宽带、高速、高精度模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)在超宽带无线通信、生物医学成像、高速实时示波器、宽带信号采集、超宽带雷达、电子侦察等民用和国防领域有着极其重要的应用。光学时间拉伸模数转换器(Time-Stretch ADC,TS-ADC)利用光学时间拉伸技术对信号进行降频和带宽压缩预处理,有效地提升了后端电子ADC的采样速率和模拟带宽,并且降低了采样时间抖动对模数转换精度的影响,是实现宽带信号高速高精度数字化极具潜力的技术方案之一。然而,由于时间拉伸过程中脉冲包络以及电光调制引入的信号失真,TS-ADC的模数转换精度通常较低,并且由于色散功率代价的影响,其时间带宽积有限,模拟带宽受到限制。因此,研究宽带、高速、高精度的TS-ADC具有重要的科学意义和应用价值。本论文针对TS-ADC中存在的关键技术问题开展了理论和实验研究,主要研究内容如下:(1)针对光学时间拉伸模数转换器中电光调制引入的信号非线性失真问题,提出了一种基于非对称双平行马赫-增德尔(Mach-Zehnder,MZ)电光调制器的宽带线性化光学时间拉伸模数转换技术方案。通过建立物理模型对其进行了理论分析,并对系统结构参数进行了优化设计。分别在单音和双音输入信号情况下,通过系统数值仿真验证了该技术方案对谐波失真的抑制性能,并与现有的线性化技术方案进行了对比。此外,还分析了实际应用中系统参数误差对宽带线性化效果的影响。研究结果表明:所提出的宽带线性化技术方案在最佳参数设置时,可以同时实现偶次谐波和三阶交调失真的有效抑制,无杂散动态范围相对于现有的基于双输出MZ电光调制器互补输出特性和数字域线性化技术方案提高了19d B,并且该宽带线性化技术方案具有较强的系统参数误差容忍度。(2)为了提高时间带宽积,并同时解决脉冲包络和电光调制非线性响应引入的信号失真问题,提出了一种基于互补单边带调制的光学时间拉伸模数转换技术方案。通过建立物理模型对其进行了理论分析,并针对色散相位代价导致的宽带信号时域失真问题,提出了一种相位补偿算法。分别在单音和宽带输入信号情况下,通过系统数值仿真研究了该技术方案在消除色散功率代价、抑制电光调制非线性失真、去除脉冲包络以及补偿色散相位代价等方面的性能,并与现有的单输出单边带调制技术方案以及互补双边带调制结合数字域线性化处理技术方案进行了对比。此外,还分析了实际应用中系统参数误差对系统模拟带宽以及信号失真抑制效果的影响。研究表明:该技术方案可在获得大时间带宽积的同时解决信号的失真问题,可用于实现宽带微波信号的高速、高精度光学时间拉伸模数转换。(3)对基于耗散孤子的光学时间拉伸模数转换进行了研究。建立了耗散孤子被动锁模光纤激光器的理论模型,通过仿真优化设计了具有平坦宽光谱输出的耗散孤子被动锁模掺铒光纤激光器。基于所设计的耗散孤子光源,通过数值仿真研究了其平坦光谱特性在减小载波包络导致的模数转换精度劣化方面的效能,并与基于传统孤子的光学时间拉伸模数转换进行了对比。此外,搭建了耗散孤子被动锁模掺铒光纤激光器,并对基于耗散孤子的光学时间拉伸模数转换进行了实验研究。研究结果表明:平坦光谱特性可减小载波包络对模数转换精度的影响,宽谱特性可提高系统的时间带宽积,高功率谱密度特性有利于提高系统的信噪比,陡峭的光谱边沿可避免拉伸后信号的时域交叠。(4)对连续信号光学时间拉伸模数转换器进行了研究。基于波分复用/解复用技术设计了一套五通道连续信号光学时间拉伸模数转换器。利用两个五通道波分复用器结合光纤延迟线获得了时域连续的线性啁啾光载波,实现了连续信号的光学时间拉伸。预处理后的信号通过波分解复用和延迟补偿,并利用五个采样速率为3GS/s、量化位数为8bits的电子ADC完成数字化,最终在数字域进行数据重组获得模数转换结果。对所设计的连续信号光学时间拉伸模数转换器进行了系统参数设计和数值仿真,并研制出了原理样机,实现了5GHz连续微波信号3.84倍的光学时间拉伸,有效采样速率达11.52GS/s。