增大网络容量和提高通信速率一直是未来光通信发展的主要方向。在未来的全光网络中，全光信号处理技术使光网络换节点处的信息处理都在光域上进行，而不需要额外的光-电-光的变换，而提高了处理速度也降低了功耗。其中全光的时钟恢复技术作为一项关键的全光信号处理技术主要用于光网络节点处实现3R再生，接收端对信号进行探测，同时检测网络健康状况。另一方面，为了让占据带宽大，功率谱密度小的超宽带(UWB)信号实现长距离传输，有线和无线相结合的UWB-over-fiber(UWBoF)技术应运而生并引起了极大的关注。本论文从理论和实验两方面对基于光纤非线性的全光时钟恢复系统进行了细致的研究，并将其机制引入UWBoF系统实现UWB信号的产生、调制、传输和广播。总结全文的研究内容，主要进行了以下几个方面的工作：(1)结合非线性偏振旋转效应和主动谐波锁模的物理机制，利用HNLF中的NPR效应实验实现了40GHz-80GHz的全光主动谐波锁模激光器。(2)在NPR效应的主动谐波锁模激光器的基础上，提出了一种40Gb/s和80Gb/s的全光时钟恢复技术。分析了40Gb/s条件下时钟恢复子系统中各个参数输出性能的影响。(3)通过数值求解耦合波方程，深入分析了不同条件下，不同参量放大器的增益特性。然后根据前面的分析，利用主动谐波型参量振荡器加上饱和半导体光放大器(SOA)作为后处理，实现了基于FOPO的40Gb/s时钟恢复。(4)利用非线性光纤环形镜(NOLM)作为全光锁模器件，通过改变马赫泽德调制器的偏置电压，在10GHz电信号的驱动下实现了重复频率在10GHz和20GHz可切换的锁模脉冲输出。(5)将基于NOLM的时钟恢复子系统工作速率提高到了40Gb/s，并且对各项参数包括输入平均功率、消光比、差分群延时和SOA偏置电流与恢复出时钟质量的关系做了详细研究。(6)对三种基于光纤非线性的时钟恢复子系统做了全面的比较。通过分析得知基于NPR的系统是本论文提出的三种子系统中目前性能最佳的时钟恢复子系统。(7)实验实现了一种基于双向泵浦NOLM的NRZ到自时钟信号曼彻斯特码(Manchester code)的20Gb/s码型转换技术。(8)通过深入挖掘NOLM的基本原理，提出了基于NOLM非线性功率传输区域产生UWB信号的UWBoF系统。实验成功产生了极性相反的UWB doublet脉冲信号，并进行OOK调制后实现10km的光纤传输，在接收端实现了10-9无误码传输。(9)通过对上述结构的改进，并利用克尔效应大带宽低串扰的特性，提出一种广播型UWBoF系统，实验实现了5个UWB信道的不同波形不同极性的UWB信号低串扰广播。