光纤通信发展迅速,单波长的传输速率已从上世纪70年代的44.7Mb/s增加到现在的40Gb/s。但在光纤通信网的节点处,仍然采用电子信号处理方式,存在着光-电-光的转换瓶颈、信号处理速率与传输速率不匹配、以及能耗大等难题。这就促使人们研究在光域内直接对光信号进行处理,充分发挥光信号处理技术高速率、低功耗的优点,避免光-电-光的转换和电子信息处理所带来的瓶颈问题。本论文所研究的全光采样和全光再生,是全光信号处理中的两个重要研究内容。利用半导体光放大器的非线性效应实现全光信号处理是国际上的主流研究方向。半导体光放大器具有体积小、非线性系数大、利于光子集成的优点,可以实现交叉增益调制、交叉相位调制、四波混频、偏振旋转等多种非线性效应。本论文的工作主要基于半导体光放大器的偏振旋转效应。信号采样是模拟信号向数字信号转换的第一步,为数字信号处理奠定基础。全光信号采样利用光脉冲比电脉冲具有更窄的脉宽和极低时间抖动的优势,可以达到良好的采样效果。本论文中的全光信号采样系统设计,基于半导体光放大器偏振旋转效应,仿真计算和实验测试均实现了40GHz的光脉冲信号对2.5GHz的原始模拟光信号的采样。信号在光纤中传输时,由于各种非线性效应以及传输损耗等原因,造成信号在经过一段距离的传输后衰减变形,这时要通过信号再生器对信号进行再放大(re-amplifing)、再整形(re-shaping)、再定时(re-timing),即3R再生。如果只包括前两者,则为2R再生器。在时域畸变不大的中短距离光纤传输系统中,2R再生的研究显得尤为重要。本文研究了一种新型的全光2R再生器。这种再生器基于半导体光放大器的偏振旋转效应,其偏振旋转效应由输入信号自身引起。计算仿真和实验测试均表明,该结构可以达到良好的2R再生效果。在10 Gbit/s的信号速率下,通过全光2R再生后,信号光的消光比提高了8.3dB。在误码率测试方面,功率代价改善了6dB。