本文基于Peregrine孤子, 数值研究掺铒光纤环形腔中呼吸脉冲的产生及其演化特性。Peregrine孤子是一个具有时空局域性的高峰值单脉冲。由于背景波与孤子的相互作用, Peregrine 孤子在单模光纤中传输发生分裂。为了产生长距离传输的高峰值脉冲, 就需要消除背景波。本文采用掺铒光纤环形腔的方案来消除背景波的影响。掺铒光纤环形腔由单模光纤, 掺铒光纤和光纤耦合器组成。通过控制环内单模光纤和掺铒光纤长度, 使腔内色散达到近零色散, 实现色散管理。研究表明, 由于呼吸脉冲的峰值强度与Peregrine孤子的初始输入有关。为了获得高峰值的呼吸脉冲, 选取Peregrine 孤子在最大激发位置处的脉冲作为光纤环的初始输入。在光纤环的作用下, Peregrine孤子在近零色散环形腔中可以产生长距离传输的高峰值呼吸脉冲, 而背景波逐渐演化成小的旁瓣脉冲。另外, 高峰值呼吸脉冲的传输特性与色散、非线性和小信号增益有关。净腔色散在［-0.001?0,0.003?7］ ps2范围之内, 可以产生长距离传输的高峰值呼吸脉冲。随着非线性系数的增加, 呼吸脉冲的峰值强度增加, 峰值振荡频率加快, 振荡幅度也增加。当非线性系数增加到一定程度, 局域呼吸脉冲逐渐形成。而小信号增益越大, 呼吸脉冲的峰值强度越高, 但振荡幅度和振荡频率影响较小。

提出了一种基于光纤激光环形腔实现高频微弱振动信号检测的全光纤振动检测系统。将保偏光纤通过熔融拉锥技术拉锥形成具有多通道梳状滤波特性的微光纤马赫-曾德尔干涉仪(MMZI), 通过和光纤激光环形腔系统结合, 在200~20000Hz的范围内实现了对声源振动信号的动态响应, 噪声极限最小检测压力为6.44mPa·Hz-1/2。相对比于未接入光纤激光系统的声音频率响应范围为200~4000Hz, 灵敏度为29.36mV·Pa-1, 接入激光系统后声音频率响应范围扩大了近5倍, 灵敏度提高了6倍, 为宽频带声音检测系统以及微小光信号检测技术提供了一种行之有效的方法。

针对传统单光路检测型光纤电流传感器电流灵敏度低的缺点,提出一种新颖的环形结构单光路检测型光纤电流传感器。该光纤电流传感器利用单偏振单模耦合器构建光纤环形腔结构,取代了传统单光路检测型光纤电流传感器中的起偏器和检偏器。这一设计不仅保留了单光路检测型光纤电流传感器所具有的结构简单、成本低廉等优点,还具备环形腔结构光纤电流传感器可实现传感信息的多次循环放大的特点,提高了系统的电流灵敏度。理论分析与实验表明,这种光纤电流传感器的电流灵敏度可随循环次数K的增加而增加,设计具备可行性。

为了提高浓度和温度测量的灵敏度和稳定性, 采用时域分析法监测光纤系统中的光损耗, 研制了基于光纤环形腔衰荡光谱的传感系统。基于该系统对浓度和温度进行传感测量实验, 分析了错位传感结构的参量选择, 并研究了空载时腔内信号放大对脉冲强度和脉冲数量的影响。结果表明, 当干涉长度L和错位量D分别为4cm和3.75μm时, 干涉效果最优; 脉冲强度是无腔内放大时的4倍且脉冲数量更多; 当蔗糖和葡萄糖溶液浓度为0.100g/mL~0.400g/mL时, 浓度灵敏度为756.51μs/(g/mL)和909.07μs/(g/mL), 检测限为0.0014g/mL; 当温度为30℃~200℃时, 温度灵敏度为1.83μs/℃。该系统的设计和研究为浓度和温度的传感应用提供了有价值的指导。

为实现输电线路上的多点电流监测,利用通信用普通单模光纤, 设计基于时分复用的多点式光纤环形腔结构电流传感器.多路传感系统共用一套光源、检测设备和数字信号处理系统, 在节约成本的同时,提高了利用率.实验中选用双路全光纤电流传感器结构, 在两个不同的点同时测量电流, 其中一测量点对0~600 A范围内的电流进行测量, 另一测量点对0~1 500 A范围内的电流进行测量.对实验数据进行线性拟合, 结果表明: 循环次数取8比较合适, 此时系统具有比取2时高约3~4倍的灵敏度; 两个测量点光信号的偏振态与电流之间有良好的线性关系, 两个传感单元的灵敏度不同, 而且相互之间没有串扰是各自独立的传感系统.

微纳光纤环形腔作为传感器件, 具有灵敏度高、 响应快的优点, 因而越来越广泛地应用在传感领域。 环形腔的谐振光谱直接反映外界环境的变化, 因此谐振光谱分析对探测环境参数至关重要。 从理论和实验研究了微纳光纤环形腔谐振光谱与海水温度的关系。 首先, 数值计算了基模（HE11）两个垂直偏振态的传播常数随光纤直径和探测波长的变化关系, 计算结果表明传播常数随光纤直径增大而增大, 随波长增大而减小, 同时计算了传播常数随海水温度的变化, 海水温度越高, 传播常数越大, 表明海水温度的变化会影响到模式的传播常数, 因而可以通过测量谐振光谱的变化得知海水温度的变化。 其次, 搭建了海水温度传感实验系统, 获得了微纳光纤环形腔海水温度的谐振光谱, 实验发现同时存在两套谐振峰, 分别对应基模的TE模和TM模, 两个偏振模式的传感灵敏度分别为5.54和5.24 pm·℃-1。 最后, 探讨了基模两个偏振态谐振光谱的产生原因, 由于结型耦合区的扭曲耦合使得两个偏振态分离, 并对两个偏振模式的谐振强度进行了分析。 两个模式的谐振强度不同, 而且随着波长的增加, 一个模的谐振强度不断增强, 另一个模的谐振强度逐渐减弱。 这是由于不同耦合态的耦合系数和衰减决定的, 而且他们随着波长而改变。 实验结果与理论计算相吻合。

基于非线性光纤环形腔镜(NOLM)及光子晶体光纤(PCF)的自相位调制效应(SPM)，实现了一种适用于光子神经元的全光阈值器。所使用的PCF 非线性系数为16.98 (W·km)-1，同时在NOLM 中引入可调隔离器。PCF 及可调隔离器的使用，缩短了NOLM 的腔长，同时降低了阈值器对输入光功率的要求。该全光阈值器对光信号的消光比可提高6 dB 以上。由于全光阈值器中所有的组成器件均为无源光器件，因此能够处理高速率光信号。该全光阈值器在其他光通信系统中也具有广阔的应用前景。

提出了一种基于压电陶瓷闭环控制的线性可调谐环形腔光纤激光器。光纤激光器环形腔结构中光纤光栅固定在压电陶瓷上，通过控制压电陶瓷改变光纤光栅波长，从而改变环形腔光纤激光器的波长，构成基于压电陶瓷的可调谐环形腔光纤激光器。应变传感器贴附在压电陶瓷上，实时监测压电陶瓷的步长变化，通过惠斯顿桥式电路反馈给驱动控制系统，并补偿和修正压电陶瓷固有的磁滞和蠕变特性，形成压电陶瓷闭环控制系统。实验结果表明基于压电陶瓷闭环控制的可调谐环形腔光纤激光器调谐线性度好，波长调谐范围可达0.9 nm，线宽为4 kHz，波长稳定性为±0.01 nm，功率稳定性为±0.3 dB。

海洋溢油的油种鉴别是海洋环境监测的难点，如何区分不同油种是迫切需要解决的问题。研制了一种用于鉴别海洋溢油油种的新型微纳光纤环形腔(MRR)传感器，分别从理论和实验研究了海水和汽油的谐振光谱特性。根据Maxwell方程，数值计算了微纳光纤环形腔鉴别海水和汽油的灵敏度和自由谱域。研制了Knot型微纳光纤环形腔传感器，其微纳光纤直径为4.14 μm，谐振腔直径为480.31 μm，搭建了测量海水和汽油的实验系统，分别获得了海水与93号汽油的谐振光谱，谐振峰波长移动了2.79 nm，该结果与理论计算基本相同，灵敏度达到了34.86 nm/RIU，RIU为单位折射率。因此，该方法能够区分海水与汽油。

提出了一种利用布里渊光纤环形腔移频技术实现分布式光纤布里渊传感的方法.该方法基于布里渊光时域分析法原理，将一束单纵模运转激光器输出的激光分为两束;一束光入射布里渊光纤环形腔中产生窄线宽的受激布里渊散射光作为斯托克斯光，另一束光经过低频相位调制后作为泵浦光;斯托克斯光和泵浦光分别相向入射进入传感光纤，通过测量布里渊谱得到光纤温度或应变.利用该方法可将十几GHz的微波频率转化为兆赫信号频率进行探测处理，仅需一台激光器，因此系统结构简单、成本低，还可减小激光器频率波动对测量准确度的影响.实验验证了该方法的可行性.