通过非线性波混频进行星座图重塑以实现可重构 QAM 信道操控

《Optics & Laser Technology》：Constellation reshaping via nonlinear wave mixing for reconfigurable QAM channel manipulation

　　

•提出并验证了一种光星座重塑使能的可重构 QAM 信道操作方案。
•实现了 10G 波特率星形 8QAM 到矩形/对角/交错 8QAM 信号的星座重塑。
•实现了 10G 波特率 16QAM 信道中的信息聚合与去聚合。
•采用了基于退化 PSA 的正交解复用、星座拉伸以及基于 OPA 的星座压缩。
•该方案表现出高稳定性、强格式可扩展性，并针对关键格式。

引言
作为现代通信网络的骨干，光传输促进了海量数据的承载并支持多种网络互联模式 [1]。数据密集型技术（如生成式 AI 集群和实时沉浸式媒体）的快速出现，引发了数据流量的指数级激增和对更高容量、更低延迟光传输的升级需求 [2], [3]。为了满足这些需求，不同的光网络节点采用针对不同传输距离和性能目标优化的传输方案。例如，高阶调制格式，特别是正交幅度调制（QAM），因其提高频谱效率和延长传输距离的能力，在长途场景（如跨洋 [4] 或区域骨干网络 [5]）中得到广泛应用。在现代光通信基础设施中，QAM 信号已部署为各种形式。例如，在城域区域网络中，通常选择 8QAM 和 16QAM，因为需要在非线性效应的耐受性和更高的频谱效率之间取得平衡 [6]。这些调制格式也正被积极研究用于光卫星通信 [7]、水下无线光链路 [8] 和高容量数据中心互联 [9] 等应用。以不同调制格式运行的各种节点必须快速可靠地交换数据，然而传输过程中积累的噪声和信道损伤可能会严重降低信号质量和传输鲁棒性。为了在这种损伤和调制格式多样性下保持稳定的性能，星座重塑已成为光域信号处理中越来越重要的技术。光星座重塑可分为两类：几何整形和概率整形。几何整形优化复平面上星座点的位置，以在给定平均功率下最大化最小欧几里得距离，如 [10] 所示，从而在固定熵下提高噪声耐受性。相比之下，概率整形采用标准星座布局，但为星座点分配非均匀概率，使得低能量符号传输得更频繁，从而有效地降低给定互信息下的平均信号功率，如 [11], [12], [13] 所示。光星座重塑通过直接延长传输距离、提高对损伤的弹性，最终增强网络效率和可靠性，克服了电子瓶颈的限制 [14]。与基于 DSP 的解决方案相比，全光星座重塑方案消除了量化噪声，运行延迟更低 [15]，并且可以灵活地插入传输链路中而无需光电转换，这大大减少了复杂性并提高了系统灵活性。星座重塑通常依赖于光非线性效应，包括交叉相位调制（XPM）、自相位调制（SPM）、四波混频（FWM）和三波混频（TWM）。这些非线性效应的响应时间为飞秒级，这使得光节点能够处理高速和多维信号 [16]。由于格式转换、信息聚合和去聚合基于星座重塑具有启用灵活光传输和互联的潜力，它们已引起显著的研究兴趣。

8QAM 和 16QAM 格式因其在长途链路中的高频谱效率和稳定性能而在光节点中广泛使用。这两种格式都需要相干检测，并且可以与波分复用和灵活网格系统结合，以实现可扩展的大容量光传输。由于 8QAM 信号可以形成不同的星座形状，已有研究调查了各种星座之间的性能差异 [17], [18], [19]、几何整形以及 8QAM 信号的聚合/去聚合技术。Liu 等人 [20] 基于 FWM 效应实现了正交相移键控（QPSK）/开关键控（OOK）与 8QAM 信号之间的互转，而 [21] 不仅实现了这种转换，还通过 XPM 和 SPM 及四阶段非线性效应将输入星形 8QAM 重塑为方形 8QAM 格式。在 [22], [23] 中，通过 XPM、SPM 和 FWM 效应实现了二进制相移键控（BPSK）与星形 8QAM 信号之间的互转，分别涉及八次和五次非线性相互作用。此外，[24] 实现了矩形 8QAM 与 BPSK/QPSK 信号之间的格式互转。在此过程中，他们利用级联 SPM 和 FWM 效应实现了 4APSK 到 QPSK 的转换，这需要四个周期的非线性处理，从而导致额外的噪声积累和功率损伤。尽管已提出众多关于 8QAM 信号的星座操作研究，但将星形 8QAM 信号几何重塑为矩形、对角和交错 8QAM 格式的方案仍然有限。对于 16QAM 信号的星座聚合/去聚合也进行了大量研究。Ding 等人 [25] 提出了通过非线性光学环镜（NOLM）配置中的偏振辅助退化相位敏感放大器（PSA）对 QPSK 和 16QAM 信号进行正交分解，这实现了 FWM 过程中输入信号和产生闲频光的分离，使其相对相位和功率更容易控制。此外，[26] 通过实施偏振辅助 PSA 实现了 QPSK/9QAM/16QAM 信号到相应脉冲幅度调制（PAM）信号的正交去聚合。Mori 等人 [27] 和 Kishikawa 和 Goto [28] 通过延迟干涉仪（DI）实现了 QPSK 信号聚合为 16QAM 信号。相比之下，[29], [30] 提出了基于和频产生（SFG）和差频产生（DFG）效应的替代方法，这需要跨不同波段的复杂多泵浦光以及固定的频谱结构。此外，[31], [32] 提出通过采用解复用和基于 PSA 的星座压缩来实现 16QAM 信号的聚合/去聚合系统。然而，仍缺乏关于通过多维光星座操作在 QPSK 和 16QAM 信号之间进行双向信息聚合和去聚合方案的研究。为了满足未来光网络中对多功能节点日益增长的需求，可重构 QAM 处理系统代表了关键使能技术。此外，现有的 8QAM 和 16QAM 信号重塑方案需要复杂的多非线性效应来实现其目的，这增加了系统的复杂性。

在本文中，提出了一种光 QAM 信道操作方案，并通过仿真进行了验证。为了克服传统星座重塑架构的复杂性，我们扩展了二阶 PSA 在星座拉伸中的应用，通过仅三段非线性介质实现了正交分解、星座压缩/拉伸和星座重塑过程，并提出了一种新颖的星形 8QAM 信号重塑方案。所提出的方案通过对 8QAM 信号进行几何星座整形并促进 16QAM 与 QPSK 之间的聚合/去聚合，实现了灵活的光互联和信息管理，满足了未来光网络的关键要求。此外，所提出的方案仅需三次非线性相互作用，这显著提高了系统性能并简化了整体架构。10G 波特率 8QAM/16QAM 信号首先被正交解复用为 4 元幅度相移键控（4APSK）信号，然后被拉伸/压缩为 QPSK 和 BPSK 信号，最终被重塑为矩形、对角和交错 8QAM/16QAM 信号。该星座重塑系统包含退化 PSA 和单泵浦光纤参量放大器（FOPA），以实现正交解复用、星座拉伸和星座压缩操作。所提出方案的工作原理和理论推导将在以下章节中详细介绍。为了分析系统性能，计算并绘制了传输函数、信号星座图、误差矢量幅度（EVM）和误码率（BER）。当输入光信噪比（OSNR）为 25 dB 时，重塑后的矩形/对角/交错 8QAM 信号在 BER 为 10?3时的接收 OSNR 分别为 23.6 dB/22.9 dB/32.1 dB，而在输入 OSNR 为 30 dB 时，当 BER 为 10?2.?时，重塑后的 16QAM 信号显示出 28.8 dB 的接收 OSNR。所提出的星座重塑方案在多种广泛应用于实际光通信网络的调制格式中表现出强大的灵活性，为在多样化网络场景中启用自适应光链路建立了一种可行的方法。

章节摘要
操作原理
本节介绍了所提出星座重塑方案的工作原理和理论推导。8QAM/16QAM 信号星座重塑系统的概念图描绘在图 1 中。通过星座重塑过程，输入的星形 8QAM 信号被重塑为对角、矩形和交错星座。16QAM 系统将输入信号去聚合为两个 QPSK 信号，并在双路径之后将它们重新聚合为 16QAM 信号。
验证与讨论
在本节中，验证并分析了所提出星座重塑系统的性能，包括传输特性、星座图、处理后信号的 EVM 和 BER 曲线。所提出星座重塑方案的整体系统配置如图 6 所示。
该系统主要由三部分组成：正交解复用、星座拉伸/压缩和信号聚合。所提出的系统进行了仿真并

结论
本文提出并通过仿真验证了一种光星座重塑系统。所提出的系统集成了退化 PSA 和单泵浦 FOPA，以执行正交解复用、星座拉伸和星座压缩过程。实现了 10G 波特率 8QAM 信道的星座几何整形和 10G 波特率 16QAM 信道的信息聚合/去聚合，并进行了分析。每一部分的...工作原理和理论推导

CRediT 作者贡献声明
Jiabin Cui：写作 - 审阅与编辑，资源，方法论，调查，构思。
Yuxuan Dong：写作 - 原始草稿，可视化，软件，方法论。
Yanxia Tan：资源，方法论，调查，构思。
Guo-Wei Lu：资源，方法论，调查。
Yuefeng Ji：监督，资源。
Kunpeng Zhai：资源，方法论，调查。
Sha Zhu：方法论，调查。
Jing Xu：资源，方法论，调查。
Heng Zhou：方法论，

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的 competing 财务利益或个人关系，这些可能会影响本文报告的工作。

致谢
这项工作得到移动信息网络 - 国家科技重大专项（2026ZD1306800）、国家自然科学基金（62375257）和北邮 IPOC 重点实验室基金（编号：IPOC2025ZT01），中华人民共和国的资助。

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