BOSA- the BOSS of OSA
OSA-Optical Spectrum Analyser中文直译是光谱分析仪，OSA原本是一个宽泛的名称，由于20世纪末开始席卷全球，当时风头无两的互联网与光纤通讯产业所带来的光纤通讯波段光谱分析测试仪器无以比拟的庞大供求，导致了OSA-Optical Spectrum Analyser这个名词专门指代了光纤通讯波段的光谱分析仪。而在这个庞大的全球市场中，一个西班牙的高科技公司Aragon Photonics Labs.S.L采用基于受激布里渊散射（Stimulated Brillouin Scattering, SBS）原理研发的BOSA（Brillouin-Optical Spectrum Analyser)超高解析度光谱分析仪,在光谱分辨率，波长准确度，动态范围，无伪讯等方面领先其他竞品技术，现BOSA已由ZEPREN Solutions公司全面产业化。
具体来说BOSA（Brillouin-Optical Spectrum Analyser)超高解析度光谱分析仪有以下突出特点：
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超高光谱解析度：光谱分辨率高达10MHz（0.16pm@1550nm）
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内置饱和吸收池波长校准，波长绝对准确度高达0.5pm
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高达80dB的大动态范围内免伪讯
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插损，回损，偏振等被动器件综合测试
鉴于受激布里渊散射（Stimulated Brillouin Scattering, SBS）原理描述相对枯燥，厂家官网上对BOSA的工作机理仅做了简单的描述，小编反复习受激布里渊散射相关资料，终有小悟：厂家是巧秒借鉴了受激布里渊散射超窄线宽激光器的技术基础，拓展研发出了这个超高光谱解析度的光谱分析仪-BOSA。本文就是在厂家官网文字基础上附加了受激布里渊散射的一些补充信息，希望能让客户有一个相对更直观的理解。
接下来简单归纳几个对读者有用的知识点：
光入射到任何介质内都会有散射现象，对于光纤而言也同样，激光入射到光纤内，绝大部分光能会沿光纤传输，而在光纤内发生的一部分传输损耗就有光散射。如果把这些散射再进一步细分的话，多数是弹性散射我们称之瑞利散射（和入射光同波长，相对强度约-30dB),还包含了很少的非弹性散射-布里渊散射（相对入射光而言大致有10GHz的频移，简单计算对于1550nm的入射光而言，布里渊散射大致在1550.08nm处；而相对强度大致在-60dB),还有极小的一部分是拉曼散射（相对入射光而言大致有10THz的频移，简单计算对于1550nm的入射光而言，拉曼散射大致在1634.45nm，相对强度大致在-80dB)
图1.瑞利散射，布里渊散射与拉曼散射
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瑞利散射 |
布里渊散射 |
拉曼散射 |
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波长频移 |
无 |
约10GHz |
约10THz |
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相对强度 |
约-30dB |
约-60dB |
约-80dB |
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从上述数据分析，在光纤通讯这样的低功率运行系统，上述诸如布里渊散射和拉曼散射这样的非弹性散射由于其强度很低，我们称之为自发散射，基本不会干扰系统工作。但当入射激光功率提升到一个阈值以上时，一些有趣的事情发生了：
图2. 布里渊激光工作原理
前向行进的泵浦光强度达到一定阈值后，在光纤中会激发电致伸缩效应，而产生声波，这个声波的能量来源可以认为是一部分泵浦光的光子非弹性碰撞转化来的，此声波会致使纤芯的折射率被周期性地调制，相当于产生了一个声波诱导的与泵浦光行进方向一致的移动布拉格光栅。我们知道光子非弹性碰撞也遵守能量守恒和动量守恒。于是上述若干泵浦光子Kp泯灭后既产生了和原泵浦光同向的声子Ko，也由于动量守恒会同时产生一个反向运动的光子Ks。由于能量守恒，Ks光子能量会小于原Kp泵浦光子能量，Ks振动频率就是原泵浦光子Kp激光频率减去声波频率，Ks的这个向下频移我们称之为Stokes斯托克斯频移。由于多普勒效应，相对于前述正向移动的声波场，背向传输的Ks-Stokes散射光的振动频率和弹性碰撞的瑞利散射频率是一致的，两者就会产生干涉效应，干涉相涨时就会产生更强的正向声波场，同时会激励更强的调制效应，产生更强的背向Ks-Stokes散射光，如此反复背向Ks-Stokes散射光强度会和激光谐振一样，不断放大成为一束频率比泵浦光略低，传播方向反向的Stokes激光，最终甚至可能吃掉泵浦激光大部分能量，转化效率高到甚至有望生成输出功率和泵浦激光功率相当的受激Stokes激光。这个过程就是SBS- Stimulated Brillouin Scattering受激布里渊散射激光的发生原理。
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在某些场合，受激布里渊散射激光增益是不被欢迎的，以我们周知的工业级光纤激光器为例，受激布里渊散射是损害大功率光纤激光器正常输出的一大敌手（其传播方向与泵浦方向相反，且模式竞争偷走了很多的泵浦能量）。所以对于大功率光纤激光器产业而言，重要的研究课题是如何抑制受激布里渊散射。但是对于某些应用而言，受激布里渊散射激光反而有被推崇的优势。比如对于光纤类的硅基材料，受激布里渊散射的增益带宽非常窄，仅有50-100MHz左右，这就导致了受激布里渊散射激光天生超窄线宽，对于量子科学，精密量测，超高带宽光纤通讯等行业会有诱人的前景。
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有了以上背景资讯，现在步入BOSA（Brillouin-Optical Spectrum Analyser)超高解析度光谱分析仪的原理。
图4. 可调谐泵浦激光产生移动布拉格光栅
如图四. 一束可调谐激光耦合进布里渊增益优化光纤，产生光纤内周期化调制结构，也就是形成一个移动的布拉格光栅,同时右侧耦合进客户待测信号SUT(Signal Under Test)，待测信号里面包含不同的波长（频率）成分是客户所希望分析的。
图5.受激布里渊效应对响应频点的增益
如图五，当SUT待测信号频谱内有一个频率点正好符合前述泵浦激光激发下的移动布拉格光栅对应受激布里渊激光谐振频点，则会发生受激布里渊增益效应，把SUT待测信号内此频点的强度放大，并沿灰色箭头方向传输（见图5.红色圈内部分）。我们知道，泵浦激光是可调谐的，在泵浦激光波长扫描过程中，其诱导的受激布里渊激光谐振频点也会同时扫描，这样就能逐次实现SUT待测信号内所有频率成分的布里渊谐振增益，我们将此放大后的光信号耦合输出即可采集分析SUT待测信号的高灵敏度，高光谱解析度频谱。
BOSA（Brillouin-Optical Spectrum Analyser)超高解析度光谱分析仪的优势分析。
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超高分辨率的同时保持高灵敏度与高动态范围：传统OSA光谱分辨率与灵敏度，动态范围有一个不可能三角，提高光谱分辨率会被迫牺牲灵敏度与动态范围。而BOSA（Brillouin-Optical Spectrum Analyser)从原理上就有巨大优势，由于BOSA的布里渊增益带宽仅为10MHz宽度，相当于时刻有一个10MHz带宽的滤波器（比传统OSA更窄），奇妙的是同时还具备放大器的作用（因此完全不牺牲灵敏度与动态范围），这样可以同时保证10MHz(0.16pm)的光谱分辨率同时-70dBm的灵敏度与80dB的动态范围
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由于BOSA的布里渊增益带宽仅为10MHz宽度，良好阻隔了所有旁带噪声干扰，所以在其80dB的动态范围内都是免伪讯的。
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BOSA内部还内置了饱和吸收池波长校准，波长绝对准确度高达0.5pm
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BOSA内部内置了可调谐激光器，将此激光分出一部分输出可用于被动器件的激励，所以BOSA还拥有器件插损，回损测试功能；受激布里渊增益有高度偏振保持度，因此BOSA还可集成器件偏振敏感分析功能。
BOSA（Brillouin-Optical Spectrum Analyser)超高解析度光谱分析仪应用举例：
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激光器频谱与线宽分析：
对DFB激光高分辨率、高动态范围的光谱分析. 线宽增强因子可以直接测量
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测试光频梳数尺，表征激光器所有纵模：
测试界面为Tracing模式，记录了皮秒激光器的所有纵模，以及各纵模随时间的强度变化。此模式也可用于光频梳各梳齿的及其强度变化的表征。
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超高密度DWDM检测
不同信道的 10Gb/s RZ, NRZ以及一路 100GB/s Pol- MuxQPSK 同时表征.
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正交频分复用OFDM检测
分辨距离很近的8通道正交频分复用OFDM
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啁啾检测：
高分辨、极佳近进动态范围，确保测量非常低频分量信息
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