模数转化器（Analog-to-digital converter,ADC）在信号处理和通信系统中具有重要的作用,大模拟带宽、高采样率、高量化精度的模数转换器也一直是人们追求的目标。传统电子模数转换器由于难以解决采样率和量化精度之间的相互制约问题,难以实现较高的性能。光采样技术可以提供飞秒量级的时间抖动,实现超过100 GSa/s的速率,为了实现高性能的ADC,如何得到高精度的光量化方案就显得尤为重要。而利用一系列的高阶非线性效应实现的全光量化方案,既避免了电子器件的瓶颈问题,又能兼顾大模拟带宽和高量化精度,因此具有重要的研究意义。本文主要探究了基于非线性效应实现全光量化的两种方法,具体工作内容和创新点如下:1、研究了微纳波导中红外波段的高相干超连续谱的产生,基于高折射率、高非线性系数的As2S3材料设计了具有悬臂梁结构的脊型波导来产生超连续谱。波导采用空气和Si3N4作为上下包层,As2S3作为脊芯,脊芯的宽度和高度进行优化选择。设计的波导产生的超连续谱在-40 dB功率处最大谱宽可从1.0 μm到5.6 μm,超过了 2个倍频程。通过改变泵浦波长、峰值功率以及波导长度,对超连续谱展宽机制进行了详细分析。仿真分析了频谱的相干性,讨论了不同随机噪声水平对相干性的影响。这些研究可应用于生物医学检测以及高精密测量等领域。2、研究了高非线性光纤（Highly nonlinear fiber,HNLF）中的自相位调制效应,提出了采用切割310 m正常色散HNLF中产生的超连续谱的全光量化方案,通过数值仿真分析了飞秒脉冲在非线性效应下产生的频谱展宽现象。正常色散的HNLF能产生平坦且相干性较好的超连续谱,利用密集波分复用器切割超连续谱,仿真证明了该方案的有效性。在此理论基础上,搭建了实验平台,实现了 3 bit和5 bit的全光量化,系统的微分非线性误差和积分非线性误差的最大值分别为0.471 LSB和0.519 LSB,进一步验证了所提方案的有效性。3、研究了基于硅基波导中非线性效应的全光量化方法,提出了基于Si3N4脊型波导的切割超连续谱的全光量化方案。通过优化设计波导结构参数实现了通信波段的全正色散,利用1 cm长的Si3N4脊型波导,在峰值功率为130到440 W的范围内,数值仿真实现了 5.996 bit有效量化分辨率的可集成全光量化器。该方案在较低的功率范围内即可实现光量化,并且能够与其他硅基器件实现片上光互连,为低功耗、可集成全光ADC的实现提供研究基础。4、研究了 HNLF 中的孤子自频移（Soliton self-frequency shift,SSFS）效应,提出了采用310 m反常色散HNLF中产生的SSFS效应的全光量化方案,通过数值仿真模拟了光脉冲在非线性效应下产生的拉曼频移现象。在理论基础上搭建了实验平台,实现了 2.74bit的量化精度。为了得到更高的量化分辨率,提出了级联单模光纤（Single mode fiber,SMF）和HNLF实现频谱压缩的方法,通过仿真实现了光谱宽度从15 nm压缩到1.95 nm,进而将量化精度从压缩前的2.13 bit提高到5.36 bit。5、提出了利用光子晶体光纤（Photonic crystal fiber,PCF）中的SSFS效应实现全光量化的方案。设计了一个5 m长的CS2液芯PCF,在设计的PCF中同时实现了 SSFS和频SPC。当输入功率为15.3 W时,频谱从初始的36.07 nm减小到了 7.33 nm,压缩比达到4.92倍,且频移量高达190 nm。将该PCF应用于可光量化系统中,实现了 4 bit的量化分辨率。相比用级联光纤进行频谱压缩的量化方法,本方案降低了量化系统的复杂性,提高了量化系统的集成性和可靠性,对实现低功耗、集成化的光信号处理系统有重要意义。本文研究了全光量化方法中频率量化的相关理论,并通过不同的HNLF搭建实验平台验证了量化方案的可行性。为了实现低功耗、可集成的全光量化,设计了波导和PCF等具有高非线性系数的非线性介质替代传统的光纤的量化方案。本文工作为后续的全光量化研究打下了研究基础,有望在未来光通信和高速信息处理领域得到广泛应用。