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互联网业务的飞速发展，对光通信网络的带宽需求越来越大，推动光通信网络向具有超高速光传输和大容量光交换能力的全光网络方向发展。其中，骨干网中网络节点的全光透明对具备全光信号处理的光子器件提出了更高的要求，研究具有超高速、低功耗、集成化的全光信号处理集成芯片成为关键。半导体光放大器（SOA）具有非线性大、体积小、功耗低、易于集成等优点被认为是全光信号处理中非常有前景的非线性光学器件，因而成为国内外研究的热点。但是SOA存在载流子恢复速度慢，难以实现超高工作速率的缺点。针对超高速全光信号处理对SOA工作速率的要求，本文对SOA的增益、相位动态中的超快动态特性及相关的一些基本物理问题进行了深入研究，主要的研究成果和贡献有以下几个方面：1.全面介绍和分析了与SOA超快动态特性相关的载流子速率方程及光波动方程。根据研究SOA超快动态特性和超高速光信号处理的要求，建立了一个包含带内、带间物理效应以及增益色散和群速色散等物理过程的SOA数值模型。2.研究了SOA超快带内非线性效应对SOA增益和相位的贡献，数值论证了SOA相位恢复中存在超快的恢复过程。深入分析了SOA相位恢复特性与脉冲宽度的关系，发现在超短光脉冲入射条件下，SOA中会存在较强的载流子加热效应，使得SOA的相位动态中出现超快的恢复过程；在分析带内、带间非线性效应与泵浦脉冲在时间上对应关系的基础上，解释了相位和增益之间存在时间延迟的原因，并进一步分析了时延与泵浦脉冲宽度及泵浦脉冲峰值功率的变化关系；分析了载流子寿命与工作条件的关系，研究了直流光功率、SOA的工作电流和SOA有源区的长度对SOA增益恢复速度的影响，为优化SOA参数以提高其工作速率提供了依据。3.采用泵浦-探测（pump-probe）的实验方案，实验验证了SOA相位中存在超快的恢复过程。结果显示在宽度为2ps的泵浦光脉冲输入下，超快相位恢复过程的持续时间约为2ps，对于相位恢复的贡献约为20%（0.15弧度）。基于测量的SOA增益变化和相位变化，分析了SOA线宽增强因子的时分变化特性；结果显示在短脉冲入射下，由于SOA中的超快非线性效应具有不同的增益和相位响应，导致SOA的线宽增强因子表现出较为强烈的变化，其中与载流子密度相关的线宽增强因子最小值约为4.5，并随着载流子密度的恢复而逐渐增大。4.深入研究了不同工作条件下SOA的啁啾变化特性，发现泵浦光产生的增益饱和的增加会导致SOA载流子恢复速度的增大从而引起SOA蓝移啁啾的增大。深入分析了码型效应引起的SOA啁啾变化特性并解释了相关的物理原因，在此基础上系统地论述了失谐滤波技术消除码型效应的原理。论证了采用失谐滤波技术能够实现640Gbit/s的全光波长转换。5.研究了对向传输模式下SOA的超快动态特性。发现在对向传输模式下SOA增益和相位动态中具有相对较小的超快恢复过程，同时具有大的增益饱和时间，导致SOA很难具有高的工作速率；提出通过减小SOA的长度来增加SOA增益和相位的超快恢复过程以实现对向传输模式下的超高速光信号处理的解决方案。6.研究了将蓝移失谐滤波技术引入对向传输模式中来提高SOA工作速率的方案，实验论证了对向传输模式下蓝移滤波技术有效性，实现了无误码的同波长和不同波长的40Gbit/s的高速全光波长转换。