摘要：全光通信网传输速率的不断提高对网络节点提出了更高的要求。因此,能够支持网络节点实现具有透明性、可扩展性和可重构性功能的光器件与相关技术受到了研究者的广泛关注。集成半导体环腔激光器具有可集成、低功耗等优点和独特的非线性特性,是实现全光网节点关键功能的新型光器件。目前在国内外,SRLs在全光网络中的应用研究都还处于起步阶段,许多新特性及其应用的研究亟待拓展。本论文结合欧盟框架计划下信息科学领域方向的IOLOS项目(FP6-2005-IST-5) "Integrated Optical Logic and Memory using Ultra-fast Micro-ring Bistable Semiconductor Lasers",以及国家863项目“160Gb／s一泵多纤光传输技术的研究”和“全光波长交换关键技术”,对应用于全光网络的集成半导体环腔激光器(SRLs)、光时分复用(OTDM)时钟提取与解复用器、以及支持光层组播的光交叉连接(OXC)设备等关键光器件进行了深入研究,获得了以下创新性成果：1.深入分析了SRLs中独特的注入锁定下的腔内增强型四波混频(CE-FWM)特性。提出了改进型注入锁定实验配置方式,使SRLs能够在10nm的波长范围中实现20个谐振波长的任意锁定,大大提高了注入锁定的稳定性和灵活性。系统给出了多阶共轭光功率与注入信号光的功率、与锁定主模之间的波长间隔、与谐振腔之间的波长失谐量之间的关系。并在此基础上,首次探讨了四波混频(FWM)效率在SRLs中高于半导体光放大器(SOA)及法布里-珀罗(FP)激光器的深层物理原因,有效解释了SRLs中CE-FWM特有的多阶共轭光产生的原因。2.首次建立了适用于分析集成半导体环腔激光器注入锁定下CE-FWM特性的多模速率方程理论模型,并验证了理论模型的有效性。该模型突破了传统双模速率方程模型的限制,将能拓展用于分析集成半导体环腔激光器中外注入下的各种多模耦合现象。基于该模型,分析了多阶共轭光的幅度与相位关系,提出了利用偶数阶共轭光的相位信息“擦除”特性,可以实现相位调制码型(CSRZ、DPSK和MD-RZ)到非相位码型(RZ)转换的方案。3.首次提出利用集成半导体环腔激光器中的注入锁定与CE-FWM特性实现新型的光层组播方案,并成功实现了2.5Gb／s一到多的波长转换与数据分发。该光层组播方案具有消光比高,性能稳定,波长和组播数量可配置的优点；且在一到七信道的组播中,仅需两个激光源,避免了传统方法中1：N组播需要N个泵浦源引起的成本过高问题。在此基础上,分别实现了基于SRLs的注入锁定和CE-FWM的2.5Gb／s光信号的“与”和“异或”逻辑门,以及4Gb／s光生毫米波方案。这些全新的应用成果拓展了集成SRLs在全光网中的应用。4.提出了一种基于级联电吸收调制器的光电反馈环,实现了OTDM时钟提取与解复用。该结构能够在OTDM信号单次通过的情况下同时完成时钟提取与解复用,且性能稳定,时钟抖动均方根(RMS)在反馈锁定工作下由2.4ps降至338fs。实现了80Gb/s、160Gb/s速率下100km的传输及传输后无误码的时钟提取与解复用,功率代价在1×10-9时分别为1.5dB与3dB。实验和理论研究了光学非对称解复用器(TOAD)在80Gb/s OTDM实验系统中的解复用性能,探讨了TOAD制作的关键参数,并解释了实验中观察到的幅度抖动、串扰及基底噪声等现象的成因。5.在“新型分布式波分纤分光路交换网”的基本构思与网络架构下,提出了利用改进型DaC (Drop and Continue)元件在新型光路交换网中实现光层组播的方案。改进型DaC中均匀光栅由啁啾光纤光栅取代,可同时实现波长选择和色散补偿功能；通过与网络中的信令系统和网管系统结合,实现了具有鲁棒性、无阻塞性、资源可配置性和区分单播／组播带来的功率有效性等优点的组播功能。实验完成了视频信号和10Gb／s数据信号的组播。