光学模数转换技术是数字信号处理系统实现高速模拟信号数字化和突破电子瓶颈最有前景的技术。尽管全世界对光学模数转换器已经进行了三十多年的研究,提出了多种方法,但无论是各个单元部分,还是整体方案均未取得突破性进展,还没有较为完善的实现超高速采样、高精度量化的整体方案,它依然是一个具有挑战性的难题。因此,本论文以微波信号光学模数转换方法为研究对象。在介绍国内外研究动态的基础上,从相位采样、偏振采样和波长采样的角度,研究和建立一种新的高速信号模数转换方法。首先,从光学模数转换器的基本概念出发,得到了各种噪声与采样速率和量化精度的函数关系。以量化噪声作为判决标准,在其他光学器件性能理想的条件下,深入研究了模拟光学系统CNR和采样光脉冲的强度噪声、平均功率、定时抖动、脉冲宽度对有效位数的影响。研究发现,光学系统CNR和光脉冲强度噪声、平均功率只影响模数转换的量化精度;而定时抖动、脉冲宽度不仅影响模数转换的量化精度,而且限制了采样速率的提高。现有锁模激光技术将光学模数转换器的性能限制在10GS/s、10bits左右。其次,研究了Taylor相位编码光采样方法的基本原理,得到了渡越时间限制采样速率和量化精度的理论关系式。利用该关系式,估算出Taylor方法将相位编码光采样模数转换的性能限制在1GS/s@4 bits左右。针Taylor方法的局限性,提出了电压电极综合加倍的改进方法,使相同采样速率下的量化精度比Taylor方法提高约2 bits。通过调整M-Z直流偏置电压,克服了现有LiNbO3 M-Z调制器的半波电压过高的缺点,进行了2 bits相位编码模数转换的实验,得到了2GS/s、2 bits的实验结果。第三,利用SOA的非线性偏振旋转效应,建立起一种新型的高速偏振采样的方法。通过求解SOA中两个偏振方向的载流子速率方程,建立了偏振采样的理论模型,用于描述信号光功率与采样脉冲光的偏振角间的关系。利用偏振采样的理论模型,通过优化输入偏振角及SOA注入电流值,得到了偏振采样的最佳传输特性曲线,并数字仿真了高速偏振采样的过程。理论分析表明,利用SOA的偏振旋转效应可以实现上百GS/s速率的偏振采样和低精度量化。第四,利用光波长在传输过程中几乎不受噪声及干扰影响的特点,提出并建立了一种新型的波长采样与量化的光学模数转换方法。该模数转换方法以电光调谐的窄带光滤波器为波长采样器,以AWG作为波长量化器,实现了波长采样与量化功能。以量化噪声为标准,理论分析了波长采样与量化方法的性能,得到了以下结果:1)波长采样与量化方法的采样速率取决于光脉冲重频,而量化精度受到采样光脉冲定时抖动和脉冲宽度的限制;2)光波长采样与量化方法的性能不受光源强度噪声及系统CNR的影响;3)现有高重频锁模激光技术将波长采样与量化ADC的性能限制在10GS/s、10 bits左右;4)由于实际器件的性能非理想,波长采样与量化ADC的量化精度主要受到调谐范围的限制。波长采样与量化ADC的核心器件是高速调谐光滤波器,其调谐速度决定了波长采样的速率,调谐范围和带宽决定了波长量化的精度。因此,本论文提出并设计了电光调谐的对称双波导LPWG可调谐滤波器。从模耦合理论出发,推导并建立了对称双波导LPWG耦合结构的耦合方程,通过拉普拉斯反演变换求解,得到了输出光功率函数和耦合系数的计算公式。利用长周期波导光栅相位匹配条件,研究了对称双波导LPWG耦合结构实现滤波的原理。本论文采用电光有机聚合物作为波导材料,设计了电光调谐的对称双波导LPWG可调谐滤波器。与传统的光滤波器相比,该滤波器具有ns量级的调谐速度、大调谐范围、窄带宽三个特点,能同时输出互补的带通和带阻滤波结果。建立了电光调谐对称双波导LPWG可调谐滤波器的理论模型,深入研究了LPWG光栅周期、光栅长度、光栅刻蚀深度及耦合系数对滤出波长、3dB带宽及耦合效率的影响。提出利用弱耦合压缩3dB带宽的方法。数字仿真结果表明,对称双波导LPWG可调谐滤波器能在30nm范围,实现带宽0.8nm的高速、线性、连续波长调谐。为了准确计算对称双波导耦合结构的耦合系数,本论文将A. B. Fallahkhair的矢量有限差分模解算器用于分析和计算包层复合波导的包层模场,解决了现有光波导分析软件无法求解复杂波导模场的难题。