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模数转换(analog-to-digital conversion,ADC)是信息处理基本手段之一,无论在通信和非通信领域,模数转换都有重要的应用。由于受“电子瓶颈”等因素的限制,目前商用单一芯片电ADC的最高采样率不超过2Gs/s,更高速的模数转换大多通过多个ADC并行处理的方法实现(即sigma-delta电路),价格非常昂贵。自从上个世纪七十年代光采样的概念被S.怀特等人提出以来,一直受到国内外广泛关注,提出了很多实现方法,如:光干涉法、光学辅助方法等。但直至90年代中后期,随着光通信技术特别是波分复用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)技术和器件的成熟,光学模数转换才具有可实际应用的实现方法,如波分、时分复用(Optical Time Division Multiplexing,OTDM)交织的采样系统,这种方法结合了波分复用与时分复用灵活多样的特点,能够有效提高系统的采样率,同时由于光子/光电子器件具有极高的带宽,因此能够提高采样系统的带宽。本文主要研究多波长高速光采样系统,通过对现有技术和相关光电子器件的比较和分析,在课题组以往工作基础上,从理论与实验上研究了系统各部分对采样性能及后端数据量化能力的影响,提出了提高光纤延迟精度、减少光纤色散影响等的实现方法,有效提高了系统的采样率。本文从理论和实验方面分析了基于3?3耦合器的光时分复用系统的性能;在此基础上提出了基于高精度2?2宽带耦合器实现的OTDM,在时延精度和功率均匀度方面均有很大改善。详细阐述了基于高精度2?2宽带耦合器的OTDM延迟线制作工艺,实现了对36.4MHz采样脉冲的64倍和128倍的时分复用,将单波长采样脉冲的重复率分别提升至2.3GS/s与4.7GS/s,给出了实验结果。本文提出并实现了一种机械式精密可调光延迟线装置,能极大改善WDM部分延迟线的精度。使用商用WDM,实现了18波长的时间波长交织采样时钟。与OTDM结合,使得系统的采样率分别提升至41.9 GS/s与83.8 GS/s,给出了部分实验结果。分析了多通道WDM的功率不均匀性问题及其解决方法。针对基于光纤实现的高速采样时钟系统,本文分析了WDM部分、OTDM以及EDFA中光纤色散对采样系统有效比特的影响,给出了色散的补偿方法与实验验证结果。在采样门部分,分析了电光调制器对时间波长交织采样脉冲偏振相关性的影响,研究了电光调制器的参数设置及其对采样脉冲时钟的影响,并对不同重复率的采样时钟进行了采样实验,给出了初步的采样结果。