基于光纤中的瑞利、布里渊、拉曼等散射效应以及弱反射阵列的分布式光纤传感（DOFS）能够对光纤损耗、温度、应变、振动、声音等多种参量实现长距离、高空间分辨率的实时监测，受到了越来越多的关注，具有非常广阔的应用。在DOFS中使用编码脉冲序列增加DOFS的信号能量，是提高传感性能的一个重要技术途径。因此，编码技术的应用一直是DOFS研究的一个重要领域。综述了DOFS中编码技术的研究进展，阐述了编码技术提高传感性能的技术原理，归纳了不同编码方案的设计和实现方法，分析了不同类型DOFS的技术特征及其相应的编码技术应用方法。最后，对DOFS中的编码技术的发展进行了展望。

受光纤中声学声子10 ns的寿命的影响，传统布里渊光时域分析（BOTDA）传感器往往不能做到1 m以内的空间分辨率。利用差分脉冲对（DPP）技术可以突破该限制，实现更高的空间分辨率。但是传统的DPP技术存在测量时间长、差分信号间同步难度高和信噪比低等问题。本文提出一种基于布里渊增益-损耗效应的编码DPP-BOTDA系统，通过将处于斯托克斯频率和反斯托克斯频率的泵浦脉冲光同步注入光纤，利用散射光的布里渊增益-损耗效应在光路上差分，解决了信号间的同步问题，并且测量时间只需要传统DPP技术的一半。还分析了传感系统中掺铒光纤放大器增益特性对脉冲序列解码结果的影响，对增益不均匀条件下的编码增益进行了理论计算。实验结果表明，该系统可以实现50 cm的空间分辨率，与传统的单脉冲DPP-BOTDA系统相比，信噪比提高了3 dB。

半导体光放大器（SOA）能稳定产生高消光比的窄脉冲光，在光纤传感领域得到了广泛应用，但目前大多方案仅采用单向调制的SOA产生脉冲光。为了进一步提高脉冲光的消光比，基于SOA能双向工作的特点提出了一种双向窄脉冲光调制的SOA系统。使用光纤反射镜对SOA单向调制输出的脉冲光进行反射，使反射光重新返回到SOA进行第二次脉冲光调制。实验结果表明：相比单向调制，在低输入功率下，双向调制最大可获得6.18 dB的额外增益；对于输入峰值功率为6 dBm的脉冲光，双向吸收能使泄漏光强度进一步减弱30 dB以上，整体吸收率达到72 dB以上。

粒子群优化算法具有良好的全局寻优能力，但也存在容易陷入局部极值、后期收敛速度慢、收敛精度低等问题。为此，首先优化了传统粒子群算法，将其简化并引入随机扰动，赋予粒子跳出局部极值的能力，提高算法的全局寻优性能。然后结合贪心算法并引入梯度下降法作为算法自动切换的判据，从而构造一种针对光子器件逆向设计的混合算法。相较于传统粒子群算法，该混合算法具有更优的全局寻优能力，并且提高了收敛速度和收敛精度，具备更高的设计效率。利用该混合算法逆向设计了一种1∶1分光器，在120 nm带宽内，输出端插入损耗介于0.125 dB ~0.197 dB，并具有可制造的鲁棒性。

信道线性及非线性失真会降低基于四电平脉冲幅度调制（PAM4）的短距离光互联系统的性能，利用PAM4发射芯片对信号进行预补偿能缓解信道失真带来的影响。因此，研究了一种适用于短距离光互联的PAM4发射芯片架构。该架构基于查找表（LUT）均衡器和源串联终端数模转换器灵活补偿光信道失真，利用流水线结构的选择器进行高速LUT读取；同时，采用电阻反馈的预驱动电路减少高速数模转换器信号输出时的码间干扰。后仿真结果表明，55 nm工艺制程PAM4发射芯片的速率可达到40 Gbit/s，能实现灵活配置的均衡模式，满足下一代数据中心、接入等光互联网络的需求。

为了降低布里渊频谱展宽造成的拟合误差,提出采用双边带连续光作为探测信号,并利用干涉谱进行传感。与传统的布里渊增益谱相比,所得频谱在共振频谱附近具有更窄的线宽,预泵浦温度传感中双峰拟合的误差减小,系统的频率分辨率得到了提高,从而实现高空间分辨率和高频率分辨率的基于双边带干涉的预泵浦布里渊光时域分析（BOTDA）系统。实验结果表明,利用所提方法在100 m保偏光纤上可以实现50 cm的空间分辨率和0.37 MHz的频率分辨率。与传统的单边带预泵浦系统相比,相同空间分辨率下所提系统的频率分辨率提高2倍。

利用微纳光纤的倏逝场效应,提出一种布里渊折射率传感器。利用混合声波模式激发的多峰布里渊频谱结构,实现了液体的折射率传感测量。实验结果发现,在氯化钠溶液中,长2 μm的微纳光纤在10.4 GHz左右的布里渊信号峰具有较好的信噪比,且该布里渊信号峰频移在一定范围内随液体折射率呈线性变化,在折射率范围为1.3333~1.3612时折射率传感灵敏度为369.6 MHz/RIU(RIU为折射率单元)。该技术为折射率传感提供了新的思路和方案。

设计并搭建了一种基于相干检测和瑞利散射的光源频率稳定性测量系统,以实现对光源微秒量级瞬时微小频偏的测量。基于该测量系统对布里渊分布式传感系统中光源频率波动所导致的性能劣化进行了研究。研究表明频率波动较大的激光源会造成测量得到的布里渊增益谱展宽,并逐渐偏离洛伦兹谱型,导致布里渊频率测量的误差较大,最终将传感距离限制在15 km之内。而频率波动较小的激光源可以使系统的传感距离达到50 km。

基于宽带接收的快速布里渊光时域反射技术,通过结合分布式拉曼放大来实现长距离分布式布里渊传感。研究了拉曼放大前后系统的性能差别以及非线性现象,并探究拉曼抽运功率与脉冲功率的最佳组合方式。最终通过实验实现了空间分辨率为50 m、传感距离为100 km左右的快速温度传感,其中,在50 km处获得1.2 ℃的温度测量精度。系统传感距离较无拉曼放大时提高了约50 km,并且能够在10 s左右快速完成一次测量。