当前, 光电子器件正朝着微型化和集成化方向发展, 而传统的光电子器件通常基于硅晶片技术或者波导技术, 这就使得芯片需要通过波导模式转换器才能与光纤尾纤进行耦合，因此发展与光纤系统兼容的光电子器件具有重要的现实意义。“光纤实验室” 技术的发展，推动了低维材料与光纤的结合, 促进了光子芯片在光纤上的集成与发展, 有助于开发新一代小型化、集成化、轻量级、低成本、多功能的全光纤光子集成平台。根据光与物质相互作用方式的不同, 光纤集成光电探测器可分为沿波导方向集成和光纤端面集成两种类型。本综述主要回顾了近年来这两类光纤集成光电探测器的制备方法和研究进展, 并对利用光纤作为光电子器件的集成平台的未来发展进行了展望。

石英增强光声光谱(QEPAS)技术是近年来发展迅速的一种气体检测技术,具有灵敏度高、设备体积小、对环境噪声免疫等优点。本课题组设计了一种光纤耦合的全固态中红外QEPAS光声探测模块,并基于气体热动力学和一维声学谐振腔理论,利用COMSOL软件对探测模块的声压分布及声压级进行了研究;然后设计并加工了光机电一体化探测模块,将声学谐振腔、光声池、光纤模块和前置放大模块集成一体,使该模块具有易于准直、稳定性高、抗干扰能力强等特点。采用中心波长为2 μm的高功率中红外分布反馈式激光器,结合波长调制技术,对CO₂进行了探测,结果表明,在1 s的积分时间下获得了3.7×10 ^-5的探测极限。通过Allan方差分析发现,积分时间为1123 s时,系统的探测极限可以达到1.34×10 ^-6。采用基于该模块的QEPAS系统可以实现对室内CO₂浓度的实时监测。

为了实现可见光通信系统的探测器模块微小型化, 设计并制作了一款50 cm3的温控APD探测器模块, 并对模块的稳定性、温控效果和噪声特性进行了检测。结果表明, APD探测器模块的光电流测量平均相对偏差为0.795%; APD探测器的雪崩增益和响应度随着温度的降低而提高; APD探测器电阻的变化影响负载电阻分压, 使得过剩噪声因子的测量值远大于真实值, 且会随着入射光功率的增大而增大。可以得出结论: 提高反向偏置电压与降低温控温度相配合, 更有利于弱光信号检测; 检测电路中的负载电阻影响APD探测器噪声特性。

基于荧光淬灭原理的光纤氧传感器一直是许多研究工作的重点。介绍了一种制作简单、成本低的光纤氧传感器制造方法。该方法基于荧光淬灭原理，在光纤末端涂覆荧光材料铂八乙基卟啉（PtOEP）实现的。传感器中荧光材料被395nm的紫光激发，并由Y形光纤引导，使用广州犀谱光电USB2000+光谱仪记录荧光的发光强度时序图。最后得到的PtOEP的（I0/I100）-1的值为0.78，即光纤氧传感器的灵敏度为0.78，而且，斯特恩-沃尔默（Stern-Volmer）图显示出很好的线性特性。从氧气到空气环境的响应时间为24 s，从空气环境到氧气的响应时间是5 s。结果表明，基于荧光淬灭原理的光纤氧传感器具有较高的灵敏度和更快的响应时间。

针对单幅图像进行了无透镜显微成像的重构算法研究，介绍了无透镜显微成像系统实验装置和ASM（angle spectrum method）、改编后的L-R（Lucy-Richardson）两种重构算法。对比两种算法重构后的USAF分辨率板图像的分辨率，利用瑞利判据得出ASM获得的振幅图分辨率最高（即3.10 μm），且计算用时最少（即0.9 s），证明了ASM为最佳的单幅无透镜显微重构算法。其次，利用无透镜显微成像系统结合ASM重构的方法，进行细胞成像实验。该无透镜成像视场为5×显微镜的4.4倍，且分辨率介于5×及10×光学显微镜之间，统计学优势明显，在生物医学领域具有广阔的应用前景。

本文使用火焰熔融拉锥的方法，通过控制火焰的高度及拉锥速度，成功制备了具有微拱型渐变区的新型微纳光纤器件。理论计算表明，微拱型渐变区有利于激发出强度相当的高阶微纳光纤传输模式，从而增加了传输光谱中由模间干涉导致的透射谷的深度。实验表明，该新型微纳光纤器件透射谷深度达到18 dB，当轴向应变量增加时，透射谷向短波长方向移动，轴向应变灵敏度为-13.1 pm/με，比光纤光栅应变传感器提高一个数量级，是传统直线型微纳光纤灵敏度的3倍，线性度为99.15%。这种具有微拱型渐变区的微纳光纤器件具有灵敏度高、机械性能好以及便于与现有光纤系统集成等优点。并且结构简单，易于制备，可广泛应用于各种物理、化学和生物传感和探测领域。

为了实现在侧边抛磨光纤(SPF)上制作布拉格光栅结构并提高器件设计灵活性, 利用重铬酸盐明胶(DCG)作为光刻材料, 提出一种新型的光纤表面布拉格光栅制作方法并对该器件温度传感特性进行研究。使用轮式抛磨系统制作SPF,并在SPF侧抛面上旋涂DCG,通过干涉光束曝光显影制作表面布拉格光栅。光谱测量表明: 带有布拉格光栅的侧边抛磨光纤在1 480.2 nm处有透射谷, 在相应位置反射谱有明显反射峰, 其调制幅度达到15.9 dB, 这是由于表面光栅的布拉格反射所致。温度传感实验表明, 该布拉格反射峰的温度灵敏度为17.84 pm/℃。这种器件已在光纤传感和光纤滤波器等方面获得应用。

测量侧边抛磨光纤(side-polished fiber, SPF)的包层剩余厚度对其应用有重要的指导意义, 现今的测量方法均有所不足, 现提出一种基于数字全息技术的测量方法。利用单模光纤纤芯折射率比包层折射率高的特点, 基于数字全息成像技术, 通过角谱传播法对二维全息图进行相位重构, 并通过精确最小二乘法解相位包裹, 得到侧边抛磨光纤的相位分布图。根据重构的相位分布图, 进一步运用相关的边缘提取算法处理得到侧边抛磨光纤包层剩余厚度。实验测量结果与电子扫描电镜(SEM)测量结果相比, 测量相对误差小于0.5%。这种测量方法是一种直接测量方法, 减小了间接测量法中由于光纤不对称以及SPF轮廓边缘衍射所带来的测量误差, 为侧边抛磨光纤包层剩余厚度的无损、在线测量提供了一种新的途径。同时, 此方法还可应用于测量其他特种光纤, 例如光子晶体光纤、微纳光纤等。

光纤表面等离子体共振传感器具有体积小、抗电磁干扰,可以实现在线实时远距离检测的优点.为提高传感器的性能,建立了侧边抛磨光纤表面等离子体共振传感的物理模型,分别研究了侧边抛磨光纤的剩余厚度、银膜层的厚度对传感器的灵敏度、共振峰的深度和半高全宽等的影响.结果表明:光纤剩余厚度越小,表面等离子体共振现象越强;随银膜层的厚度增大,共振峰的宽度变宽,而传感器的灵敏度呈现非单调变化.通过综合表面等离子体共振传感器的折射率传感灵敏度和共振峰半高全宽,提出了质量因数作为传感器的优化指标,并最终得到最优化的设计方案为光纤剩余厚度为66.5 μm,银膜的厚度为50 nm,此时质量因数达到98.67.

研究了去包层U型弯曲光纤的折射率传感特性.首先根据模间干涉理论, 分析了U型光纤传感器的传感原理, 指出干涉谱损耗峰波长与环境折射率和弯曲半径有关.利用单模光纤(SM-28)实验制作不同曲率半径的U型光纤传感器, 把传感器的U型部分浸入不同折射率的液体中, 研究其折射率传感特性.当U型光纤曲率半径为2.5~5.0 mm时, 传输光谱中均能观察到明显的模间干涉现象; 当液体折射率从1.30RIU变到1.43RIU时, 光谱损耗峰波长发生红移, 且弯曲半径越大, 折射率传感灵敏度越高; 在曲率半径为5 mm时灵敏度为207 nm/RIU(折射率1.30~1.40RIU)和1 220 nm/RIU (折射率1.40~1.42RIU).干涉峰的波形参量(半高宽、对比度)决定于包层模和纤芯导模之间的比例, 当曲率半径为4 mm时, 损耗峰半高宽最小达3.2 nm.综合半高宽和灵敏度两个参量, 得出曲率半径4.5 mm的U型光纤传感器品质因素最高, 分别为43.1RIU-1(折射率1.30~1.40RIU)和191.2 RIU-1(折射率1.40~1.42RIU), 可直接由SM-28单模光纤制成, 且制作工艺简单、成本低、机械强度高不需要任何特殊处理, 具有很好的应用前景.