随着视频流媒体等新业务的不断涌现,对网络带宽的需求以超摩尔定律的速度迅速增长,基于超大容量高速光传输和光交换的全光网络已经成为下一代通信骨干网的发展趋势。随着传输链路速率的提升,在高速、低成本、低功耗全光器件的研究上实现突破成为了推动全光网络研究进程的关键一环。近几年来,由于具有非线性强、体积小、易集成等一些独特的优势,半导体光放大器(SOA)作为全光信号处理的重要功能部件之一,成为光学领域和通信领域的研究热点。本论文在国家973项目“面向光路交换网络的光器件理论与关键技术研究”支持下,针对超高速率和超大容量全光网络对高速全光信号处理器件的应用需求,对SOA中的超快增益动态特性、超快相位动态特性和超快啁啾动态特性进行了深入的理论研究,获得的主要创新成果如下：1.提出了一个宽带SOA超快动力学模型,并采用已有实验文献报道进行了验证。与目前已有SOA超快模型相比,该模型积分容易收敛、不依赖于常数线宽增强因子和增益压缩因子,尤其适用于大信号分析和泵浦波长与探测波长间隔很大的宽带情形。在此理论模型的基础上,采用标准C++开发了一个面向对象的数值模拟软件库,首次在软件功能上将传统SOA、纵向激光增益钳制SOA和垂直激光增益钳制SOA的数值模拟过程统一起来。2.系统地研究了单个亚皮秒光脉冲激励下宽带情形SOA中的超快动态特性,首次发现了超快增益和相位动力学的波长依赖性。在1450-1650 nm的波长范围中,波长越短,载流子加热效应引起的增益变化越大、相位变化越小；波长越接近泵浦光波长,光谱烧孔效应引起的增益变化越大、相位变化越小；而双光子效应无明显波长依赖性。在长波段,增益恢复时间短且动态范围大、相位动态范围小,易于高速交叉增益调制应用；在短波段,相位恢复时间短且动态范围大、增益动态范围小,利于高速交叉相位调制应用。3.与皮秒光脉冲激励的情形不同,当考虑了光谱烧孔和双光子吸收效应的影响后,亚皮秒光脉冲激励下的SOA中的啁啾动力学过程包含中间的红移部分和两侧的蓝移部分,并呈现较强的波长依赖性。该结果表明,对于在皮秒光脉冲激励下基于瞬态交叉相位调制与失谐滤波器组合改善交叉增益调制码型效应的方案,在亚皮秒光脉冲激励的应用中将不再适用。4.提出了一种基于Mach-Zehnder干涉仪和体材料SOA中交叉增益调制的高速全光逻辑异或门。该方案通过采用带内直流光和较长的SOA改善了长载流子寿命引起的码型效应,可以实现直至Tb/s的工作速率。通过数值模拟验证和评估了基于该方案的250 Gb/s、500 Gb/s和1 Tb/s的全光异或逻辑门,所得异或结果的信号眼图张开度好且Q-factor大。5.首次提出采用两个不同带隙SOA的级联,选择合适的SOA带隙、注入电流和长度,可以有效改善高速交叉增益调制的码型效应。本方案具有结构简单和易于单片集成的优点。