本论文是基于国家自然科学基金重点项目“分布式星群高速激光组网传输理论与技术”(NSFC No.61231012)展开的。在信息数据量呈指数型增长的当今时代,随着人们对信息量的需求以及各项信息技术的快速发展,构建超高速、大容量的全光网势在必行。然而对于超高速光网络,高速光信号在长距离传输中面临的衰减、色散,以及各种非线性效应引起的信道串扰,使得长距离链路传输中光信号受到严重的损伤和畸变,因此针对光信号再生的链路中继技术研究成为解决这一问题的有效手段。传统的基于“光-电-光”(O-E-O)的光电混合中继由于功耗大、体积大、并且受到光电器件的“电子速率瓶颈”限制,已经不能满足超高速、大容量光信息传输链路的信号再生需求。与传统的O-E-O中继方式相比较,全光中继具有功耗小、体积小、信号不经O-E-O转换、对于信号速率相对透明等优点,因此采取全光手段对于受损光信号进行再生及转发,能够有效解决激光链路中长距离传输引起的信号衰减和畸变问题,是未来超高速全光网的关键技术。在本论文中,针对超高速、大容量光网络的信号再生问题,我们从全光1R(再放大,Re-amplification)再生、全光2R(再放大、再整形;Re-amplification,Re-shaping)再生、全光3R(再放大、再整形、再定时;Re-amplification,Reshaping,Re-timing)再生的三种不同层次再生手段出发进行再生系统仿真与实验研究,取得了以下成果:1、提出了基于二级前向泵浦放大机制的掺铒光纤放大器实现弱信号的低噪声、高增益再放大,即全光1R再生。指出了与传统基于掺铒光纤放大器的再放大方案相比较,我们提出的全光1R再生方案可以有效抑制掺铒光纤放大器中自发辐射噪声,实现高接收灵敏度、低噪声系数、高信号增益的弱信号低噪声高增益再放大。该方案可以有效用于光信号中继放大及高速空间光通信的高探测灵敏度直接探测。2、分别提出了基于高非线性介质中交叉增益调制、自相位调制、交叉相位调制、四波混频等三阶光学非线性效应的全光波长变换器用以实现链路传输光信号的全光2R再生及转发。指出了我们最终所提出的基于简并四波混频偏振分集方案的全光2R再生系统能够实现宽波长范围、高转换效率、信号调制格式透明、信号比特率透明、偏振不敏感的幅度和形状,可以被广泛用于全光2R再生中继、基于光波长地址的全光交换机、光信号多路组播转发器中。3、提出了基于半导体光放大器中交叉增益调制效应的注入锁模激光器实现链路传输信号的全光时钟恢复,指出了通过采取后向注入连续波辅助光可以有效降低由于锁模器件半导体光放大器中载流子恢复时间较长引起的码型效应,采取该方案可以从链路传输的10Gbit/s归零数据流中提取出低定时抖动、低幅度抖动、窄脉冲宽度的10-GHz同步时钟信号。该方案可以被有效用于RZ信号的全光同步时钟提取,是全光信号再定时的关键技术。4、基于全光2R研究结论,提出了基于高非线性光纤中偏振分集四波混频效应的全光判决门,结合全光时钟恢复技术,对超高速光网络中链路传输受损信号实现全光3R再生判决,指出了该全光3R再生技术可以有效被应用于单波长超高速光时分复用系统、光时分-波分混合复用系统的大容量光网络中,实现链路传输受损信号的再放大、再整形、再定时。5、基于半导体光放大器中交叉增益调制和高非线性光纤中四波混频效应等三阶非线性效应,首次提出了多波长超短脉冲锁模激光器功能结构,通过实验验证,指出了该多波长脉冲锁模激光器具有很大的研究价值和应用潜力,该激光器作为载波光源可有效应用于密集波分复用和光时分复用的融合网络中,实现超高速、大容量的全光网络。6、提出了超高速大容量光网络中弱信号全光再生系统结构,通过搭建实验系统进行功能演示,验证了我们所提出的三种全光再生系统的普遍适用性、方案可行性和技术优越性。