随着信息时代到来，虚拟现实、物联网、高清视频直播等技术和业务深入人们的日常生活和工作，光纤通信系统时刻面对着巨大的带宽需求。研究人员通过提高单通道速率、优化频谱效率以及开发新的复用维度等方法不断增加系统容量，总结近30年来OFC会议上PostDeadline文章，可以发现实验室中的光纤通信系统容量平均每四年提高10倍。使用多种技术相结合的方式可以非常有效地提高通信系统容量，但也将同时大幅增加网络节点复杂度，进而对光信号处理能力提出更高的要求，如高质量光信号源生成、多路信号同时处理、对信号波长和带宽透明、降低节点复杂度等。能够应对复杂网络环境并且低成本的光信号处理技术将成为能否将实验室中的超大容量系统成功商用化的关键因素。本文结合参与课题内容，对正常色散区超连续谱生成机理、光时分复用(Optical Time Division Multiplexing，OTDM)分插复用器、全光波长转换、宽度调谐脉冲生成以及全光相关器等这些光信号处理相关技术进行理论和实验研究，得到一些有益的结论和成果，主要的创新点和研究成果如下:
　　(1)理论研究了脉冲在高非线性光纤(Highly Non-linear Fiber, HNLF)正常色散区超连续谱演化过程中的光谱收缩现象。在正常色散区，脉冲光谱存在能量由两侧波长向内侧转移的机制，这种机制主要由四波混频(Four Wave Mixing，FWM)过程中的能量回传和群速度色散(Group Velocity Dispersion，GVD)导致的走离效应共同作用引起，出现在光波分裂(Optical Wave Breaking，OWB)现象发生之后，其发生的传输距离与脉冲峰值功率和光纤色散成反比。另外受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering，SRS)和交叉相位调制(Cross-Phase Modulation，XPM)效应对光谱收缩现象具有不同影响，表现为:当脉冲内同一时刻重叠的频率分量间隔达到拉曼增益范围时，在SRS的作用下短波长分量会将能量转移给长波长分量，导致短波长分量收缩速度快于长波长分量;XPM在脉冲前后沿表现为不同特性，分别体现为红移和蓝移，这会导致两侧光谱收缩不同步。
　　(2)理论研究了HNLF正常色散区脉冲前后沿尾部非频移部分演化过程。SRS加速了前沿非频移部分的能量减弱过程，减缓了后沿非频移分量能量减弱过程，三阶色散和自陡峭效应虽然可以导致光谱不对称展宽，但对于尾部非频移分量影响较小;XPM对非频移部分影响表现为脉冲不同频率分量在前后沿重合时，能量较强的部分对能量较弱的非频移部分进行相位调制，最先在靠近脉冲中心的位置发生，前沿的非频移部分出现红移，而后沿部分出现蓝移，传输过程中非频移部分一直受到XPM作用，红移部分持续红移，蓝移部分持续蓝移，波长逐渐靠近前后沿频移部分。
　　(3)分别基于XPM和自相位调制(Self-Phase Modulation，SPM)效应提出了双向使用高非线性光纤结构的全光分插复用和波长转换方案，并进行了实验验证，相比于已有的方案，文中提出方案在仅使用一段HNLF的条件下实现了同时对两路OTDM信号分别进行处理，减少了使用器件数量，简化了系统结构，进行了2*80Gbit/sOTDM信号分插复用实验以及50Gbit/s和20Gbit/s信号同时波长转换实验，实验结果表明提出的结构都实现了信号无误码接收，具有良好的信号处理能力。
　　(4)分别基于铌酸锂调制器的偏振特性和行波特性提出了两种宽度可调谐脉冲生成方案，并进行了理论分析和实验验证。相比于现有方案，提出的方案在仅采用一个单驱动强度调制器情况下实现了脉冲占空比21％-50％范围内连续可调，简化了系统结构。利用提出的宽度可调谐脉冲生成结构分别进行了40Gb/sOTDM信号解复用和80Gb/sOTDM信号100km传输解复用实验，都实现了实现了无误码接收，实验表明提出的结构具备对高速光信号处理的能力。
　　(5)提出了一种基于多模光纤中模式色散的全光相关器。理论和实验研究证明短脉冲光以不同角度从不同位置注入到多模光纤中可以激励起离散的模式群，这些模式群因模式色散在光纤输出端会形成特有的脉冲响应，依此可以建立空间到时间的一一对应关系。搭建了基于模式色散的全光相关器实验结构，完成了对8-bit码元的全光检测实验。另外当相关器脉冲响应为矩形时，提出的结构可以用于实现全光积分，并进行了实验验证。