电偶极子感应的总极化强度对于电场是非线性的，满足通常的关系式：

式中为真空中的介电常数；为第阶极化率，线性极化率表示对的主要贡献，二阶极化率对应于二次谐波产生和频等非线性效应。由于二氧化硅分子结构是对称的，因此石英玻璃的等于零，光纤通常并不表现出二阶非线性效应。光纤中的非线性主要源于三阶极化率，主要包括非线性折射和受激非弹性散射。

介质的折射率与入射光强度有关，折射率简写为：

，

式中为线性折射率部分；为光纤内的光强；为与三阶极化率有关的非线性折射率系数。非线性折射引起以下非线性效应：自相位调制、交叉相位调制、四波混频、三次谐波和光孤子形成等。自相位调制是指光在光纤中传输时光信号强度随时间的变化对自身相位的作用。交叉相位调制是指示由光纤中某一波长的光强对同时传输的另一个不同波长的光强所引起的非线性相移。四波混频是源于折射率的光致调制的参量过程，需要满足相位匹配条件。在此参量过程中，遵循能量和动量守恒。

是光场的部分能量转移给非线性介质，在这种非线性散射过程中，光波和介质相互作用时交换能量，使得光子能量减少。光纤中存在两种形式的受激散射效应，主要有受激拉曼散射和受激布里渊散射。两种散射的主要区别在于受激拉曼散射的剩余能量转变为光频声子，受激布里渊散射转变为声频声子；光纤中的受激布里渊散射主要发生在后向，受激拉曼散射主要发生在前向。