光调制器技术和高速摄影技术总是在相互促进中发展。近年来,各类新型大面积光调制器件在超快诊断、三维成像、激光通信等领域得到了受人瞩目的发展,为高速成像系统在红外波段上的拓展提供了新途径。在总结美国海军实验室、3DV公司、瑞典国防研究所、三星先进技术研究院和光州科学技术学院相关研究成果的基础之上,本文主要针对大面积量子限制斯塔克效应(QCSE,Quantum Confined Stark Effect)电吸收光调制器(EAM,Electro-Absorption Modulator)应用于距离测量开展研究工作,并对器件主要参数进行系统的设计、评价和优化工作。由于目前这类大面积光调制器件的消光比普遍<10dB,较线性电光晶体低的多,并不适合做光开关应用。因此,本文在高消光比光开关阵列研制中仍然采用大面积线性电光晶体。主要研究工作如下:建立了基于QCSE EAM回波调制的测距系统理论模型,推导了距离测量值的标准差方程。定量分析了光调制器时间常数、电吸收率、消光比等器件主要参数以及回波调制信号延迟精度对测距精度的影响。研究结果表明,更大的回波调制深度有助于测距精度的改善;当回波调制信号定时精度较差时,测距精度将难以通过提高光子散粒噪声信噪比的措施改善。采用传输矩阵法对具有单光学谐振腔和多光学谐振腔结构的大面积QCSE EAM的工作波长、电吸收率、消光比、光调制谱宽和光调制视角等主要参数进行系统地优化设计研究。通过对光学腔和前反射镜结构优化,使反射型QCSE EAM电吸收率超过50%的光调制视角提升至50°以上,光调制光谱宽提升至7.3nm。为评价大面积QCSE EAM的偏振特性和金属电极对成像质量的影响,提出了一种基于矢量平面波谱的光学成像系统矢量模型,验证了该模型与Debye矢量衍射积分的一致性。对平面光学元件引入的正交偏振态(s光、p光)的振幅和相位传输差异对调制传递函数不同频率范围内贡献不同的机制进行了深入的理论分析和研究。在此基础上,采用组合膜系优化了器件偏振特性,使耦合QCSE EAM光学成像系统的MTF显著提升。计算了不同结构参数下,金属电极对MTF的影响程度。定量分析了入射角对线性电光晶体纵向调制的影响,提出了一种基于半散射介质和短波长锥光干涉的光学对准方案,设计并研制了用于高消光比光开关阵列的光纤准直器,测试结果表明所研制九通道光纤阵列光开关的最大消光比大于50dB。