提出一种新型的基于内调制啁啾脉冲的高信噪比(SNR)直接探测型相位敏感光时域反射计(φ-OTDR)。通过理论分析可得,利用啁啾脉冲的方法并通过提高受激布里渊阈值可提高注入光能量,提高探测信号中的直流分量可使信号与噪声分离,进而提升SNR。提出一种φ-OTDR系统信噪比的综合评判方法,对SNR的统计特性进行分析。同时,开展了基于分布式反馈激光器的内调制直接探测型φ-OTDR系统实验研究,利用可调谐滤波器对内调制产生的频率啁啾范围进行控制,经对比实验验证,可得所提系统与传统φ-OTDR系统的信噪比期望相当,分布方差更小,测量可靠度更高的结论。此外,该系统还具有成本低、结构简单等优点,实际应用时可以利用光纤布拉格光栅代替可调谐滤波器,提升其应用的灵活性,为工程应用提供新的解决方案。

设计了两种用于单纵模光纤激光器的窄线宽全光纤环滤波器,其由超低反光纤光栅和1个(或2个)2×2光纤耦合器构成。从理论上推导出两种滤波器的反射率表达式,并且对其反射率、窄线宽和群时延特性进行了详细的数值分析和实验验证。研究结果表明:由超低反光纤光栅和光纤耦合器构成的单环滤波器具有高反射率、超窄线宽和大群时延特性,表现出良好的慢光效应。双环滤波器除了保持了以上良好特性,还因游标效应,共振幅度可调,相对单环滤波器,具有更大的有效自由光谱范围(FSR)、更大的边模抑制比(SMSR)以及不易跳模等特点。所研究的光纤环形滤波器具有窄线宽、结构紧凑和低成本等优点,可用作光纤激光器的反射腔镜来进一步压窄激光器线宽,尤其是当双环滤波器用作腔镜时,激光器的线宽更窄,模式更稳定。

国家重大基础设施和关键区域的安全, 对于保障经济发展、****、社会稳定和人民生活具有极其重要的意义。基于相位敏感光时域反射仪(Φ-OTDR)的分布式光纤振动传感系统在入侵探测、周界安防和基础设施安全监控等方面具有独特的技术优势, 近年来受到各国科技界和工业界的广泛关注。详述了本课题组近10年来在该领域的研究成果, 包括Φ-OTDR定量化相位解调技术、信号干涉衰落的机理研究、超高频率响应带宽系统、超高空间分辨率系统、低噪声窄线宽单频激光器和激光扫频技术等方面的进展; 介绍了Φ-OTDR系统在周界安防和铁路安全监测等领域的工程应用, 并对Φ-OTDR的国内外发展趋势进行了简要的评述。

相位敏感光时域反射计(φ-OTDR)在光纤围栏等动态传感领域具有重要的应用，快速、有效地对入侵信号分类识别有着十分重要的意义。基于频谱分析提出了一种称为频谱欧氏距离法(EDFS)的快速模式识别方法。该方法通过短时平移差分和短时能量法对f-OTDR 的解调信号进行提取，确定待分析数据段；对数据段进行归一化和快速傅里叶变换，获得信号的频谱特征；计算信号频谱与预先生成的模板之间的欧氏距离对入侵信号进行分类、识别。采用三种入侵信号对该方法的有效性和实时性进行了实验验证。结果表明，该模式识别方法可以有效识别扰动信号，识别时间小于传统的动态时域规划模式识别方法耗时的1/10。同时，该方法所需训练样本较少，对环境噪声有一定程度的抑制作用。

构建了一种基于Littman-Metcalf 结构的外腔半导体激光器。该激光器采用基于星形柔性铰链转动机制的紧凑型设计，并利用有限元分析的方法对其机械结构进行了分析及设计，转动臂实现了高达3.7 kHz的基模共振频率。根据无跳模调谐条件对外腔设计进行了优化，提高了激光器的性能。该激光器为单纵模运转，工作波长约为780 nm，无跳模调谐范围大于等于80 GHz，且在无重新装调情况下可稳定工作一年以上，表明激光器具有良好的可靠性。同时该激光器可锁定在87Rb(F=2→F′=2,3) 吸收峰上，持续时间超过24 h，其线宽为200 kHz，温度稳定度为35 MHz/℃，且稳频激光器的Allen方差在测量时间为3 s时可达到3.5×10 -11，24 h内光功率波动小于0.75%，具有较高的稳定性。

对相位解调相位敏感光时域反射仪(φ-OTDR)系统中干涉衰落问题进行了研究。同一频率多次脉冲扫描显示出相似的衰落波形，而不同光频有不同的衰落波形。通过改进现有瑞利散射随机性和相干性物理模型，推出了瑞利散射系数是激光频率和有效折射率的函数，合理解释了上述实验现象。为了消除干涉衰落导致的系统误报问题，提出了一种基于多频率综合判决的方法，有效地区分并排除了误报，提高了整个φ-OTDR系统相位解调的准确性。

Quantum communication is a new technology requiring a stable and reliable laser source for communication security. A new kind of polarization-locked vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL) with polarization maintaining (PM) fiber pigtail is fabricated as a decoy state laser source. The VCSEL is packaged in a standard butterfly box integrated with thermoelectric coder (TEC) and thermistor. The optical pulse width of full-width at half-maximum (FWHM) is smaller than 400 ps with a 100-MHz on/off modulation frequency. The results reveal that modulation range is better than 4. Moreover, the polarization is stable, and the power extinction ratio is larger than 25. The center wavelength is 850 nm, and the SMSR is better than 40 dB.

We design and demonstrate an all-optical temporal differentiator based on a simple Moire fiber grating operated in reflection. The simulation results prove that a single Moire fiber grating with only one \pi-phase shifted point can act as the first-order temporal differentiator and that a Moire fiber grating incorporating two symmetrical -phase shifted points can act as the second-order temporal differentiator. A practical Moire fiber grating is fabricated, thereby proving that such a grating can act as the first-order temporal differentiator. Our results verify the feasibility, flexibility, and accuracy of the proposed method.

分析了在大模场面积双包层光纤(LMA-DCF)上刻写光栅的技术要求和难点，采用相位掩模法在20/400 μm 的LMA-DCF上刻写了高反射率光纤布拉格光栅。针对大模场光纤中存在高阶模的可能性，通过调整单模光纤(SMF)入射光场和LMA-DCF芯径的相对偏移量，对LMA-DCF光栅中的传输模式特性进行了理论分析和模拟计算，并在实验研究中测量了偏移量不同时光栅的反射谱，观测到了相应的LP01模和LP11模的模场光斑分布。对LMA-DCF光栅的几种光谱测试方法进行了对比研究，分析了各种方法的优缺点。研究结果将为LMA-DCF光栅在高功率激光系统中的应用提供依据和参考。