随着光交换集成芯片技术的发展,全光再生集成芯片也开始受到人们的关注。本文主要研究三阶参量过程中光放大、光整形功能的硅基芯片实现,以及多电平全光再生技术。主要内容及创新如下：1.研究了硅基波导中导波光的非线性传输特性,提出用开关增益来表征硅基波导的参量放大性能,分析了双光子吸收和自由载流子吸收对开关增益的影响。计算表明,通过优化硅基波导横截面尺寸及其长度,可有效提升参量放大的开关增益;利用双光子吸收效应,还可以实现接近阶跃型的功率转移曲线,其整形和限幅效果可通过改变硅基波导的长度以及减小自由载流子吸收加以优化。2.设计加工了三种尺寸的硅基2R全光再生(再放大,再整形)芯片,其长度分别为1cm、2cm、3cm,横截面尺寸均为606nm×220nm。实验测量结果表明,硅基波导的线性损耗为2.2dB/cm,单端口光栅耦合损耗为6dB,同时也观察到了明显的双子吸收以及自由载流子吸收现象。采用数据泵浦方案,测量了3cm再生芯片在不同波长间隔下的功率转移函数,其功率转移函数斜率在1.8附近,并实现了12.5Gbit/s NRZ(non-return-to-zero)信号的再生,得到了消光比高达3.9dB的提升。3.提出一种多电平全光再生器的通用设计方法,并采用归一化功率转移函数来分析全光整形器噪声抑制比性能,给出了马赫曾德尔干涉(Mach-Zehnder interferometer, MZI)结构实现一级近似多电平幅度再生的振幅和相位条件。作为一个设计实例,描述了由自相位调制非线性光纤和光移相器构成的MZI全光再生器设计过程。研究表明,多电平全光再生的性能可由参考功率点来度量,它对应着输入再生电平的上限,再生功率电平数会随着参考功率点的增加而增加。对于高斯噪声劣化的4PAM光信号而言,其归一化幅度抖动为0.02,使用该MZI全光再生器,可以获得约6.5dB的噪声抑制性能,比一阶再生器提高约5dB。