模数转换器将连续的模拟信号转换为离散数字信号,是信息处理系统中的重要器件。随着数字化技术的高速发展,模数转换器在高速通信、实时监测、雷达信号处理、图像处理以及空间通信等领域的作用也愈加突出。同时,人们对信息处理系统中模数转换器性能的要求也日益提高。目前实际应用最广泛的是电子模数转换器,但是由于受到电子迁移率的限制,电子模数转换器在超高速模数转换中遭遇电子瓶颈,限制了其性能的进一步提高。超导材料模数转换器要求低温的工作环境,这大大限制了其应用范围。而全光模数转换技术可以克服电子模数转换和超导材料模数转换的限制,将是未来信息处理系统的关键技术。全光量化是全光模数转换器的重要组成部分,是全光模数转换器的重要研究课题。本论文针对基于拉曼自频移和谱压缩的全光量化进行了详细研究,其主要内容可概括为以下几点:(1)简要介绍了全光模数转换器和全光量化的研究背景与意义,并回顾了光量化的发展历程以及国内外研究现状。(2)构建了由高非线性光纤、色散渐增光纤和阵列波导光栅组成的全光量化结构。首先,窄脉宽、高功率的脉冲在高非线性光纤中产生拉曼自频移效应,实现功率—波长的转变,是此量化结构的主要部分;自频移后脉冲经过色散渐增光纤时,谱宽压缩,可有效提高量化精度;最后,阵列波导光栅用来空间分离谱压缩后的脉冲,为全光量化的下一步——编码做准备。描述了全光量化的数值分析基础——广义非线性薛定谔方程的推导过程,并简要介绍了求解广义非线性薛定谔方程的数值方法——分步傅里叶法。(3)采用矩量法求解脉冲参量如脉宽、啁啾、能量、延时和中心波长频移量沿传输方向的演化公式,来分析脉冲在光纤中的传输情况。纠正了J. Santhanam和G. P. Agrawal在推导过程中的错误,获得更准确的表达式;并针对在亚皮秒脉冲入射的情况,将修正后的结果和修正前的结果进行了对比。(4)超短脉冲在光纤中的拉曼自频移现象是由光纤的拉曼延迟响应特性引起的,其自频移幅度不仅与脉冲特性有关,还与传输光纤有很大的关系。本文中详细研究了亚皮秒脉冲在三种不同光纤(如光子晶体光纤、保偏光纤、普通高非线性光纤等)中产生的拉曼自频移现象,对比了不同形状、不同脉宽、不同峰值功率的脉冲在光纤中发生拉曼自频移效应后的输出脉冲,并对如何选择合适的工作光纤提出了合理化建议。采用两根不同的高非线性光纤进行了拉曼自频移实验,改变入射功率,获得140nm的自频移范围。(5)基于拉曼自频移后形成的拉曼孤子特性,首次详细描述了亚皮秒孤子在色散渐增光纤中的谱压缩过程,并对比了基孤子在五种不同类型(即直线型、指数型、高斯型、双曲型和对数型)色散渐增光纤中的演化过程和谱压缩效果。结果表明,直线型、指数型和对数型色散渐增光纤更适合压缩拉曼自频移后脉冲的谱宽。(6)模拟了亚皮秒脉冲入射时,由光子晶体光纤、色散渐增光纤和阵列波导光栅组成的全光量化系统的性能,论证了此全光量化结构的可行性。利用矩量法获得理想状况下孤子延时的表达式,并详细讨论了脉冲在拉曼自频移和谱压缩过程中伴随的脉冲延时对采样速率的影响。