随着互联网业务的快速增加和网络数据流量的急剧增长,作为主要数据承载的光通信系统也不断地向更高的传输速率发展,光通信网络也变得日趋复杂。传输速率的提高对光网络节点的信号处理能力提出了更高的要求,但是,由于当前光信号处理技术的不完善,在网络节点有些信号的处理仍然需要将光信号转化为电信号,在电域处理完成后再将电信号转化为光信号,这种光-电-光的转化降低了处理效率,更为严重的是,随着电子技术接近于其物理极限,未来必将限制节点的处理能力,给光通信系统带来的性能上的损失,严重制约了光通信的发展,因此对光信号处理器件技术的研究仍然是光通信领域的热点话题之一。此外光信号处理可以实现并行操作,对电磁干扰和电气短路不敏感,所以在光计算、光学仪器、光网络等领域中应用也十分广泛。类似电数字信号处理技术,光逻辑门是光信号处理技术的基本组成单元,是实现很多应用的基础,如光布尔异或门是判决和比较电路中的核心器件,可以实现基于数据比较来进行地址识别以及后续的分组转换,标签交换,比特序列奇偶校验,分组同步和地址比较,数据加密和解密,二进制加法,伪随机二进制序列生成和模式识别等等,因此光逻辑门的研究对于提升光信号处理技术、促进全光网络的发展具有重大意义。本论文主要围绕光逻辑门的实现和应用展开研究,提出了基于调制器的光逻辑运算转化方案;提出了三输入光逻辑门设计方案、基于MZM的光路选择器和光信号串/并转化器的设计方案;并且将基于I/Q调制器的光逻辑门设计方案应用到保密通信系统中去,根据实际需求,提出基于光逻辑门的保密通信系统方案设计。具体研究内容如下:(1)深入研究了基于I/Q调制器的光逻辑门实现方案,在此基础上对其参数进行优化,提出了基于I/Q调制器的光逻辑门的逻辑运算转化方案,提出了三输入的光逻辑门的设计方案,并且通过仿真进行了分析验证。(2)提出了基于MZM的光路选择器和光信号串/并转换器设计方案,并且通过系统仿真软件进行了分析验证。(3)将基于I/Q调制器的光逻辑门应用到保密通信系统中,设计了基于光逻辑门的物理层加密方案,并且进行了系统优化,实验实现了 10 Gb/s信号的加密及50km传输。