随着信息技术的飞速发展,人们获得的信息量成指数级增长,这也对信息在传输的过程中的速率和带宽产生比较高的要求。模数转换器作为通信网络中的基本组件,传统电子模数转换器的性能受限于保持电路带宽、比较器驰豫和时钟抖动等因素,其性能难以满足高速数字信号处理的发展。全光模数转换器将抽样、量化、编码三个步骤通过光子技术来实现,以解决传统电子模数转换器的“电子瓶颈”,满足数字信号处理的高速率和高带宽的需求。本文所做的主要工作和成果如下:首先,叙述了全光抽样和全光量化的多种实现方式和其发展历程,并对各种方案的优劣进行了总结分析,同时还介绍了全光逻辑门的实现方式和应用。其次,本文从Maxwell电磁理论出发,推导了光脉冲的时域形式的传输方程。并以此为基础分析了耦合器的原理,推导了耦合器的耦合模方程。进而利用耦合器的传输矩阵分别对Sagnac环和M-Z干涉仪中光的传输方程进行了推导,得到了其透射率,并分析了其实现光开关的条件。然后,基于光脉冲传输理论,运用了二阶色散对脉冲的展宽特性对待抽样信号进行预处理来降低对采样脉冲重复频率的要求。研究中,采用具有高色散系数的线性啁啾布拉格光纤光栅来替代常用的色散器件来降低系统的传输损耗,简化整个抽样系统。在第二章中的分析中得知对称的M-Z干涉仪并不能实现光开关,因此本文利用非线性光学的交叉相位调制效应效应改变介质的折射率,从而使在M-Z干涉仪两臂上传输的信号之间产生了相位差,当相位差达到?时,满足实现光开关的必要条件,也就是完成了输入信号在M-Z干涉仪的两个输出端口的切换输出。进一步研究了基于交叉相位调制效应的M-Z干涉仪的开关特性,并分析了耦合器系数、抽样脉冲峰值功率、干涉仪臂长对开关性能的影响。接着提出了一种基于M-Z干涉仪的全光采样系统,实现了在干涉仪两臂相等时的全光抽样,并分析了臂长不等时对抽样性能的影响,得出了基于交叉相位调制的M-Z干涉仪进行抽样时干涉仪两臂长度必须一致的结论,否则,已抽样信号会有严重的失真。最后本文还发现,基于交叉相位调制效应实现的全光抽样方案,还具有全光波长转换的功能。基于波长转换的特性,本文接着提出了一种基于M-Z干涉仪的全光逻辑门方案,通过改变系统参数和调整系统结构,总共实现了四种不同的逻辑操作。最后,本文还提出了一种基于Sagnac光纤环和光限制器的全光量化编码器方案,通过优化Sagnac环系统的各个参数得到了系统各级的透射率曲线,再通过选取合适的量化阈值,实现了对已抽样信号的4 bit量化编码。