BOSA- the BOSS of OSA
OSA-Optical Spectrum Analyser中文直譯是光譜分析儀，OSA原本是一個寬泛的名稱，由于20世紀末開始席卷全球，當時風頭無兩的互聯網與光纖通訊產業所帶來的光纖通訊波段光譜分析測試儀器無以比擬的龐大供求，導致了OSA-Optical Spectrum Analyser這個名詞專門指代了光纖通訊波段的光譜分析儀。而在這個龐大的全球市場中，一個西班牙的高科技公司Aragon Photonics Labs.S.L采用基于受激布里淵散射（Stimulated Brillouin Scattering, SBS）原理研發的BOSA（Brillouin-Optical Spectrum Analyser)超高解析度光譜分析儀,在光譜分辨率，波長準確度，動態范圍，無偽訊等方面領先其他競品技術，現BOSA已由ZEPREN Solutions公司全面產業化。
具體來說BOSA（Brillouin-Optical Spectrum Analyser)超高解析度光譜分析儀有以下突出特點：
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超高光譜解析度：光譜分辨率高達10MHz（0.16pm@1550nm）
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內置飽和吸收池波長校準，波長絕對準確度高達0.5pm
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高達80dB的大動態范圍內免偽訊
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插損，回損，偏振等被動器件綜合測試
鑒于受激布里淵散射（Stimulated Brillouin Scattering, SBS）原理描述相對枯燥，廠家官網上對BOSA的工作機理僅做了簡單的描述，小編反復習受激布里淵散射相關資料，終有小悟：廠家是巧秒借鑒了受激布里淵散射超窄線寬激光器的技術基礎，拓展研發出了這個超高光譜解析度的光譜分析儀-BOSA。本文就是在廠家官網文字基礎上附加了受激布里淵散射的一些補充信息，希望能讓客戶有一個相對更直觀的理解。
接下來簡單歸納幾個對讀者有用的知識點：
光入射到任何介質內都會有散射現象，對于光纖而言也同樣，激光入射到光纖內，絕大部分光能會沿光纖傳輸，而在光纖內發生的一部分傳輸損耗就有光散射。如果把這些散射再進一步細分的話，多數是彈性散射我們稱之瑞利散射（和入射光同波長，相對強度約-30dB),還包含了很少的非彈性散射-布里淵散射（相對入射光而言大致有10GHz的頻移，簡單計算對于1550nm的入射光而言，布里淵散射大致在1550.08nm處；而相對強度大致在-60dB),還有極小的一部分是拉曼散射（相對入射光而言大致有10THz的頻移，簡單計算對于1550nm的入射光而言，拉曼散射大致在1634.45nm，相對強度大致在-80dB)
圖1.瑞利散射，布里淵散射與拉曼散射
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瑞利散射 |
布里淵散射 |
拉曼散射 |
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波長頻移 |
無 |
約10GHz |
約10THz |
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相對強度 |
約-30dB |
約-60dB |
約-80dB |
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從上述數據分析，在光纖通訊這樣的低功率運行系統，上述諸如布里淵散射和拉曼散射這樣的非彈性散射由于其強度很低，我們稱之為自發散射，基本不會干擾系統工作。但當入射激光功率提升到一個閾值以上時，一些有趣的事情發生了：
圖2. 布里淵激光工作原理
前向行進的泵浦光強度達到一定閾值后，在光纖中會激發電致伸縮效應，而產生聲波，這個聲波的能量來源可以認為是一部分泵浦光的光子非彈性碰撞轉化來的，此聲波會致使纖芯的折射率被周期性地調制，相當于產生了一個聲波誘導的與泵浦光行進方向一致的移動布拉格光柵。我們知道光子非彈性碰撞也遵守能量守恒和動量守恒。于是上述若干泵浦光子Kp泯滅后既產生了和原泵浦光同向的聲子Ko，也由于動量守恒會同時產生一個反向運動的光子Ks。由于能量守恒，Ks光子能量會小于原Kp泵浦光子能量，Ks振動頻率就是原泵浦光子Kp激光頻率減去聲波頻率，Ks的這個向下頻移我們稱之為Stokes斯托克斯頻移。由于多普勒效應，相對于前述正向移動的聲波場，背向傳輸的Ks-Stokes散射光的振動頻率和彈性碰撞的瑞利散射頻率是一致的，兩者就會產生干涉效應，干涉相漲時就會產生更強的正向聲波場，同時會激勵更強的調制效應，產生更強的背向Ks-Stokes散射光，如此反復背向Ks-Stokes散射光強度會和激光諧振一樣，不斷放大成為一束頻率比泵浦光略低，傳播方向反向的Stokes激光，最終甚至可能吃掉泵浦激光大部分能量，轉化效率高到甚至有望生成輸出功率和泵浦激光功率相當的受激Stokes激光。這個過程就是SBS- Stimulated Brillouin Scattering受激布里淵散射激光的發生原理。
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在某些場合，受激布里淵散射激光增益是不被歡迎的，以我們周知的工業級光纖激光器為例，受激布里淵散射是損害大功率光纖激光器正常輸出的一大敵手（其傳播方向與泵浦方向相反，且模式競爭偷走了很多的泵浦能量）。所以對于大功率光纖激光器產業而言，重要的研究課題是如何抑制受激布里淵散射。但是對于某些應用而言，受激布里淵散射激光反而有被推崇的優勢。比如對于光纖類的硅基材料，受激布里淵散射的增益帶寬非常窄，僅有50-100MHz左右，這就導致了受激布里淵散射激光天生超窄線寬，對于量子科學，精密量測，超高帶寬光纖通訊等行業會有誘人的前景。
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有了以上背景資訊，現在步入BOSA（Brillouin-Optical Spectrum Analyser)超高解析度光譜分析儀的原理。
圖4. 可調諧泵浦激光產生移動布拉格光柵
如圖四. 一束可調諧激光耦合進布里淵增益優化光纖，產生光纖內周期化調制結構，也就是形成一個移動的布拉格光柵,同時右側耦合進客戶待測信號SUT(Signal Under Test)，待測信號里面包含不同的波長（頻率）成分是客戶所希望分析的。
圖5.受激布里淵效應對響應頻點的增益
如圖五，當SUT待測信號頻譜內有一個頻率點正好符合前述泵浦激光激發下的移動布拉格光柵對應受激布里淵激光諧振頻點，則會發生受激布里淵增益效應，把SUT待測信號內此頻點的強度放大，并沿灰色箭頭方向傳輸（見圖5.紅色圈內部分）。我們知道，泵浦激光是可調諧的，在泵浦激光波長掃描過程中，其誘導的受激布里淵激光諧振頻點也會同時掃描，這樣就能逐次實現SUT待測信號內所有頻率成分的布里淵諧振增益，我們將此放大后的光信號耦合輸出即可采集分析SUT待測信號的高靈敏度，高光譜解析度頻譜。
BOSA（Brillouin-Optical Spectrum Analyser)超高解析度光譜分析儀的優勢分析。
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超高分辨率的同時保持高靈敏度與高動態范圍：傳統OSA光譜分辨率與靈敏度，動態范圍有一個不可能三角，提高光譜分辨率會被迫犧牲靈敏度與動態范圍。而BOSA（Brillouin-Optical Spectrum Analyser)從原理上就有巨大優勢，由于BOSA的布里淵增益帶寬僅為10MHz寬度，相當于時刻有一個10MHz帶寬的濾波器（比傳統OSA更窄），奇妙的是同時還具備放大器的作用（因此完全不犧牲靈敏度與動態范圍），這樣可以同時保證10MHz(0.16pm)的光譜分辨率同時-70dBm的靈敏度與80dB的動態范圍
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由于BOSA的布里淵增益帶寬僅為10MHz寬度，良好阻隔了所有旁帶噪聲干擾，所以在其80dB的動態范圍內都是免偽訊的。
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BOSA內部還內置了飽和吸收池波長校準，波長絕對準確度高達0.5pm
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BOSA內部內置了可調諧激光器，將此激光分出一部分輸出可用于被動器件的激勵，所以BOSA還擁有器件插損，回損測試功能；受激布里淵增益有高度偏振保持度，因此BOSA還可集成器件偏振敏感分析功能。
BOSA（Brillouin-Optical Spectrum Analyser)超高解析度光譜分析儀應用舉例：
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激光器頻譜與線寬分析：
對DFB激光高分辨率、高動態范圍的光譜分析. 線寬增強因子可以直接測量
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測試光頻梳數尺，表征激光器所有縱模：
測試界面為Tracing模式，記錄了皮秒激光器的所有縱模，以及各縱模隨時間的強度變化。此模式也可用于光頻梳各梳齒的及其強度變化的表征。
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超高密度DWDM檢測
不同信道的 10Gb/s RZ, NRZ以及一路 100GB/s Pol- MuxQPSK 同時表征.
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正交頻分復用OFDM檢測
分辨距離很近的8通道正交頻分復用OFDM
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啁啾檢測：
高分辨、極佳近進動態范圍，確保測量非常低頻分量信息
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