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由于全光交换可以避免光-电-光转换，随着单信道比特率和传输信道的持续增加，全光交换将在下一代光通信网络中发挥重要作用。全光信号处理是实现全光交换的最重要技术之一，其中全光逻辑运算技术在光交换中发挥着至关重要的作用，比如信头识别、信头/载荷分离、载荷路由、信头转换等重要的网络节点功能都将依赖全光逻辑运算技术来实现。由于半导体光放大器（SOA）具备非线性系数高、功耗低、转换效率高、可靠性高、易于与其他光电子和光子器件集成等优势，在用于全光信号处理的光电子和光子器件中，SOA是非常具有竞争力的候选者。本学位论文中设计了多种基于SOA，并适用于差分相移键控（DPSK）信号和开关键控（OOK）信号的全光逻辑运算构建单元，并利用40Gbit/s高速光纤通信测试平台和超快非线性SOA等器件进行了实验研究。概括全文的主要研究成果和贡献，有以下几个方面：（1）研究了基于延时干涉仪（DI）和SOA的逻辑运算方案的理论。推导了DI的传输矩阵和传输函数，模拟分析了DI对DPSK信号进行解调产生原码和反码数据的过程，以及载波波长与DI传输谱失谐导致的输出解调信号劣化情况。利用SOA级联失谐滤波器理论分析模型，模拟分析了适用于DPSK信号的可重构全光逻辑运算方案中输入数据信号的功率、光学滤波器的带宽和滤波器的失谐对输出逻辑信号性能的影响。（2）研究了基于DPSK信号的多路输入可重构全光逻辑最小项和最大项的产生，并分析了输出性能与工作条件的关系。利用获得的两路输入全光逻辑最小项和泵浦数据信号耦合产生了可重构全光逻辑最大项。利用逻辑最小项与最大项之间的码流互补特性，并结合SOA的交叉增益调制（XGM）效应的NOT逻辑运算功能，由获得的三路和四路输入的全光逻辑最小项，产生了对应的逻辑最大项。实验研究表明，所有输出逻辑信号性能良好，有望进一步用来构建任意全光逻辑运算。（3）研究了基于DPSK信号的全光组合逻辑运算单元。这些全光组合逻辑运算单元包括1线到2线数据分配器、1线到4线数据分配器、2线到1线数据选择器、共生的数字比较器和双向半减器、两路输入的全套全光逻辑门、可重构和可扩展的全光逻辑运算基本构建单元。实验研究表明，这些适用于DPSK信号的组合逻辑运算单元具有良好的输出性能，有望在未来的高速全光数字信号处理系统和光子计算机等方面获得广泛的应用。（4）设计并实验研究了基于SOA的四波混频(FWM)效应和XGM效应，并适用于OOK信号的组合逻辑运算单元。这些全光组合逻辑运算单元包括1线到2线数据分配器、2线到1线数据选择器、三路和四路输入数字优先编码器。实验研究表明，这些组合逻辑运算单元具有良好的输出性能，为将来在高速全光数字信号处理系统和全光计算系统等方面的推广和应用奠定了基础。