常规光纤系统中，光功率不大，光纤呈现线性传输特性，然而超高速系统中广泛采用的光放大器提高了入纤功率，使光纤的非线性效应显著起来。
(1)光纤的非线性机理
线性或非线性指的是光在其中传输的介质的性质，而非光本身的性质。在强电场的作用下，任何介质都呈现非线性，光纤也不例外。当传输介质受到光场的作用时，组成介质的原子或分子内的电子相对于原子核发生微小的位移或振动，使介质产生极化。也就是说，光场的存在尤其是强光场的作用使得介质的特性发生了变化。在光纤通信系统中，高输出功率的激光器和超低损耗单模光纤的使用，使得光纤的非线性效应越来越显著。这是因为单模光纤中的光场主要约束于很细的纤芯内，场强非常高，低损耗又使得高场强可以维持很长的距离。
光纤中的非线性效应，一方面可以引起传输信号的附加损耗，信道之间的串话，信号频率的移动等，这是其不利的一面;另一方面又可以利用其开发新型器件，如激光器、放大器、调制器等。新兴的光孤子通信方式就是利用光纤的非线性效应来克服色散的影响，使通信速率极大地提高，传输距离极大地延长。
(2)主要的非线性效应
光纤中典型的非线性效应有自相位调制效应(SPM)和交叉相位调制效应(XPM)、受激拉曼散射(SRS)、受激布里渊散射(StkS)和四波混频(FWM)等。下面主要介绍自相位调制效应(SPM)、受激拉曼散射(SRS)和四波混频(FWM)。
①自相位调制效应(sPM)。
光脉冲在光纤中传播时相位的改变分为线性部分和非线性部分，其中非线性部分与光场强度的平方成正比，故自相位调制由于光场自身引起的相位变化，进而导致光脉冲频谱扩展。从原理上说，自相位调制可用来实现调相，但实现调相需要很强的光强，且需选择折射率大的材料。自相位调制效应的真正应用是在光纤中产生光孤子，实现光孤子通信，这是光纤非线性特性的重要应用。
②受激拉曼散射(SRS)。
受激拉曼散射是由光纤物质中原子振动参与的光散射现象。在散射的过程中，常常伴随着声子被吸收或者被发射，根据能量守恒定律，入射光会发生频率转换，即在此过程中光场把部分能萤转移给非线性介质。
受激拉曼散射对光纤通信的不利影响主要表现在两个方面，一是造成光纤中损耗增加，频率转换，因此必须加以抑制，主要是限制光纤中传输的最大功率;二是引起波分复用系统中的串扰。
目前对受激拉曼散射研究重点是利用这种效应来为光纤通信服务，受激拉曼放大器(RA)就是这些研究中的一个热点。
③四波混频(FWM)。
四波混频是指两个以上不同波长的光信号在光纤的非线性影响下，除了原始的波长信号外还会产生许多额外的混合成分(或叫边带)信号。
在波分复用系统中，特别是当信道间隔很小时，会有相当多的信道功率通过四波混频过程被转换到新的光场中去，这一转换直接导致信道功率损耗，同时还会产生串话，引起信道干扰。
FWM的影响有赖于相互作用的信号之间的相位关系。如果相互作用的信号以同样的群速度传播(无色散时就是这种情况)，则FWM的影响加强;另一方面，如果存在色散，不同的信号以不同的群速度传播，因此不同光波之间交替地同相叠加和反相叠加，其净效果是减小了混频的效率。在有色散的系统中，信道问隔越大，群速度的差异就越大，所以在色散位移光纤中由于色散值很低，FWM效率要高得多。为了尽可能减少FWM的非线性效应的影响，开发了大有效面积非零色散位移单模光纤(LEAF)。
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