针对基于传统马赫-曾德尔干涉仪的差分相移键控（DPSK）解调系统对光源相干性的要求高、臂长差和码速失配容忍度低、容易受到振动和温度的影响等问题，提出了一种基于新型马赫-曾德尔干涉结构的DPSK解调系统，采用光信号两次经过马赫-曾德尔干涉结构、参考臂和干涉臂之间相对延时1 bit干涉的方式实现了DPSK信号的解调。通过仿真和实验相结合的方法验证了新型解调系统的原理正确性及其性能。在系统Q值大于7的情况下，新型解调系统臂长差和调制码速率之间的失配因子容忍区间达到了0.25~1.73，其中Q值下降小于3 dB 的区间达到了0.79~1.09。最后通过DPSK调制与解调实验以及温度稳定性验证实验证明了：在采用宽带光源（臂长差大于光源相干长度）的条件下，新型解调系统能够实现DPSK信号解调，降低了对光源相干性的要求，并且在0~70 ℃的环境中系统Q值在10以上，证明了系统具有较好的温度稳定性。

为了解决单一金属膜结构的光纤表面等离子体共振（SPR）盐度传感器结构不稳定且灵敏度较低的问题，设计了一种高灵敏度的锥形三芯光纤结构的SPR盐度传感器。以银膜为激发表面等离子体共振的金属层，在其表面涂覆高纯铟以增强其稳定性。通过Kretschmann四层结构模型对传感器进行理论分析，结果表明，在光纤锥区纤芯模和包层模之间会出现强烈的模式耦合，在覆膜区会激发明显的等离子体共振。对涂覆银膜和高纯铟膜的SPR传感器进行折射率性能测试，在1.4%~3.6%的盐度变化范围内，涂覆银膜和高纯铟膜的SPR传感器灵敏度高达4989.34 nm/RIU，对应的盐度灵敏度为9.1 nm/%，比仅涂覆银膜的SPR传感器灵敏度提高了44%。

提出了一种基于新型相位调制器中置结构的光纤陀螺设计方案,通过新型相位调制器的空间非互易结构,不但从根本上克服了传统光纤陀螺调制频率受限于本征频率的缺点,还可对背向散射噪声和偏振耦合噪声起到抑制作用。理论分析和实验结果表明,该结构可以将背向散射光波引入的相位控制在10 ^-5量级,而且对偏振耦合噪声的抑制达到了5×10 ^-8 (°)/Hz ^1/2;此外,这种中置结构还可以改善陀螺仪的零偏稳定性,其零偏稳定性从0.11878 (°)/h提升至0.09110 (°)/h。本方案克服了当前光纤陀螺仪受本征频率影响的技术难题,为抑制噪声、提高精度提供了一种新的思路。

基于反射式电光相位调制原理与偏振器、法拉第旋光器结合, 提出了一种用于光纤环形干涉仪的非互易相位调制方案。其结构利用铌酸锂晶体不同切向电光特性, 构成环形干涉仪上顺逆两束可调相位干涉信号, 特别是引入信号能量损耗较小的全反射棱镜, 实现非互易相位调制, 有效降低了相位调制器半波电压。实验测得反射(调制两次)结构相位调制半波电压比透射(调制一次)下降一半, 并用于光纤环形干涉仪调试, 获得检测信号与调制信号相位线性相关, 为下一步原理样机的研制提供可行性参考。

基于模式干涉理论和布拉格光纤光栅的传感特性, 提出了一种单模-少模光纤布拉格光栅(FBG)-单模结构的组合传感器。 利用光纤熔接机将一定长度的少模光纤(FMF)熔接在两段单模光纤(SMF)中间构成SFS结构干涉仪, 再在FMF上刻制FBG, 通过光谱仪得到模式干涉与耦合共同作用后的传输光谱。 首先分析了组合传感器的传感原理, 由于外界环境的改变会引起FMF中纤芯模式有效折射率的改变, 从而导致SFS结构的干涉光谱和FBG的波长发生移动, 因此可以通过检测组合传感器传输光谱的波长漂移量, 实现对待测参数的测量。 然后仿真了FMF长度对干涉光谱的影响, FMF越长, 干涉光谱越明显, 自由光谱范围FSR越小, 为了便于观测组合传感器的整体光谱, 最终选择长度为110 mm的FMF进行传感实验。 实验所用FMF可稳定传输LP01, LP11, LP21和LP02四种模式, 通过对比分析不同模式间的干涉和耦合, 确定此组合传感器的干涉光谱是由LP01-LP11干涉形成, FBG透射谱是由LP02-LP02, LP11-LP11, LP01-LP02和LP01-LP01耦合形成。 最后进行温度和折射率的传感实验, 结果表明, 随着外界温度的升高, SFS结构的干涉光谱发生明显的蓝移, 而FBG透射谱发生红移, 其温度灵敏度分别为-62.04和10.87 pm·℃-1, 线性度良好; 将FMF包层直径腐蚀至22 μm, 在1.366~1.455的折射率变化范围内, 组合传感器的传输光谱并未发生明显的移动, 灵敏度最大仅为3.933 nm·RIU-1。 该传感器利用干涉峰和谐振峰同时监测外界的变化, 提高了检测准确度, 减小测量过程中出现的偶然误差, 结构简单新颖、 灵敏度高、 易于制备, 且FBG的4个谐振峰具有很强的传感一致性, 使得传感变得更加灵活方便。

设计了一种分离型光纤传感增敏结构,并联连接两个腔长相近的法布里-珀罗(F-P)腔。理论分析了此结构的增敏原理并制备了两组增敏结构。实验结果表明,增敏结构的压强灵敏度值由单F-P结构的4.85 nm/MPa提高到43.95 nm/MPa,温度灵敏度由单F-P腔的0.0675 nm/℃提高至0.40364 nm/℃,在相同温度下采用双腔结构可消除温度交叉敏感对测量结果的影响。此结构克服了集成式增敏结构的缺陷,在不影响原传感器结构的情况下提高了灵敏度,且可通过更换辅助腔来调节灵敏度,具有移植性好和交叉敏感小等优势。

基于1/4波片相位延迟功能,结合起偏器与法拉第旋光器,提出了一种集起偏与相位偏置功能于一体的用于Sagnac环路中的非互易相位调制器设计方案。所提结构从根本上消除了延迟线圈对系统灵敏度的影响,降低了系统复杂度,减小了体积。实验测得该相位调制器的相对插入损耗为3.6 dB,相位偏置角度为89.9605°,实验结果能够很好地与理论分析结果吻合。提出了变比误差自补偿技术,分析得到:当温度在-40~40 ℃范围内变化时,不同制作工艺下系统的最低变比误差不超过±0.02%。

针对长周期光纤光栅用作折射率传感器时对低浓度溶液不敏感的问题,提出了一种纳米膜修饰的光栅生物传感器,实现了抗原生物分子的低浓度测量。实验结果表明,经薄膜修饰后的光栅传感器,对低浓度的抗原溶液探测的灵敏度有了显著提高。当羊抗兔IgG浓度(质量浓度)为固定值0.01 mg·mL ^-1时,随着兔IgG浓度的增加,覆膜长周期光纤光栅峰值损耗响应明显。实验测得周期为445,460,500 μm的生物传感器对应的浓度灵敏度分别为2101.5,1306.5,575.9 dB·mg ^-1·mL。待测抗原浓度仅与光栅峰值损耗有关,实验测得兔IgG最小浓度为0.0003125 mg·mL ^-1。该传感器灵敏度高、无需标记、稳定性强,且结构简单不易受电磁干扰,在生物传感领域拥有广阔的应用前景。

基于表面等离子共振效应, 提出了三种不同非对称因素引入的金镀膜偏振相关滤波光子晶体光纤, 利用全矢量有限元法研究了光子晶体光纤偏振相关滤波传输特性.当非对称纤芯模单独作用时, 波长1.55 μm处x与y偏振方向纤芯模损耗分别为5.58 dB/cm和461.58 dB/cm, 两偏振方向损耗比为83; 当非对称金属表面等离子模单独作用, 且镀膜厚度为55 nm时, 其谐振波长1.31 μm处x与y偏振方向纤芯模损耗分别为2.02 dB/cm和412.91 dB/cm, 两偏振方向损耗比高达204, 镀膜厚度19.5 nm时其谐振波长1.55 μm处x与y偏振方向纤芯模损耗分别为5.29 dB/cm和536.25 dB/cm, 两偏振方向损耗比为101; 当纤芯模和表面等离子模同时引入非对称因素时, 通信波长1.55 μm处y偏振纤芯模谐振强度高达802.08 dB/cm, 而x偏振纤芯模损耗仅为5.57 dB/cm, 两偏振方向损耗比为144.数值比较可知, 在金属表面等离子模中或两种模式同时引入非对称因素, 可获得两偏振方向偏振损耗比更高的强偏振相关滤波传输特性的光子晶体光纤, 该研究对光子晶体光纤偏振相关滤波器及相关偏振器件的设计与应用具有一定参考意义.

设计了一套带状光纤阵列光栅的刻写系统，仅利用单一相位模板，就能实现单层带纤上8 个不同谐振波长阵列光栅的刻写。借助图像处理的手段，采集刻栅过程中光纤位移的动态图像，以图像中对应像素点的移动情况为检测对象，对光纤滑动现象进行分析，从而掌握光纤滑动规律。为抵抗光纤滑动的影响，自行设计了专用带纤夹具，并对夹持面的材料和结构进行多次改进，实验结果表明，宏弯结构夹持面既能夹持和固定带纤，又能保证带纤涂覆层完整。本研究实现了3 dB 带宽0.2 nm、波长间隔0.5 nm、波长偏差小于±0.05 nm、反射率达80%以上的阵列布拉格光纤光栅的刻写。