相位敏感光时域反射计(φ-OTDR)可以有效地检测光纤的振动信息,但受传感光纤长度的限制,可检测的振动频率范围一般在几百赫兹到几千赫兹之间。为了提高振动检测范围,组建了基于外差相干检测的φ-OTDR系统,采用I/Q解调方法获得传感光纤散射光信号的相位信息,对此相位信息在空间域与时域上相继进行差分相位解调,从而实现对光纤中高频振动信号的分布式检测。理论上分析了高频振动检测方案的可行性,并在实验中有效解调出了频率为500 kHz的振动信号,传感距离达到了23 km。

通过改变微波电光调制器的调制频率,实现光频率扫描。利用光频移产生的后向瑞利散射光干涉图样的变化,可得到传感温度变化信息。基于温度变化前后两次扫描频率曲线的互相关特性及其与温度变化量的对应关系,提出了光频率扫描扩展方案。理论分析和实验结果表明,该方案可有效提高系统的温度测量检测范围。实验中,信噪比提升了2.13 dB,系统可检测的最小温度变化量约为0.029 ℃。

相位敏感光时域反射计(φ-OTDR)中使用相干性较好的窄线宽光源,因传感光纤中光脉冲产生的散射光发生干涉,故可利用干涉光的变化检测外界扰动,检测灵敏度较高。但传统的幅度检测φ-OTDR的结果难以实现定量检测,需要进行相位解调。基于3×3迈克耳孙干涉仪的相位解调系统是一种较好的解调方案,但直接解调的结果存在空间分辨能力小于传统幅度检测φ-OTDR的问题。采用四路检测方法来保持φ-OTDR的空间分辨能力,只需在系统结构中增加一路检测。同时考虑到窄线宽光源产生的脉冲内干涉对解调造成的不利影响,在提出四路检测相位解调φ-OTDR的基础上,从瑞利后向散射光的角度对基于3×3迈克耳孙干涉仪的相位解调φ-OTDR进行分析,并通过实验进行验证。完成了对5 km传感光纤上扰动信号的定量检测,检测线性度为0.9956,解调相位的幅度达到31.85 rad,解调系统的空间分辨率与传统的幅度检测φ-OTDR相同。

研究了基于瑞利散射的高性能定量检测分布式光纤传感技术。在相位敏感光时域反射计(Φ -OTDR)的基础上，用窄线宽激光器和微波电光调制实现对光频移的精确控制，构成直接检测相干光时域反射计(COTDR)传感系统。通过分析光频移产生的传感光纤瑞利散射光干涉图样的变化，得到了传感量(温度或应变)的定量信息。对直接检测COTDR 传感系统进行了理论分析，并进行了COTDR 工作过程和散射信号相关特性的仿真分析，验证了高分辨率分布式光纤传感原理。在此理论分析基础上，采用微波电光调制得到了可变光频移，组建了直接检测COTDR实验系统，实现了25 km 分布式光纤温度传感实验，可测量到25 km 光纤末端0.1 ℃的温度变化。

光调制格式转换是全光通信中的一个关键技术。基于硅基微环谐振器的交叉相位调制(XPM)效应，可实现非归零(NRZ) 信号到归零(RZ) 信号的光调制格式转换。将探测光NRZ信号与抽运光时钟脉冲序列同步通过硅基微环谐振器，由于硅波导的XPM效应，抽运光上升沿与下降沿的功率改变使得探测光NRZ信号产生光频率的负啁啾与正啁啾，通过适当的光带通滤波器(OBPF)就可获得需要的RZ信号。研究了转换后RZ信号的质量与抽运光功率、脉宽以及OBPF对探测光的波长失谐量之间的关系。研究结果表明，利用硅基微环谐振器的XPM效应可实现芯片级的光调制格式转换。

在布里渊光时域分析仪(BOTDA)中，需要检测由脉冲激励光和直流连续探测光的非线性作用产生的受激布里渊散射信号。根据激励光和探测光采用的不同频差，可分为激励光频率高于探测光的增益型和激励光频率低于探测光的衰减型。由于受激布里渊散射作用引起的功率损失影响，增益型BOTDA的传感距离和信噪比(SNR)受到一定限制。对于衰减型布里渊光时域分析，进行了增益型和衰减型传感模式的性能分析比较，并以100 km传感系统为例进行了系统研究。研究结果表明，衰减型BOTDA具有更好的传感距离和检测精度，在同样传感距离下衰减型的最差检测信噪比比增益型高10 dB以上，因此更适合于长距离分布式光纤传感器。

布里渊分布式光纤传感器适用于测量静态的温度/应力，而马赫-曾德尔干涉仪分布式光纤传感器(DOFS)可测量动态的应变变化。许多应用场合需要静态和动态的传感信息，这是单机理分布式光纤传感器难以达到的。由于布里渊光时域分析仪(BOTDA)和马赫-曾德尔干涉传感器都采用双向环路传感光纤结构，通过共用光源和主要光器件，将布里渊光时域分析仪和马赫-曾德尔干涉传感器相结合。利用布里渊传感测温度，马赫-曾德尔传感器测振动，从而可实现多机理多参量传感。搭建了25 km传感实验系统，对于马赫-曾德尔振动传感，定位精度达到60 m，并可计算振动频率；对于布里渊传感，在没有振动时传感光纤的始端和末端都为2 ℃的测量精度，但在振动时得到始端为3 ℃、末端为4 ℃的测量精度。

对于布里渊分布式光纤传感器(DOFS)，温度或应变的变化都会引起布里渊频移谱改变，因此存在交叉敏感问题。在以往对布里渊光时域反射(BOTDR)计的双参量传感研究中，采用单根光纤，通过同时检测布里渊频移和功率变化，实现双参量传感。但对于布里渊光时域分析(BOTDA)，由于受激布里渊散射的偏振相关性，不能实现对受激散射光功率的准确检测，因此难以实现单光纤的双参量传感。针对这一问题采用温度和应变系数不同的双光纤进行双参量传感。先测量了几种常用光纤的温度和应变布里渊频移系数，然后选择G652和G652成缆两种光纤，通过构建系数矩阵，由两根光纤的布里渊频移计算得出温度和应力，从而实现了温度分辨率25 ℃左右，应变分辨率约为200 με的双参量传感。

基于硅光波导的四波混频（FWM）和交叉相位调制（XPM）效应，提出非归零码（NRZ）到归零码（RZ）的光调制格式转换。当探测光NRZ信号和抽运光时钟脉冲序列同步通过硅波导时，FWM效应产生斯托克斯光和反斯托克斯光，XPM效应使探测光频谱产生红移和蓝移，选择合适的带通滤波器（OBPF）可得到四种RZ信号。分析了斯托克斯光和反斯托克斯光的功率与探测光和抽运光功率的关系，四种RZ信号的脉宽与抽运光脉宽的关系，抽运光对探测光的波长失谐量对四种RZ信号转换效率的影响等。此外，抽运光脉宽的大小影响XPM效应产生的RZ信号的质量：当抽运光脉宽为2～15 ps时，可产生四种高质量的RZ信号；当抽运光脉宽大于15 ps时，探测光蓝移频谱中提取出的RZ信号质量很差。

硅光波导和光子器件具有大折射率差和紧凑尺寸，硅光子被认为是新一代大规模光电集成技术。基于自由载流子等离子体色散效应，采用MOS电容电极结构的马赫曾德尔调制器(MZM)，可实现10 GHz以上的高速调制。采用有限元方法，通过构建光和电结合模拟方法，对一种双硅层的MOS电容电极MZM的静态和动态性能进行了理论研究。研究结果表明，在-2 V驱动电压作用下，当掺杂粒子浓度为1×1015 cm-3时，有效折射率变化值为1.05×10-5左右，实现Vπ所需的单臂调制臂长为3.68 cm，损耗小于0.84 dB/cm，其上升时间和下降时间在40 ps左右；当掺杂粒子浓度为5×1015 cm-3时，其有效折射率变化只有0.86×10-5左右，实现Vπ所需的单臂调制臂长需4.51 cm，损耗约为1.36 dB/cm。当改变该调制器结构参数后，其上升时间和下降时间会产生明显变化。