基于光纤后向散射的光纤传感技术具有全分布、长距离等特点，在诸多领域受到广泛关注，被认为是一种变革性技术。散射光随着传输距离增加逐渐减弱，信噪比降低导致感知性能下降，成为限制其在长距离应用的主要因素。通过光纤掺杂、写入弱光栅等方式增加光纤散射强度可以有效缓解该问题。然而对于数千米的超长距应用，散射增加意味光纤损耗的增强，通过增加散射来提升信噪比的方法失效。本课题组提出一种增加光纤后向散射强度但不增加光纤本征损耗的散射收集能力增强光纤。本文分别从增强光纤散射能力和增强后向收集能力两个方向总结了散射增强光纤的几种方法，论述了各种方法的优缺点，并进行了简要展望。

采用全矢量有限元法设计了一种大模场双包层微结构光纤及锥形波导结构。采用复丝拉制方法制备了成分为45Bi2O3-29GeO2-15Ga2O3-10Na2O-1CeO2的大模场双包层微结构光纤, 纤芯直径为70 μm, 内包层的占空比为0.25, 模场面积约为3 014.8 μm2。采用熔融拉锥技术制备了纤芯直径为17.5 μm、有效模场面积为206.47 μm2的锥形光纤。在980 nm泵浦下研究了微结构光纤及其锥体的激光特性。结果表明, 拉锥后微结构光纤的激发光谱中心波长由1 550.2 nm向短波漂移至1 546.9 nm, 而输出激光光束质量因子M2由3.45±0.03显著减少至1.16±0.01。拉锥前后的斜率效率分别达到10.29 %和9.70 %。研究结果表明, 拉锥可有效改善大模场双包层有序微结构光纤的激光输出模式, 拉锥后的激光输出具有良好的单模特性。该项技术研究结果为大模场、高功率的激光光纤材料制备提供了新的技术途径。

提出了一种双芯太赫兹光纤定向耦合器,两介质圆柱分别悬挂于两环形介质层的内部,形成光纤的两个纤芯,通过调节结构参数可使两偏振模耦合长度相等,从而实现了耦合长度与偏振无关的特性。耦合器件长度可为光纤模式耦合长度的1/2,器件长度较短,这降低了模式传输损耗。采用有限元法对耦合器进行了数值分析研究,结果表明:耦合器的长度为0.535 cm,x和y偏振模的传输损耗分别为0.23 dB和0.19 dB;在保证两偏振模的耦合长度差小于1%的前提下,其带宽可达到220 GHz。

设计了一种基于36Bi₂O₃-30GeO₂-15Ga₂O₃-10BaF₂-9Na₂O玻璃的可在~3 μm波段同时实现高双折射和大负色散的微结构光纤,该光纤结构包括空气孔呈矩形排列的内包层和空气孔呈正六边形排列的外包层。运用全矢量有限元法结合完美匹配层边界条件,从理论上研究了光纤波导结构参数对光纤双折射特性和色散特性的影响。结果显示:在波长2740 nm处,当微结构光纤的结构参数为外包层孔间距Λ_out=1.5 μm,外包层占空比d_out/Λ_out=0.68,内包层占空比d_in/Λ_in=0.86,Λ_out/Λ_in=3时,光纤基模的双折射值达到0.0296,x方向偏振基模的色散系数可达-3204.75 ps·nm ^-1·km ^-1。结果表明,所设计光纤对~3 μm波段光纤激光器的色散与双折射调控或光纤传感领域扩展具有一定的指导意义。

硫系微结构光纤结合了红外硫系玻璃和微结构光纤的优点，在红外指纹区内分子结构鉴别、痕量气体检测、深空探测、红外激光传输等领域具有重大应用价值.本文从结构分类、应用特点和制备技术三方面，对目前红外硫系微结构光纤的研究进展进行了逐一介绍，并对硫系微结构光纤的未来发展进行了展望.

提出一种具有阶跃纤芯和微结构内包层的大模场面积光纤，通过在光纤中引入阶跃纤芯及高折射率棒环形排布的微结构内包层，有效解决传统结构中大模场面积与单模运转的矛盾制约，突破了由弯曲导致光纤弯曲损耗高和弯曲方向角敏感等问题。应用全矢量有限元法结合完美匹配层对光纤特性进行了优化。研究结果表明，在工作波长为2 μm、弯曲半径为10 cm时，可以获得高达1 412 μm2的模场面积，高阶模与基模损耗比达到767，且对弯曲方向角不敏感。所提出的光纤结构具有大模场面积、优异的单模特性、低的弯曲损耗以及弯曲方向不敏感等显著优势,对推进高功率小型化光纤激光器的发展具有重要意义。

提出了一种全固态双层芯结构色散补偿微结构光纤。该光纤以纯石英材料为基底,通过引入一种掺锗高折射率石英柱和两种掺氟/硼的低折射率石英柱,对端面折射率分布进行调节,以形成双芯结构。在对此光纤模式演化及耦合特性理论分析的基础上,利用多极法对其模式耦合位置与强度随光纤结构参数变化的关系进行了分析,对色散特性与光纤结构参数之间的变化关系进行了研究。通过优化光纤结构参数,设计出两种光纤:光纤1在1550 nm处色散值达-8465 ps/(nm·km),与SMF-28单模光纤熔接损耗仅为1.89 dB,可对长度为其500倍的SMF-28单模光纤的色散值进行补偿;光纤2与SMF-28单模光纤的熔接损耗仅为1.41 dB,可对长度为其15.5倍的SMF-28单模光纤在C波段的色散值进行补偿,最大残余色散绝对值仅为1.38 ps/nm。与石英-空气孔微结构光纤相比,所提出的全固态色散补偿微结构光纤易制备且易与传统通信光纤熔接。

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。

研究了轨道角动量(OAM)模式在柚子型微结构光纤(MOF)中的传输。光纤纤芯周围存在一层直径为3 μm的柚子型空气孔, 由于空气孔与光纤纤芯之间存在较大的折射率差, 传输的光被局限在纤芯中, 从而形成稳定的传输模式。通过有限元法对光纤中的矢量本征模式进行模拟, 得到了模式的有效折射率和模场分布。结果表明, MOF在630 nm波长附近可支持10个OAM模式传输, 各模式间的有效折射率差达到0.01以上,较大的有效折射率差可抑制光纤中各模式间的相互耦合, 从而提高OAM模式在光纤中的传输性能。实验中利用特殊设计的光学旋涡达曼光栅对在光纤中传输1 m的OAM1,1和OAM-1,1模式进行解调。

对飞秒脉冲泵浦下, 不同锥长及锥腰直径的微结构光纤的超连续谱产生进行了实验研究。 采用“快速低温拉锥方法”, 在保持d/Λ不变的情况下, 对实验室自制的空气孔间距Λ=6.53 μm, 归一化孔径d/Λ=0.79的微结构光纤进行了拉锥, 分别得到6, 8, 10 mm等不同锥长微结构光纤。 理论计算表明, 随着锥长变长, 锥腰直径变小, 锥腰处零色散波长向短波移动: 未拉锥及6, 8和10 mm锥微结构光纤锥腰处零色散波长分别为1 129, 885, 806和637 nm。 利用中心波长为810 nm, 重复频率76 MHz, 脉宽120 fs的钛蓝宝石飞秒激光器对拉锥后微结构光纤进行了实验研究: 锥长为6 mm时, 泵浦光中心波长位于整根光纤的正常色散区, 锥腰的零色散点附近, 内脉冲拉曼散射和级联四波混频是光谱初始展宽的主要因素。 泵浦功率达到450 mW时, 在可见波段390～461 nm及红外波段1 134～1 512 nm形成-5 dB的平坦宽带连续光谱。 泵浦功率达到500 mW时, 出现366～2 450 nm覆盖紫外、 可见、 近红外、 中红外的超连续谱, 其光谱红蓝移边缘已经接近实验用微结构光纤的传输带宽。 锥长为8 mm、 泵浦功率为450 mW时, 在群速度匹配和群加速度失配的共同影响下, 连续谱蓝移边缘达到366 nm, 比6 mm锥时蓝移9 nm; 锥长为10 mm时, 由于锥腰处零色散点移动到可见光区域, 可见区光谱仍能满足相位匹配条件。 通过级联四波混频效应, 在可见区域实现了频率上转换及光谱蓝移。 泵浦光功率达到500 mW时, 在382～412 nm得到谱宽仅为30 nm, 转换效率达到27.7%的频率上转换。