空芯微结构光纤的弯曲损耗是决定其能否真正应用到光纤陀螺中的一个核心指标。设计并成功拉制出一款具有超低弯曲损耗的19芯空芯光子带隙光纤，通过与拉制的具有相近纤芯直径的空芯反谐振光纤进行对比，详细探究了空芯微结构光纤弯曲损耗的产生机理，证明了空芯光子带隙光纤具有更优异的抗弯曲特性。使用对称缠绕法，在0.25 cm的极限弯曲半径下，实验测量得到的空芯光子带隙光纤的弯曲损耗为每圈3.63×10^-3 dB @1624 nm，这是目前实验报道的空芯微结构光纤在最小弯曲半径下的最低弯曲损耗。面向光纤陀螺的应用需求，首次实验研究了在不同张力下空芯光子带隙光纤敏感环的插入损耗的变化情况。研究结果显示，随着绕制张力的增加，环体插入损耗显著增加，因此宜在小张力条件下进行空芯光子带隙光纤敏感环的绕制。研究成果对空芯微结构光纤在光纤陀螺领域的实用化进程有着重要的推进作用。

提出一种在近红外波段具有高保偏、低损耗、优良弯曲特性的新型混合结构空芯保偏光纤。在19 cell光子带隙空芯光纤纤芯内添加双层反谐振弧形薄壁，形成创新性混合结构，在保持带隙型空芯光纤优良弯曲特性的同时，通过降低其反谐振结构的对称性，增强保偏特性。数值分析结果表明，对于1 550 nm波长光，双折射值可高达1.36×10-3，对应两偏振基模限制损耗分别为1.24×10-5 dB/km、4.64×10-4 dB/km; 弯曲半径为5 mm时，两偏振基模的损耗均小于10-2 dB/km。对制作容差所进行的分析结果表明，该空芯保偏光纤在弧形薄壁曲率小范围制备误差情况下能保持良好的传输及保偏特性。光子带隙与反谐振混合结构，将为小弯曲半径下高保偏、低损耗空芯光纤的结构创新探索提供新动力，其优良性能也会有力地推动空芯保偏光纤的应用发展。

光纤作为光信息和光能量的传输元器件已成为基础建设不可或缺的组成部分。针对功能光纤进行概括性介绍。着重介绍了微结构光纤的导光机理以及制备方案。微结构光纤由于其实现了灵活的预制棒制备方式、空芯传输以及理论上的超低衰耗,广泛地应用于光电传感和激光器应用。未来光纤发展的趋势将是光、电功能集成于一根光纤中,详细介绍了纳米机械光纤的制备和潜在应用,为全光器件和光集成技术发展提供重要的研究方向。

提出了一种金属修饰的微结构光纤偏振分束器,并且利用全矢量有限元法仿真分析了该偏振分束器的长度与其结构参数的关系, 进而得出了该偏振分束器长度随孔间距、占空比变化的一般规律。研究结果表明: 当其他结构参数一定时, 该偏振分束器长度会随着孔间距的减小而减短; 占空比减小, 偏振分束器长度也会随之减短。最终综合考虑其性能与金属材料带来的损耗的影响, 设计出一种结构简单的微结构光纤偏振分束器。该偏振分束器长度为3.523 mm, 在其工作波长1.55 μm处消光比高达74.9 dB, 消光比高于20 dB的波长范围为1.53~1.57 μm之间的40 nm范围, 覆盖了整个光通信的C波段范围。并且该偏振分束器有着较好的冗余特性, 在偏振分束器长度存在±5%的误差时, 仍能保持较好的性能。

针对相位敏感光时域反射计(φ-OTDR)分布式光纤扰动传感系统对扰动事件进行有效判别和识别的问题, 提出一种基于支持向量机(SVM)的扰动判别和扰动模式识别的方法。通过提取信号时域和频域的平均值、方差、均方差以及信号功率特征, 利用二叉树结构建立基于SVM算法的分类器, 对扰动进行判别并对扰动模式进行识别。根据传感信号的特征, 通过分类器I在对有无扰动信号进行判别的基础上, 进一步对有扰动信号利用分类器对扰动事件的模式进行识别。通过实验对所提出的方法进行验证, 对600组实验数据进行扰动判别和模式识别, 正确的扰动判别率在96%以上, 漏报率和误报率在4%以下; 正确的模式识别率均在94%以上。

为了准确估计实际光子晶体光纤(photonic crystal fibers, PCFs)的光特性, 提出一种基于Contourlet变换的压缩感知重建方法来重建实际PCFs的截面, 进而对实际PCFs的光特性进行快速评估。结合全变差去噪方法, 对经典图像、商用大模场面积PCF和保偏PCF的光特性进行评估, 结果表明, 提出的方法可以有效保留PCFs截面空气孔多尺度多方向的特征, 光特性的评估结果与产品参数相吻合。这也是目前首次将基于Contourlet变换的压缩感知应用于PCFs的光特性估计, 研究工作为实际PCFs光特性的快速准确估计提供了有效的手段。

采用自制的1 018 nm光纤激光器做泵浦源,建立了全光纤同带泵浦的宽带掺镱超荧光光纤光源实验系统,首次利用同带泵浦对单程前向结构的超荧光产生进行了深入的实验研究。研究结果表明: 基于同带泵浦的掺镱超荧光光源的斜率效率高达88%,半极大全宽度(Full Width at Half Maximum,FWHM) 最宽可以达到14.81 nm。掺镱光纤长度的改变,将影响超荧光光源的最大输出功率、斜率效率及中心波长,随着掺镱光纤长度的增加,最大输出功率和斜率效率下降,中心波长红移。固定光纤长度,改变泵浦功率,随着泵浦功率的增加,超荧光的最大功率和FWHM增加,光谱中心波长偏移很小。在掺镱光纤长度为5.7 m时,超荧光光源的最宽FWHM为14.81 nm,斜率效率在80.3%以上,输出功率的波动小于1%,没有驰豫振荡出现。

为了更准确、快速评估实际光子晶体光纤的光特性, 提出了一种基于全变差和小波变换的实际光子晶体光纤光特性评估方法。建立了在小波变换域上的全变差模型, 利用Bregman算法进行迭代运算, 有效地滤除光子晶体光纤截面图像的噪声, 并保持截面图像空气孔的边缘结构, 进而结合有限元方法, 实现实际光子晶体光纤的光特性的准确快速评估。通过对商用及自制光子晶体光纤的特性评估, 验证了所提出方法的有效性。文中所提出的方法结合了全变差和小波变换的优点, 可以有效去除吉布斯现象和阶梯效应的影响, 提高了光子晶体光纤光特性评估的精度。

针对φ-OTDR光纤分布式扰动传感器偏振衰落导致漏报的问题, 提出了一种基于空间域差分的定位方法。在不增加光路器件的情况下, 在空间域对探测光强进行差分处理, 与现有时域定位方法相结合, 通过在时域和空间域分别设置报警阈值, 可以有效抑制偏振衰落导致的漏报。对提出的定位方法进行了实验验证, 在空间分辨率为50 m、光纤长度为25.05 km的条件下进行多次实验测试, 与现有单一时域定位方法相比, 漏报率从18.5%降低到2%, 报警准确率从76%提高至89%。该研究工作可以为优化和提高φ-OTDR光纤分布式扰动传感器在实际应用中的技术性能提供理论指导和技术参考。