸多优点，高分子非线性光学材料备受研究人员关注。此外，由于高分子非线性光学材料分子链以共价键连接，化学稳定性好，结构可变性强，可制成如膜片、纤维等各种形式，被认为是最有希望的非线性光

32、学材料。四、有机、无机复合非线性光学材料无机非线性光学材料和有机非线性光学材料在拥有众多优点的同时，也有各自的弊端。例如：无机材料其非线性光学系数和光损伤阈值较低，能够产生大的倍频效应的晶体数量有限。有机非线性光学材料熔点低、热稳定性和透明性都比较差。制备有机无机复合非线性光学材料，充分发挥两种材料的优势，成为研究的热点课题。五、金属有机非线性光学材料金属有机非线性光学材料的研究始于年，是非线性光学材料的研究的一个较新的方向。金属配合物与有机、无机复合非线性光学材料相似，它们都兼有机非线性光学材料和无机非线性光 学材料的共同优点，又能避免两者的不足，成为非线性光学材料研究的热点。金属有机化合物

33、的大的三阶非线性折射率和高的分子二阶超极化率使该种新型材料在全光开关等非线性光学器件的研制上具有潜在的应用价值。4.2 非线性光学效应在光纤通信中的应用发展近年来，非线性光学被广泛地应用于物理、化学、生物、医学、通信、工程及制造工业等领域，成为现代科学技术中不可缺少的一部分，其中，非线性光学在光纤通信中的应用尤为突出。这里主要总结光子晶体光纤非线性、光孤子通信和光纤的三阶非线性效应等几方面的发展。首先，光子晶体光纤的非线性引起了广泛的重视和研究。光子晶体光纤是Russell等人于1992年提出的一种新型光纤。光子晶体的最重要特性是对不同频率光的传输具有选择性。当光子能最和光子晶体能带相容，则光子晶体呈导通性，光子可以透过光子晶体传播出去。否则光子不能透过光子晶体，形成光子禁带。由千光子晶体能够自由控制光在其中的传播，而光子又具有许多电子无法比拟的优点，所以它具有十分巨大的应用前景目前，在光纤通信领域的一个前沿就是设计特殊的光子晶体光纤以便获得理想的非线性，用来制作分立式的光纤通信器件，比如光纤拉曼放大器。其次，光孤子通信研究进展迅速。光学孤子是在长距离传输过程中保持形状不变的一种光波，是光纤通信中最理想的信息载体，能实现超长距离、超高速的全光通信，具有很好的应用前景。近几年来学界对时间孤子、空间孤子及时空孤子进行了大量的研究，描述光孤子在各种光纤中传输的非线