模数转换器(Analog-to-digital Converter, ADC)是信号处理领域重要的组成部分。它将现实世界的模拟信号转换为便于存储与运算的数字信号,为探索客观世界提供了一种手段。电模数转换的发展已有很长的时间,虽然近年来电ADC产品的性能也在不断地提高,但仍然无法满足超宽带系统的要求;并且由于受到“电子瓶颈”的制约,电采样时钟的抖动水平被限制在100fs左右,因此电ADC性能的进一步提升面临很大挑战。与电子学相比,光子学技术具有超宽带、高速、高稳定性等特点,为提高模数转换器速度与精度提供了有效的手段。近年来,基于光子学的模数转换器研究工作已得到国内外的广泛关注,研究成果越来越多,不同的光学模数转换系统先后被提出,采样速度与量化精度都在不断被提高。高精度光ADC是目前光ADC的重要发展方向,它既利用光子学超宽带、高稳定的特点,又结合了电子学成熟的技术,可将模数转换器的速度与精度进一步提高。本文主要研究光模数转换系统中的高精度光采样技术。从理论角度对高精度光模数转换系统中的电光调制方案进行论证。分析了相位编码光模数转换系统的基本原理,以及相位编码系统中双端口输出推拉结构调制器的内部结构、基本原理与信号处理方法。分析了系统中存在的线性度问题以及其与调制器的消光比、调制器内部结构不对称性、偏振态和偏置电压的关系,提出了利用两个端口的消光比来进行线性度校正的方法,并实验验证了上述分析的正确性。本文还研究了时钟强度噪声对相位编码模数转换系统的影响及其校正方法。理论分析了该结构对光源及系统中强度噪声的消除原理,并在此基础上搭建实验系统,进行光采样时钟强度噪声的消除实验。用幅度不均匀的4.66Gs/s光脉冲源采样376MHz的微波信号,单个端口输出的精度最高为3.02bits,通过双端口信号恢复,消除幅度上的不均匀性后,实现了4.45bits的精度,较好地消除了强度噪声干扰。论文同时分析了系统中限制有效比特位提高的其他因素。最后,本文在课题组以往工作的基础上,详细论述了超短光脉冲锁模的基本原理,仿真了锁模过程,产生了在时域和频域上与实际器件一致的飞秒脉冲序列,详细分析了影响脉冲序列时间抖动、幅度抖动以及脉宽的因素,并生成了参数可配置的飞秒光脉冲序列发生器仿真软件。