近年来,随着光纤到户、云计算、物联网、数据中心等信息技术的高速发展,人们对于光网络带宽的需求呈爆炸式增长,光纤通信网络的数据传输速率即将提升至400 Gbit/s~1 Tbit/s。现有光网络节点处仍然采用光-电-光交换,存在功耗大和信息处理瓶颈等难题,全光交换以其高速、低功耗及潜在低成本等优点逐渐成为发展方向。全光波长转换和以此为基础的波长路由,可以解决信道竞争,提高波长的利用率,是构建高速无阻塞波分复用(WDM)网络的重要基石。此外,随着光电子集成芯片制作工艺的逐渐成熟,将分立器件集成在同一衬底上的光子集成回路(PIC)已成为光电子系统发展的必然趋势。因此,研究具有小体积、低功耗的高速全光波长转换器集成芯片逐渐成为研究热点。在众多实现全光波长转换的技术中,因为半导体光放大器(SOA)的小体积、高非线性及可集成化等诸多优势,使得基于SOA的全光波长转换成为国内外的研究热点。本论文重点研究了SOA的交叉增益/交叉相位调制效应,以及超快动态特性,研究了基于SOA的高速全光波长转换和可集成化方案,设计并实现了单片集成的高速全光波长转换器及路由器PIC芯片。论文主要研究内容分为以下几部分:1.研究了SOA的各种光学超快非线性效应,建立了基于SOA非线性超快动态特性的数值模型。深入分析了各种基于SOA的高速全光波长转换基本原理,提出了一种新型的全光波长转换器可集成方案。该方案采用蓝移滤波技术,通过提取超快的频率啁啾以加快SOA的增益恢复,从而提高了波长转换的速率,并采用延迟干涉仪(DI)结构对波长转换信号进行反相,从而实现正相的高速全光波长转换。通过数值仿真实现了该方案在10 Gbit/s~160 Gbit/s速率下归零码(RZ)信号的全光波长转换,在理论上验证了该全光波长转换器集成方案的可行性。2.提出了一种4通道的高速全光波长转换器阵列芯片结构,并通过多项目晶圆(MPW)流片设计芯片版图,制作了尺寸大小为4.6×1.85 mm~2的磷化铟(InP)单片集成芯片。该芯片集成了4个高速全光波长转换器,可实现全光单播波长转换和全光组播。芯片包含有源区和无源区,并涉及直波导和弯曲波导。通过在弯曲波导之间添加偏移结构,并在深浅刻蚀波导之间增加缓冲过渡结构,减小了光传播损耗以及光反馈。利用该芯片分别实现了功率代价低至2.3 dB以及2.7 dB的无误码40 Gbit/s非归零码(NRZ)信号和RZ信号全光单播波长转换。同时,还实现了容量高达80 Gbit/s的无误码1×2 NRZ信号以及RZ信号的全光组播,其功率代价分别低至2.5 dB和3.2 dB。3.提出了一种4×4通道的全光波长路由器芯片结构,并通过MPW流片制作了InP单片集成芯片。该波长路由芯片包括4个SOA和1个阵列波导光栅路由器(AWGR)。利用SOA的交叉增益调制/交叉相位调制效应实现全光波长转换,同时通过AWGR实现蓝移滤波加快转换速率,并完成无源全光路由功能。芯片分别实现了功率代价低至3.6 dB和3.2 d B的1×4和3×1 40 Gbit/s NRZ信号的全光波长路由。4.设计并实现了一种基于SOA、AWG以及多模干涉反射镜(MIR)的多波长激光器芯片。该激光器可实现数字式的波长调谐。采用MIR反射结构,比传统的法布里珀罗型结构缩减了芯片尺寸。采用腔内AWG进行两次滤波,可使输出激光具有比单次滤波更高的边摸抑制比。对多波长激光器结构进行了掩膜设计,通过MPW流片制作了InP单片集成芯片,并分别通过仿真及实验验证了该多波长激光器芯片的功能性,在C波段范围成功实现了5个波长可调谐输出。5.设计了包括分布式布拉格反射(DBR)可调谐光源的全光波长路由器芯片结构,利用MPW流片服务设计并制作了InP单片波长路由集成芯片。实验研究了芯片上两种不同结构DBR激光器的波长可调谐范围、调谐速率以及稳定性,并分析了SOA与激光器之间的光反馈对全光波长转换的影响。实验结果表明,芯片上的两种不同结构DBR激光器在C波段分别实现了9 nm和10 nm的波长调谐。芯片上的全光波长转换器成功实现了20 Gbit/s的无误码全光波长转换,其功率代价为2 dB。