实时宽带数字化是许多系统与应用领域的关键组成部分,例如先进的实验室仪器、生物医学成像、工业应用及军事系统等,因此对高分辨率、高带宽ADC的研究非常重要。随着光子学技术的发展,利用光子学大带宽、低损耗、抗电磁干扰等优势,光子模数转换成为突破电子瓶颈最有前景的技术。光子时间拉伸技术,通过改变脉冲光时域尺度可以对调制在光上的射频微波信号频率进行调整,是光辅助模数转换最典型的预处理技术,受到了广泛的关注。与传统微波光子链路相似,光子时间拉伸系统中同样存在着非线性问题影响着系统性能的提升。与传统的小信号近似模型不同,本文建立了更具普遍适用性的光子时间拉伸系统理论模型,并在此模型的基础上系统地分析了系统电光转换、光电转换以及色散介质传输过程中的非线性效应,同时针对性地提出了相应的优化解决方案,研究方式均结合了理论建模与实验验证两方面。论文的主要工作内容如下:1.分别对采用双边带推挽调制方式、单臂调制方式以及单边带调制方式的光子时间拉伸系统进行了严格精确的理论建模,给出了单音检测与双音检测时,由于调制非线性引起的谐波失真与交调失真分量表达式。基于这个理论模型,使光子时间拉伸系统的设计更为简单、全面,方便估算系统的各项性能指标,包括频率响应(色散引起的功率衰落特性)、3dB带宽、1dB压缩点、系统增益、系统噪声分析和噪声系数、三阶截点以及无杂散动态范围等。2.针对调制非线性问题,提出了一种基于调制器级联的光子时间拉伸系统新型宽带线性化调制方案,通过理论分析对参数进行优化,仿真实验证明了该方案在大调制系数条件下依然具有很高的线性度,提高了系统的无杂散动态范围。第一次讨论了调制器消光比有限的情况下光子时间拉伸系统的精确模型,进而分析了对系统3dB带宽的影响,然后提出了偏置角度预失真的改善方法消除有限消光比对系统带来的影响。3.针对色散引入的非线性问题,首先,提出了一种基于相位调制与强度调制相结合的信号调制技术,补偿由光纤线性色散引起的光子时间拉伸系统中的功率周期性衰落问题,通过理论分析与建模仿真验证了方案的可行性,实现宽带平坦的频率响应,提高特定频率段的信噪比。4.研究了光纤非线性色散给系统带来的问题,建立了与时间相关的信号幅度衰减模型,理论分析并不局限于小信号近似的情况,另外,为了使三阶色散的影响更加直观,提出了一种衡量幅度随时间衰减程度大小的比例因子;得出了与时间相关的频率传递函数,并在数字域上设计了频率啁啾的修正方案,实验结果证明了这种方法不仅可以修正单音信号,对于宽带传输信号同样适用。5.讨论了大注入功率情况下,光纤中的非线性光学效应以及光电探测器的非线性响应对光子时间拉伸系统的影响,在保证系统信噪比满足设计需求的条件下,合理地选择光放大方法使光功率低于非线性阈值且高于热噪声阈值,同时改进光电探测方式,降低谐波失真大小。