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光网络中光信号的传输速率以及处理速率越来越高，对光电子器件提出了更高的要求。光电子器件朝着多功能、低功耗和集成化的方向发展。半导体光放大器(SOA)由于其功耗低、非线性效应丰富以及易于集成等优点，在全光信号处理中有着广泛的用途。但是在不同的应用场合，需要SOA具备不同的性能，这就需要通过优化SOA的材料和结构来适应于各种不同的应用场合。本论文针对SOA在不同功能中的应用需求，基于能带工程对量子阱（QW）SOA有源区中的阱材料、阱宽、量子阱数目等参数进行系统地优化，并结合具体的应用进行了理论和实验研究。本论文取得的研究成果主要有：(1)建立了一套完善的理论分析模型体系，从能带理论出发计算出能带结构(波函数以及对应的能量特征值)，为分析光与物质的相互作用提供了理论基础。在数值模型中，我们将材料稳态模型和动态速率模型结合起来，能更加精确的求解QW-SOA的各种非线性效应。(2)通过数值分析，我们提出了一种优化的QW-SOA结构，可以提高带内载流子弛豫速率。这种量子阱结构的主要特征是在导带中的第1子带和第2子带的带隙差为一个纵向光学声子的能量(36meV)。电子与声子的能量交换速率大大增强，从而使得电子在导带中的能量弛豫速率显著增强。(3)基于数值分析，我们提出了一种非对称QW-SOA结构，可以显著地提高增益恢复速率。在有源区中由一个深阱和一个浅阱构成一个小单元，并且两个阱之间的势垒比较薄，两阱之间具有比较高的电子隧穿效率。通过结构的优化设计，小单元中的深阱是‘有源区’，而浅阱是一个比较完美的‘载流子库’，能够对深阱中的载流子进行快速补充，这样可以加速载流子的恢复。(4)我们基于能带理论分析了QW-SOA中的交叉相位调制效应(XPM)，交叉增益调制效应(XGM)以及三阶非线性极化率。首先分析了载流子温度和载流子浓度对有源区折射率的影响进而对光信号相位的影响。分析了不同的工作条件下，相位和幅度的变化关系。我们还理论分析了QW-SOA中的两种α因子(αN和αT)。探讨了材料结构，有源区设计以及操作条件对这两种α的影响。同时，还分析了QW-SOA中的三阶非线性极化率。提出一种非对称QW-SOA结构能够显著增强材料三阶非线性极化率。(5)尽管QW-SOA的增益和相位都有比较强的波长相关性，但是我们理论证明了QW-SOA级联光学滤波器的方案可以用于较大波长范围内的同相和反相波长转换。在模拟实验方案中，波长转换器主要是由一个普通的QW-SOA级联一个高斯型光学滤波器(BPF)构成的。我们发现在比较大的波长调节范围内均能得到较好质量的同相和反相波长转换结果。尽管普通的QW-SOA具有比较强的波长相关性，但是BPF可以减轻甚至擦除这种波长相关性。(6)基于理论模型，我们提出一种新型的QW-SOA，由于这种新型的QW-SOA有比较小的线宽增强因子，可以进行归零-差分相移键控(RZ-DPSK)信号的幅度再生。这种QW-SOA最大的特点就是微分增益较大且线宽增强因子比较小。利用这种类型的QW-SOA， RZ-DPSK信号的功率抖动得到了均衡而由QW-SOA有源区所引起的相位抖动比较小。另外一方面，这种QW-SOA还可以通过时隙间插的方法用于双通道和四通道的RZ-DPSK信号的再生。因此可以实现多路信号同时处理。(7)进行了高速波长转换和信号再生的实验研究。通过优化工作条件，我们基于单个普通QW-SOA实现了RZ-DPSK信号的再生。同时我们还进行了双通道RZ-DPSK信号的再生方案实验验证。通过时隙间插的方法对两路有功率抖动的信号同时进行再生。另外，我们也实验验证了基于单个QW-SOA级联光学滤波器实现全光波长转换和多通道广播式波长转换的方案。在这些实验方案中，输出结果均具有比较大的消光比和眼睛张开度。