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模数转换器(Analog-to-digital converter, ADC)是超宽带数字系统非常关键的前端接口器件,海量信息时代对现有电子ADC技术提出了严峻的挑战,全光ADC利用光子技术对模拟信号进行数字化处理,可从根本上解决微电子技术固有的电子瓶颈问题,从而获得电子ADC所无法实现的数字化性能。就目前全光ADC领域的研究成果来看,依然存在高速采样率复用、大模拟带宽和高量化分辨率的兼顾、集成化、小型化和低功耗等尚待解决的关键问题。本文针对以上全光ADC领域存在的关键问题,围绕三阶非线性光学效应和电光调制技术实现可集成、高性能全光ADC的方法展开深入研究。主要研究内容和取得的创新性研究成果概括如下：1、研究了基于四波混频(Four-wave mixing, FWM)效应的全光采样机理,提出了啁啾广播参量同步光采样方案,在仅使用3个广播复制信号的情况下,利用10 GHz重复率的模式锁定激光器(Mode-locked lase diode, MLL D)脉冲源获得了120 GSa/s的采样率,实现了采样率的12倍复用。大大超过传统的广播参量同步采样方案中的采样率复用效率。这个方案的提出解决了MLLD脉冲重复率和脉冲时间抖动相互制约的难题,利用低脉冲重复率和低时间抖动的MLLD源即可实现上百GSa/s的高速采样率。2、研究了利用特种光纤中三阶非线性效应实现全光频率量化的方法,提出了利用光子晶体光纤(Photonic crystal fiber, PCF)中的高效孤子自频移(Solitonself-frequency shift, SSFS)效应实现全光频率量化的方案,设计出1550 nm处非线性系数达62.8W-1/km的PCF,通过仿真实现了高达318 nm的波长移动量,进一步利用100 m长的色散渐增光纤(Dispersion-increasing fiber, DIF)将SSFS后的输出频谱宽度压缩至约4 nm,实现了6-bit的量化分辨率。此方案较基于高非线性光纤(Highly nonlinear fiber, HNLF)的传统方案相比,无论在量化性能还是结构复杂度上都有较大提升。3、针对SSFS全光频率量化方案中的时延问题,提出了基于平坦负色散光纤(Flattened dispersion fiber, NDF)的集中式时延补偿方案,此方案可对所有量化信道进行统一的时延补偿,在高量化分辨率的情况下对结构复杂度的降低效果非常显著。然而受NDF群速度色散的影响,时延补偿过程中脉冲宽度被同时展宽,使得此方案所能支持的最大采样率限制在30 GSa/s。针对这一问题,进一步提出了基于线性啁啾光纤布拉格光栅(Linearly Chirped Fiber BraggGrating, LCFBG)的改进时延补偿方案,通过优化啁啾变量、调制深度、切趾技术等方法,仿真实现了时延补偿误差小于3.3 ps、可支持采样率达到151.52GSa/s的结果。4、研究了基于新型绝缘体上的硅(Silicon-on-insulator, SOI)波导中高效非线性效应的全光量化实现方法,提出了基于Si-nc/SiO2水平槽型SOI波导的2-bit全光频率量化方案,通过优化设计波导结构参数实现了1550 nm处仅为0.027心的超低有效模式面积,其相对应的非线性系数实部高达8708 W-1/m。利用0.8 mm长的波导,在峰值功率阈值仅为0.4 w的条件下,数值仿真实现了有效量化分辨率(Effective number of bit, ENOB)达1.98-bit的可集成全光量化器,极低的功率阈值使得此方案不受耦合损耗的影响,且可与其他硅基功能器件进行片上光互连,确保了此方案的实际应用价值。进一步提出了两种基于As2S3水平槽型SOI波导的全光频率量化方案,分别在5 cm波导长度、23 w峰值功率阈值和1.5 cm波导长度、900 mW峰值功率阈值条件下利用SSFS效应和超连续谱(Supercontinuum, SC)效应实现了2.72-bit和3.98-bit的ENOB。以上研究为低功耗、可集成全光ADC的实现提供研究基础。5、提出了基于7.88 μm长的介质加载表面等离子体激元波导(Dielectricloaded surface plasmon polariton waveguide, DLSPPW)实现超紧凑、损耗仅为0.065 dB/μm的布拉格反射器和光学微腔,数值模拟结果表明,在介质周期个数为15时,布拉格反射器的带宽达到375 nm,禁带透射率可保持小于1%的水平,同时光学微腔的品质因数达到了774。本方案中所实现的布拉格反射器和光学微腔的性能参数都可通过优化设计波导结构参数来实现可调谐,因此有望用此方案实现宽带时延补偿器和滤波器,并应用到全光ADC方案当中。6、提出了全光两级级联量化方案,实现了对量化分辨率的有效提升。方案第一级量化器由非对称马赫曾德调制器(Unbalanced Mach-Zehnder modulator, UMZM)构成,第二级量化器则是具有2-bit分辨率的GaAs/AlGaAs非对称定向耦合器,此非对称耦合器具有三级分光功能,分光比依次为1：1、1：1和2：10在采用8个量化信道情况下,实现了5.59-bit的量化分辨率,分辨率提升达1.59-bit,仿真得到信噪比(Signal-to-noise ratio, SNR)和ENOB分别为33.58 dB和5.28-bit。进一步对实际中存在的噪声影响进行分析,结果表明此方案的模拟带宽可达50 GHz以上。注意到本方案中的关键器件均可利用硅基光子技术来实现,因此方案具有很高的集成化潜力。进一步对所提全光级联量化提出了改进方案,利用级联两个UMZM的方法实现了功率传递函数的周期倍增,使用16个量化信道、4个周期即可实现高达8.59-bit的量化分辨率,比改进前的级联量化方案在同条件下的分辨率提升了2-bit之多,初步仿真实现了8.18-bit的ENOB。此改进方案的提出为超高量化分辨率全光ADC的实现打下了基础。本文的研究成果丰富了全光模数转换技术的相关理论,为非线性硅基光子器件在全光ADC中的应用探索了技术方案,为可集成、低功耗、高性能全光ADC的实现提供理论研究基础,有望在未来超宽带光通信网络和高速信息处理领域中得到广泛应用。