半导体光放大器(Semiconductor Optical Amplifiers, SOA)作为全光信号处理中的关键器件之一,在波长转换、光学逻辑门、波长路由、高速光开关等领域有着广泛的应用。基于SOA非线性效应的全光信号处理,避免了“电子瓶颈”的限制,提高了数据传输的透明性、灵活性,因而逐渐成为光通信领域的研究热点。在大多数传输和网络应用中,器件对输入信号偏振态的敏感程度是一个必须考虑的因素。SOA作为偏振敏感器件,方面,会受到偏振效应的作用降低其应用效果；另一方面,可以利用SOA中的偏振效应实现波长转换、全光缓存等功能。因此,基于SOA的偏振相关特性受到了广泛的关注,而SOA中偏振相关特性的研究主要集中在非线性偏振旋转效应(Nonlinear Polarization Rotation, NPR)。随着传输速率的不断提高,又使SOA-NPR效应朝着超快方向应用。论文首先从考虑超快载流子动态特性的SOA-NPR理论模型出发,在原有模型基础上,引入载流子加热(CH)及光谱烧孔(SHB)两个带内效应,数值求解扩展后的模型方程,验证了在超短脉冲输入情况下,两个带内效应对相位变化的影响。同时,研究了基于扩展模型的偏振相关增益特性、相位特性及啁啾特性。并能与文献实验结果基本吻合。其次,对光在SOA中偏振态的演化采用穆勒矩阵法及邦加球法进行分析。数值计算出代表光偏振态的偏振方位角及椭圆方位角随注入光功率的变化曲线。并分析了椭圆方位角的变化曲线在提高基于SOA-NPR的波长转换的消光比方面的作用。给出了由SOA双折射引起的模式相差、模式增益等随注入泵浦光功率或注入电流的变化关系。最后,利用扩展后的超快SOA-NPR理论模型,传输RZ-OOK、RZ-DPSK两种不同的调制格式以及实现200Gbit/s的反向波长变换。研究结果表明：在超快SOA-NPR模型中,当入射泵浦光的偏振态与TE/TM方向一致时,探测光的TE/TM模式获得的增益较大；相位特性上则分为由载流子加热效应引起的相位变化快速区域和载流子密度脉动引起的缓慢变化区域；对于同一种TE/TM模式而言,红移啁啾的幅度要大于蓝移啁啾的幅度。在利用穆勒矩阵分析SOA-NPR模型中,得到了TE/TM的模式相移差随注入光功率的增加而逐渐增加,相移角度超过180°；模式间的相移也随注入电流的增大而增大,当注入电流为250mA时,相移角度可达45°；由于ASE的存在,出射光的偏振度会随注入光功率的增加而变大。输入不同调制格式的情况下,经过SOA-NPR效应,出射的RZ-DPSK信号Q因子要比RZ-OOK信号提高近2dB；基于超快SOA-NPR效应的反向波长变换存在比较严重的模式效应,计算出波长变换后的RZ-OOK信号的Q因子为1.276dB。