宽带、高速、高精度模数转换器（Analog-to-Digital Convertor,ADC）在超宽带雷达系统、电子对抗、无线通信和宽带信号实时探测等领域有着极其重要的应用。传统电子ADC的采样速率已有较大的提升,但受集成材料特性的限制,其模拟带宽和时间抖动的性能都接近局限。光学ADC利用光学技术在超高速、超宽带、超低时间抖动方面的优势,有望同时实现高采样速率、大模拟带宽和高量化精度。本文围绕光学ADC存在的关键技术问题开展了理论和实验研究,并将光学ADC扩展应用于微波光子频率测量。主要研究内容如下:（1）针对如何有效提升光采样速率、增大模拟带宽,研究了一种基于无腔光源和光学下变频采样的光学ADC。利用强度调制器级联相位调制器和单模光纤的无谐振腔型结构产生时间抖动低、重复频率高且灵活可调的近似无啁啾超短光脉冲,并对输入宽带模拟信号进行光学下变频采样,随后利用低速电子ADC进行量化和编码。通过数值仿真和实验验证本方案的可行性,产生重复频率为3GHz的近似无啁啾超短光脉冲,并对40GHz微波信号进行光学模数转换。此外,将基于无腔光源的光学ADC应用于宽带高精度微波频率测量。三个重频和中心波长均不相同的无腔光源通过波分复用结构合成一路对待测微波信号进行下变频采样,将数字化获得的三组相互独立的中频信号进行频率恢复计算,最终实现宽带微波信号频率的高精度测量,并完成了实验验证。通过利用采样速率分别为2.99GS/s、3.07GS/s和3.10GS/s的三个光学ADC实现频率范围40GHz的无盲区测量,且测频误差、频谱分辨率分别达到±5k Hz和10k Hz。（2）针对如何有效增大光采样速率并避免光学采样和电学量化之间速率失配的关键问题,研究了一种基于无腔光源和并行多路时分交织电学量化技术的光学ADC。无腔光源输出的高重频、低时间抖动超短光脉冲先对宽带模拟信号进行下变频采样,再通过基于高速电光开关的时分解复用技术进行降速预处理,降速后的每一路光脉冲依次通过光电转换、抗混叠滤波以及低速电子ADC数字化获得下变频信号,最后在数字域内将多路并行信号时间交织拼接。对本方案进行数值仿真以及实验验证。实验中,无腔光源产生重频为8GHz、脉宽为5.7ps的超短光脉冲,并对40GHz模拟信号进行光学下变频采样,随后通过高速电光开关时分解复用为两路速率为4GS/s的光脉冲,最后经过量化编码、时间交织拼接后有效位数超过5.6bits。（3）为了充分发挥光学采样的优势,同时克服电学量化的速率限制,提出了两种基于孤子自频移和啁啾补偿的超快全光量化方案。借助反射环路,提出一种高精度全光量化方案,通过双向利用n段单模光纤和n段高非线性光纤,实现了单级孤子自频移以及（2n-1）级基于正负啁啾补偿的梳状光谱压缩。相比传统单向结构,本方案在简化系统结构的同时,大大提高了光谱压缩比和量化精度。该方案还进行了数值仿真和实验验证,证实了n=2的可行性。实验结果表明,在自频移范围1580.0-1672.2nm内,本方案实现了三级光谱压缩并获得6.2bits量化精度,比传统单向结构的高1.2bits。在此基础上,提出了一种基于Sagnac环的低基座全光量化方案,利用单模光纤以及一个由耦合比不为1的光耦合器和高非线性光纤构成的Sagnac环,依次通过反常群速度色散（Group-Velocity Dispersion,GVD）效应和功率相关滤波效应,窄化了单级梳状光谱压缩输出的脉冲光谱,同时避免因啁啾补偿不完整而产生的基座,提高系统量化精度和后续编码准确性。（4）针对基于啁啾补偿的光谱压缩方案中光纤组合固定且体积大的问题,提出了一种基于孤子自频移和时间相关滤波的超快全光量化方案。利用色散光纤的群速度色散效应将自频移后光脉冲的波长信息映射到时域,再利用非线性偏振旋转（Nonlinear Polarization Rotation,NPR）等效可饱和吸收体的功率相关滤波效应,使功率较低的脉冲前后沿（对应长、短波长成分）被大部分滤除、功率较高的脉冲中心（对应中心波长成分）近乎无损输出,实现时间相关滤波效果,窄化了自频移后脉冲光谱,从而提高系统量化精度。本方案还进行了数值仿真和实验验证。仿真结果表明本方案对色散光纤长度和色散符号均具有较强包容性,且在输入脉冲峰值功率或偏振控制器偏振状态变化的情况下仍能获得稳定光谱压缩效果。实验中,在100nm自频移范围内,压缩后光谱平均宽度约1.65nm,量化精度达到5.95bits,对比相同光纤结构的传统光谱压缩方案,量化精度提高了1.13bits。