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光通信网络取得了快速的发展,目前传输网络中的通信容量已经达到了 Pb/s量级,但在交换节点为了实现Pb/s量级的交换容量,传统的光电光的电域处理方式面临着越来越大的功耗压力和光电转换的速率瓶颈,越来越难以满足超高速大容量光通信网络的发展要求;而全光信号处理避免光电光转换过程,能降低功耗、提高处理速率,为高速光交换技术提供了新的途径。全光信号处理一般是基于器件的非线性效应来实现。在各种实现全光信号处理器件中,半导体光放大器(SOA)因为具有非线性系数高、体积小、便于集成、非线性效应丰富等优点,受到持续的关注和研究。尤其是量子阱SOA,既能通过能带工程实现非线性效应的选择性调控,又能利用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)方法进行大规模的商业化生产,在各种非线性应用中被广泛采用。本文以用于全光信号处理的量子阱SOA为主要研究对象,针对波长转换、码型转换和信号再生等全光信号处理应用,通过优化能带结构和改善工作条件,选择性增强不同的非线性效应,得到了最佳的应用输出性能。概括全文的研究成果和贡献,有如下几个方面:(1)研究了用于全光信号处理的量子阱SOA理论模型。首先改进了量子阱SOA能带结构求解算法,在求解精度不变的情况下,求解时间减少为原来的1/103,求解内存减少为原来的1/333。其次将量子阱SOA的能带结构求解和密度矩阵方程结合起来,建立了量子阱SOA能带结构设计和材料极化率调控之间联系;进行了模块化编程,实现了主流Ⅲ-Ⅴ族量子阱材料极化率的计算。然后面向不同的应用场景,将能带结构求解、极化率计算和超快动态模型构建联系起来,建立了量子阱SOA载流子加热模型和超快偏振模型。最后详细分析了量子阱SOA能带结构对材料增益、微分增益、折射率变化、微分折射率变化、线宽增强因子、偏振相关增益和三阶非线性极化率等SOA特征参数的影响,为用于全光信号处理量子阱SOA有源区设计提供了很好的参考标准。(2)理论研究了基于交叉增益调制(XGM)、交叉相位调制(XPM)、瞬态交叉相位调制(T-XPM)和四波混频(FWM)效应的波长转换技术,分析了存在的关键问题,提出了相应的改善方案。针对基于XGM效应的波长转换,通过调控载流子向阱区的注入过程可实现XGM效应的增强和载流子恢复时间的加快。针对基于XPM效应的波长转换,利用量子阱SOA传输方向的差异性可实现慢恢复过程的抑制,改善波长转换性能。针对基于T-XPM效应的波长转换,利用带凹陷的泵浦光实现了量子阱SOA中带内过程和带间过程相对强弱的调控,在无滤波器辅助的情况下载流子恢复时间只有2.75皮秒,工作速率可达到640Gb/s。针对基于FWM效应的波长转换,优化量子阱SOA能带结构可将三阶非线性极化率增强2.3倍。(3)理论和实验研究了光通信网络中不同调制格式之间的码型转换。首次实现了带有再生和波长转换功能的40Gb/s非归零差分相移键控(NRZ-DPSK)信号到归零开关键控(RZ-OOK)信号的码型转换;通过延时干涉仪(DI)或者失谐带通滤波器对归零差分相移键控(RZ-DPSK)、非归零正交相移键控(NRZ-QPSK)和归零正交相移键控(RZ-QPSK)信号进行预处理,可进一步实现带有再生和波长转换功能的RZ-DPSK/NRZ-QPSK/RZ-QPSK到RZ-OOK的码型转换;更进一步优化了量子阱SOA有源区结构,增强了非线性效应,提高了码型转换性能和效率。对于NRZ到RZ的码型转换,提出了 XGM效应占主导作用的新方案,实验证明基于XGM效应的码型转换性能远好于之前基于XPM效应的方案;最后基于新方案实现了 2×80Gb/s偏振复用(PDM)NRZ-QPSK 到 PDM RZ-QPSK 码型转换。(4)理论和实验研究了基于交叉增益抑制(XGC)效应的相位调制信号的幅度再生。首次基于XGC实现了 NRZ-DPSK信号的幅度再生,在1×10-9误码处再生了 2.77dB;对实验中用到的两个非线性效应和设计需求完全不同量子阱SOA,进行了非线性效应的选择性调控,使得每个SOA都工作在最佳状态。进一步简化了 XGC的实验装置,实现了两路RZ-DPSK信号的幅度再生和量子阱SOA结构优化。最后研究了时隙间插PDMRZ-QPSK信号的幅度再生特性,设计了一种用于该信号再生的量子阱SOA,在整个C波段的偏振相关增益不超过0.2dB,工作速率可达到856Gb/s。