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随着光纤与掺铒光纤放大器的问世及商业化,光纤通信系统得到了飞速的发展。在光网络节点处,基于非线性效应的全光信号处理可以避免光/电/光转换带来的高成本及系统复杂度,提高通信系统容量并降低系统功耗,对大数据时代信息的传输及交换有着重大的意义。相敏放大(PSA)作为重要的非线性效应被广泛用于全光信号处理中。本论文以通用PSA理论为原型,建立了针对多介质、多维度全场的PSA理论模型。以这些理论模型为基础,指导设计非线性器件并优化器件输入条件,提出并实现了基于PSA的多种全光信号处理功能,包括相位再生、逻辑门及调制格式转换。全文的主要研究内容可以概括如下:(1)全面研究了 PSA理论。从波动方程出发,推导了通用PSA理论模型及模型近似解析解。根据无源及有源非线性器件的特性,完善得到了多种介质的PSA理论模型。将通用PSA理论延伸至多维复用系统中,拓展建立了针对波长、偏振及模式维度的全场PSA理论模型。(2)深入研究了基于PSA的相移键控(PSK)信号相位再生。模拟分析并证实了基于高非线性光纤(HNLF)中标量双泵非简并PSA的单信道差分相移键控(DPSK)及正交相移键控(QPSK)信号相位再生,通过优化器件参数及输入条件,得到了良好的相位再生性能。首次提出并模拟证实了基于HNLF中矢量双泵非简并PSA的PDM信号相位再生方案,通过优化输入条件,实现了偏分复用(PDM)DPSK及QPSK信号的无串扰相位再生,并分析了方案的相位噪声容忍度。首次提出并模拟证实了基于多模硅波导中模内双泵简并PSA的模分复用(MDM)信号相位再生方案,通过优化器件尺寸及输入条件,实现了双模DPSK信号的低串扰相位再生,并分析了方案的相位噪声容忍度。提出并模拟证实了基于HNLF中标量双泵非简并PSA的波分复用(WDM)信号相位再生,通过优化输入条件,得到了良好的相位再生性能。(3)理论及实验研究了基于PSA的全光逻辑门。提出并实验证实了基于单模硅波导中单级四波混频的非线性干涉广播方案,通过优化波导尺寸及输入条件,实验实现了干涉结果的1×4波长广播,进一步地,模拟实现了基于非线性干涉广播的开关键控(OOK)及二进制相移键控(BPSK)两种调制格式的逻辑异或门广播。提出并模拟实现了基于HNLF中单泵非简并PSA的OOK格式逻辑非门,通过优化输入条件,在2个波长位置得到了 OOK格式的逻辑非门结果。(4)对基于PSA的调制格式转换进行了研究。提出了基于单泵非简并PSA的BPSK到传统OOK的调制格式转换方案,通过优化器件参数及输入条件,实验实现了基于HNLF及半导体光放大器(SOA)两种非线性器件的BPSK到OOK调制格式转换。