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光信号处理是未来超高速超大容量超长距离(3U)光传输的关键技术。传统的光-电-光的信号处理方式技术已经日臻成熟,但是系统结构比较复杂,成本昂贵,功耗高,对调制速率和调制格式不透明,光电转换效率较低,受到电子处理速度瓶颈的限制等,无法满足未来波分复用(WDM)光网络超高速光信号处理的要求。全光信号处理技术具有飞秒量级的响应时间,功耗低,对光信号的调制速率和调制格式透明,具有广泛的应用前景。本论文主要研究了基于光纤参量放大器(FOPA)的全光信号处理技术,包括宽带低噪声光放大,差分移相键控(DPSK)及正交移相键控(QPSK)信号的全光相位和幅度再生、全光波长转换和组播技术,以及相位不敏感(PI)和相位敏感(PS)参量光开关,取得的主要的研究成果包括:1)基于双泵浦单模式相位敏感光纤参量放大器(PS-FOPA)的三波模型,推导了输出光信号功率和相位的解析表达式,可以直观显示信号光的相位敏感增益特性和阶梯型相位传递函数。为了研究高阶四波混频过程对信号光增益的影响,建立了双泵浦单模式PS-FOPA的七波模型,研究发现当双泵浦波长间隔变化时,高阶四波混频过程中信号光和高阶闲频光之间存在相互功率转移,因此存在最优的双泵浦光波长间隔以获得最高的信号光增益。进一步地优化双泵浦光波长间隔和输入功率,信号光和高阶闲频光同时出现增益消光比(GER)反转,可用于同时实现DPSK信号的全光相位再生和波长转换功能。2)通过七波模型研究了基于双泵浦单模式PS-FOPA实现DPSK全光再生的波长组播功能。通过优化系统参数,实现了一个波长到九个输出波长的DPSK全光再生的波长组播,再生后的各组播信道的DPSK光信号Q因子提高了1.5dB以上,光信噪比(OSNR)代价降低了3dB。研究还发现双泵浦单模式PS-FOPA中高阶四波混频边带的产生有助于降低泵浦光到信号光的强度调制噪声转移。3)基于双共轭泵浦简并PS-FOPA实现了一个波长到三个输出波长的全光QPSK相位再生的波长组播。组播信号的相位和输入QPSK信号光相同,优化输入信号光的相对相位和输入泵浦光功率后,当误码率(BER)为10-3时,相位再生的QPSK信号光、组播信号1(Copy1)和组播信号2(Copy2)的OSNR代价分别降低了0.8dB、1.3dB和1.3dB。4)实验测量了相位不敏感参量光开关的静态响应和动态响应的消光比分别为24.5dB和18.8dB。使用单路径实验结构测量了相位敏感参量光开关的静态响应消光比为18.97dB,使用双路径实验结构测量了相位敏感参量光开关的动态响应消光比为10.84dB。建立了相位不敏感和相位敏感参量光开关的数值仿真模型,仿真结果和实验测量结果相符。5)建立了考虑高非线性光纤(HNLF)纵向零色散波长涨落的参量光开关的数值仿真模型,研究了HNLF纵向零色散波长涨落对相位敏感参量光开关的影响。研究发现,一般情况下纵向零色散波长涨落会降低相位敏感参量光开关的消光比,但是某些特定的纵向零色散波长分布反而有助于提升相位敏感参量光开关的消光比;纵向零色散波长涨落还会导致相位敏感参量光开关的非对易传输特性,而且与相位不敏感参量光开关对比,相位敏感参量光开关的非对易传输特性对纵向零色散波长涨落更加敏感;真空噪声放大会影响参量光开关的泵浦消耗,存在最优的输入泵浦光功率以获得最大的相位敏感参量光开关的消光比。