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信息产业的不断发展，对扩展光通信网络容量的需求逐渐增强。同时，传输系统对40Gbit/s及以上传输速率的要求不断提高，而且信号需要进行长距离传输，途经很多个转换节点。如此高速的传输系统，对于由色散、非线性效应、放大器的噪声所导致的信号恶化有更为严格的要求，光信号在传递过程中的恶化成为必需解决的问题。所以，高速的3R(Reamplification、Reshaping、Retiming)再生系统将成为光传输网络中一个必不可少的元素。理论上讲，非线性光纤和波导可以同时对多波长信号进行并行处理。本论文针对全光3R再生系统中需要解决的关键问题进行了理论和实验研究，主要展开了以下工作：在对光的四波混频理论模进行分析的基础上，对光纤中四波混频效应在闲频光波长处的增益和输入输出特性进行了分析，理论仿真了光纤四波混频效应的非线性增益特性。并在进行了高非线性光纤的输入输出特性曲线测试，验证了其应用于全光判决的可能性。研究了一种利用DSF中四波混频效应的多路再生方案，并且进行了系统实验研究。与已有利用四波混频效应进行再生的方案相比，利用恶化信号抽运作为光判决门的开关，可同时对信号“0”码和“1”码上的噪声进行抑制，解决时钟抽运方案再生不均匀的问题。利用双向注入，双路信号偏振正交以及时序上延时半个码元周期的方式解决由于非线性光纤中存在的交叉相位调制（XPM）和交叉增益调制（XGM）等非线性效应导致的信道间串扰问题。最终实验完成了对波长为1547.72nm、1550.92nm、1557.36nm、1560.61nm的4路40Gb/s恶化信号的再生实验，并进行了系统的误码率测试。多波长再生信号的接收机灵敏度改善量最大为5.6dB。