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随着光通信技术的发展,光器件成为现代信息社会的重要支撑,而其不断进展又为信息技术的发展注入新的活力。利用新结构和新机理开发新一代光器件已经成为现代信息技术发展的必然趋势。因此对光器件的非线性及其应用的研究对未来光通信的发展具有十分重要的意义。本论文主要对高非线性光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber,PCF)、普通高非线性光纤以及硅波导的色散、非线性及其应用进行实验和理论研究,主要研究内容和创新性成果如下：(1)完成了反斯托克斯信号(Anti-Stokes Signal, ASS)高效变换实验。该实验采用高非线性的PCF,在560nm附近ASS与残余泵浦和斯托克斯信号的最大功率比分别为33：1和25：1；实验得到34%的ASS最大功率转换效率。这些研究成果可促进超快光子学中新型器件的产生及发展。(2)进行了宽带中红外和紫外连续谱产生的实验。该实验采用高非线性PCF,得到连续谱的紫外区域波长低于246nm、3dB带宽大于140nm,中红外区域波长超过2500nm、3dB带宽大于200nm。该研究结果能为光学检测和光信息处理等所需的中红外和紫外光源提供良好的实现方案。(3)实现了在可见光部分高效产生切伦科夫辐射(Cherenkov Radiations, CR)的实验。该实验利用120fs的泵浦脉冲和空芯光子晶体光纤(Hollow-Core Photonic Crystal Fiber, HC-PCF),在539nm处CRs功率和残余泵浦的功率比达到24：1,CRs带宽和转换效率分别达到62nm和32%。这些研究成果为短波段信号源的获取提供了有效的途径。(4)完成了提高光纤的受激布里渊阈值(Stimulated Brillouin Scattering Threshold, SBST)的实验。该实验在可测范围(受EDFA的限制)内,使光纤的SBST有效提高了18dB。研究了光纤长度、光纤类型和泵浦波长线宽对SBST影响,并对实验光纤的布里渊增益谱(Brillouin Gain Spectrum, BGS)和频移(Brillouin Frequency Shift, BFS)进行了测量。这些研究为大功率连续泵浦光在光纤中传输提供了前提条件。(5)搭建了相位不敏感光纤参量放大器(Phase Insensitive Fiber Optical Parametric Amplifier, PI-FOPA)的理论和实验系统,采用300m高非线性光纤,在泵浦输入功率为28dBm时,小信号的开关增益可达41dB,可测范围(受到光源可调范围的限制)带宽大于105nm(>28dB),理论和实验研究了泵浦光和信号光功率以及泵浦光波长对PI-FOPA开关增益和带宽的影响。这些研究结论对进一步研究高增益、大带宽的PI-FOPA提供了一定的依据。(6)搭建了级联型非简并相位敏感光纤参量放大器(Phase Sensitive Fiber Optical Parametric Amplifier, PS-FOlPA)的实验系统,在泵浦入射功率为30dBm时,实现了最高41dB的开关增益；研究了泵浦波长与功率、不同级联方式对小信号开关增益的影响。这些研究结果对进一步利用级联型PS-FOPA实现信号的放大、整形、再生有一定的指导作用。(7)仿真得到3dB带宽为354nm、最高增益为8dB的硅波导双泵浦OPA。研究了硅波导结构参数变化对其色散和非线性系数的影响,以及结构参数、泵浦脉冲的功率与重复率、自由载流子寿命对双泵浦硅波导OPA的影响。这些研究成果为进一步分析硅波导的色散、非线性特性以及利用其实现OPA提出了有益的建议。