热极化技术是目前打破石英玻璃宏观中心,诱导其产生二阶非线性系数（Second Order Nonlinearities,SON）最有效稳定的办法。紫外极化、电晕极化、电子轰击等其他极化方式,因其诱导的系数不稳定以及重复性不高被逐渐淘汰。近年来,光纤因其插入损耗低、成本低以及光学损伤阈值较高等优点在非线性光学迅速发展。光纤利用其自身固有的三阶非线性光学特性,在光开关、超连续谱的产生以及光脉冲等方面有广泛的应用。经过热极化处理的光纤具有二阶非线性效应,这使得极化光纤在光孤子、二次谐波、差频以及全光纤调制等方面有着极大的应用前景。目前,关于热极化的机理普遍认为是在高温高压的作用下,迁移的载流子被束缚在光纤中,从而形成内建电场。此内建电场和光纤自身的三阶非线性极化率耦合成二阶非线性极化率,从而使光纤具有二阶非线性光学效应。本文基于二维载流子动力学模型以及二阶非线性光学产生的机理,分析影响热极化光纤二阶非线性系数大小的因素,提出并探究纤芯相对电极孔环形分布时,在单阳极、单阳极-单阴极、双阳极三种电极模式下其内建电场的演变规律。数值模拟结果表明,在双阳极模式下,纤芯相对电极孔30°分布时可获得最大的二阶非线性系数。根据此规律,本文设计二阶非线性系数高达0.46 pm/V的四芯热极化光纤结构。基于紫外光能周期性擦除热极化光纤二阶非线性的特性,本文搭建国内首个周期性调制极化光纤的平台,并在周期极化光纤光栅中实现二次谐波的产生。此外,本论文还研究光栅周期和温度等参数对极化光纤光栅性能的影响,从而制作实用性强的极化光纤光栅。本论文的研究内容和创新点如下:1、本论文从理论和应用两方面详细介绍热极化光纤的发展历史以及形成机理,从热极化单芯、双芯光纤两个视角分析目前的热极化光纤结构,分析影响SON系数大小的因素,为下文设计高SON的热极化光纤结构埋下伏笔。2、利用仿真软件还原二维载流子动力学模型,详细介绍光纤二阶非线性光学特性以及二次谐波的产生机理;简单阐述紫外光能周期性擦除热极化光纤的二阶非线性效应的特性,基于此原理介绍周期极化光纤光栅的工作原理。3、基于有限元分析法,提出并研究纤芯相对电极孔不同角度分布时,在单阳极、单阳极-单阴极、双阳极三种电极模式下其内建电场的演变规律。基于此规律设计出高二阶非线性极化率的四芯光纤热极化结构。由于四芯光纤结构有可能会发生串扰问题,因此模拟仿真该结构的基模电场能量分布图,以此验证四芯热极化光纤的实用性。4、本论文基于紫外光能周期擦除极化光纤的二阶非线性的特性,利用此特性搭建国内首个周期极化光纤光栅平台,利用此周期极化光纤光栅搭建光路平台实现二次谐波的产生。