<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article article-type="research-article" dtd-version="2.3" xml:lang="EN" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Commun. Netw.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Communications and Networks</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Commun. Netw.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">2673-530X</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="publisher-id">1642672</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/frcmn.2025.1642672</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Communications and Networks</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>A DSP-free carrier phase recovery system using 16-offset-QAM laser forwarded links for 400&#xa0;Gb/s and beyond</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">Rezaei et al.</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.3389/frcmn.2025.1642672">10.3389/frcmn.2025.1642672</ext-link>
</alt-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name>
<surname>Rezaei</surname>
<given-names>Marziyeh</given-names>
</name>
<xref ref-type="corresp" rid="c001">&#x2a;</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/3086362/overview"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/investigation/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/software/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/Writing - review &#x26; editing/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/resources/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/writing-original-draft/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/methodology/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/data-curation/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/formal-analysis/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/validation/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/visualization/"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Sturm</surname>
<given-names>Dan</given-names>
</name>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/methodology/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/Writing - review &#x26; editing/"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Zeng</surname>
<given-names>Pengyu</given-names>
</name>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/methodology/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/Writing - review &#x26; editing/"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Moazeni</surname>
<given-names>Sajjad</given-names>
</name>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/project-administration/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/conceptualization/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/Writing - review &#x26; editing/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/supervision/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/funding-acquisition/"/>
</contrib>
</contrib-group>
<aff>
<institution>Department of Electrical and Computer Engineering, University of Washington</institution>, <addr-line>Seattle</addr-line>, <addr-line>WA</addr-line>, <country>United States</country>
</aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Edited by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1478171/overview">Giampiero Contestabile</ext-link>, Sant&#x2019;Anna School of Advanced Studies, Italy</p>
</fn>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Reviewed by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1659712/overview">Pantea Nadimi Goki</ext-link>, Sant&#x2019;Anna School of Advanced Studies, Italy</p>
<p>
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/2241181/overview">Ken Mishina</ext-link>, Osaka University, Japan</p>
</fn>
<corresp id="c001">&#x2a;Correspondence: Marziyeh Rezaei, <email>marziyeh@uw.edu</email>
</corresp>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>19</day>
<month>09</month>
<year>2025</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2025</year>
</pub-date>
<volume>6</volume>
<elocation-id>1642672</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>06</day>
<month>06</month>
<year>2025</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>01</day>
<month>09</month>
<year>2025</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#xa9; 2025 Rezaei, Sturm, Zeng and Moazeni.</copyright-statement>
<copyright-year>2025</copyright-year>
<copyright-holder>Rezaei, Sturm, Zeng and Moazeni</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">
<p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.</p>
</license>
</permissions>
<abstract>
<p>Optical interconnects are becoming a major bottleneck in scaling up future GPU racks and network switches within data centers. Although 200&#xa0;Gb/s optical transceivers using PAM-4 modulation have been demonstrated, achieving higher data rates and energy efficiencies requires high-order coherent modulations like 16-QAM. Current coherent links rely on energy-intensive digital signal processing (DSP) for channel impairment compensation and carrier phase recovery (CPR), which consumes approximately 50&#xa0;pJ/b, 10 times higher than future intra-data center requirements. For shorter links, simpler or DSP-free CPR methods can significantly reduce power and complexity. While Costas loops enable CPR for QPSK, they face challenges in scaling to higher-order modulations (e.g., 16/64-QAM) due to varying symbol amplitudes. In this work, we propose an optical coherent link architecture using laser forwarding and a novel DSP-free CPR system using offset-QAM modulation. The proposed analog CPR feedback loop is highly scalable, capable of supporting arbitrary offset-QAM modulations (e.g., 4, 16, 64) without requiring architectural modifications. This scalability is achieved through its phase error detection mechanism, which operates independently of the data rate and modulation type. We validated this method using GlobalFoundries monolithic 45&#xa0;nm silicon photonics PDK models, with circuit- and system-level implementation at 100 GBaud in the O-band. We will investigate the feedback loop dynamics, circuit-level implementations, and phase-noise performance of the proposed CPR loop. Our method can be adopted to realize low-power QAM optical interconnects for future coherent-lite pluggable transceivers as well as co-packaged optics (CPO) applications.</p>
</abstract>
<kwd-group>
<kwd>intra-data center interconnect</kwd>
<kwd>coherent communications</kwd>
<kwd>optical transmitter</kwd>
<kwd>optical receiver</kwd>
<kwd>analog signal processing</kwd>
<kwd>16-QAM</kwd>
<kwd>offset-QAM</kwd>
<kwd>carrier phase recovery</kwd>
</kwd-group>
<counts>
<page-count count="13"/>
</counts>
<custom-meta-wrap>
<custom-meta>
<meta-name>section-at-acceptance</meta-name>
<meta-value>Optical Communications and Networks</meta-value>
</custom-meta>
</custom-meta-wrap>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec id="s1">
<title>1 Introduction</title>
<p>The rise of AI computing, driven by tens of thousands of GPUs and AI accelerators in data centers, poses significant challenges for optical interconnects and networking technologies (<xref ref-type="bibr" rid="B15">Naffziger, 2023</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B26">Xie and Zhang, 2022</xref>). Current state-of-the-art optical interconnects utilize pluggable transceivers operating at 112&#xa0;Gb/s and 224&#xa0;Gb/s PAM-4 data rates with energy efficiencies of <inline-formula id="inf1">
<mml:math id="m1">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>25&#xa0;pJ/b (<xref ref-type="bibr" rid="B17">Nagarajan et al., 2024</xref>). Next-generation transceivers aim to achieve data rates exceeding 400&#xa0;Gb/s with improved energy efficiency (<xref ref-type="bibr" rid="B16">Nagarajan et al., 2021</xref>). However, with limited improvements in the speed and energy efficiency of mixed-signal circuitry in advanced CMOS technologies, and fiber dispersion constraints, further increases in data rates necessitate advanced modulation schemes. While PAM-6 and PAM-8 are under investigation, their significant SNR penalties (<xref ref-type="bibr" rid="B9">Li et al., 2019</xref>) make them less practical. Consequently, adopting advanced coherent modulation (e.g., 16-QAM) within data centers is inevitable for achieving energy-efficient links. Although wavelength and polarization division multiplexing (WDM and PDM) can increase aggregate bandwidth per fiber, boosting data rates per wavelength/polarization remains essential to reduce the number of laser lines and improve energy efficiency.</p>
<p>Coherent optical communication requires precise phase and frequency alignment between the received (Rx) signal and the local oscillator (LO). Long-haul coherent transceivers, such as the 800G-ZR/ZR &#x2b; standards (<xref ref-type="bibr" rid="B29">Zhou et al., 2023</xref>), employ power-intensive digital signal processing (DSP) to handle channel impairments such as chromatic dispersion (CD), differential group delay (DGD), and carrier phase recovery (CPR) (<xref ref-type="bibr" rid="B17">Nagarajan et al., 2024</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B7">Ip et al., 2008</xref>). These DSP methods require oversampling ADCs, resulting in energy consumption around 50&#xa0;pJ/b and increased system complexity. In short-reach interconnects (e.g., inter-rack links <inline-formula id="inf2">
<mml:math id="m2">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>1&#xa0;km), many DSP functionalities&#x2014;such as dispersion compensation&#x2014;are unnecessary and can be eliminated (<xref ref-type="bibr" rid="B22">Saleh et al., 2021</xref>). However, frequency and phase recovery remain essential. Therefore, performing CPR in analog front-end can eliminate or significantly simplify DSP, realizing the power efficiency requirements of data centers.</p>
<p>Previous studies have demonstrated DSP-free CPR systems for QPSK/4-QAM modulations (<xref ref-type="bibr" rid="B24">Valenzuela et al., 2022</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B14">Movaghar et al., 2023</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B2">Ashok et al., 2021b</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B1">Ashok et al., 2021a</xref>) using Costas loops (<xref ref-type="bibr" rid="B5">Chul Park et al., 2012</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B6">Dick et al., 2000</xref>). These systems utilize optical phase-locked loops (OPLLs) (<xref ref-type="bibr" rid="B24">Valenzuela et al., 2022</xref>), optical delay-locked loops (ODLLs) (<xref ref-type="bibr" rid="B14">Movaghar et al., 2023</xref>), and traditional PLLs (<xref ref-type="bibr" rid="B2">Ashok et al., 2021b</xref>) for phase and frequency mismatches in laser-forwarded links. However, as modulation schemes scale to higher orders (e.g., 16/64/256-QAM), Costas loops fail to correct phase errors due to varying symbol amplitudes (<xref ref-type="bibr" rid="B20">Rezaei et al., 2024</xref>).</p>
<p>For instance, using unmodified Costas loops for 16-QAM introduces symbol-dependent phase error detection, creating false I/Q locking points that deviate from <inline-formula id="inf3">
<mml:math id="m3">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B18">Patil et al., 2016</xref>). A proposed solution involves sub-sampling the 16-QAM signal to form a 4-QAM constellation (<xref ref-type="bibr" rid="B13">Mizutori et al., 2017</xref>), but this relies on accurate symbol detection during CPR, which is impractical. Furthermore, sub-sampling reduces CPR loop bandwidth.</p>
<p>Another work (<xref ref-type="bibr" rid="B10">Liu et al., 2024</xref>) employed the pilot tone concept by adding a low-frequency test tone to the transmitted optical signal. At the receiver, phase error is detected and compensated based on the power of this tone. However, even after compensation, this low-power tone remains in the signal, interfering with the data and causing periodic jitter, ultimately impacting BER.</p>
<p>In this work, we propose a DSP-free carrier phase recovery system optimized for offset-QAM modulation. Offset-QAM is generated by leaking a portion of the LO signal into the modulated QAM signal at the transmitter, as shown in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref>. This can be achieved using Mach-Zehnder Modulators (MZMs) operating with an offset from the transmission null (<xref ref-type="bibr" rid="B11">Lu et al., 2010</xref>), or, as recently demonstrated, by employing micro-ring modulators (MRMs) (<xref ref-type="bibr" rid="B23">Sturm and Moazeni, 2024</xref>). In offset-QAM, the phase offset between the Rx signal and LO paths is detected based on the average power/voltage difference between the in-phase (I) and quadrature (Q) signals. This difference serves as an error signal to correct the phase error using a phase shifter (PS) in the LO path for laser-forwarded links. The laser-forwarding technique (<xref ref-type="bibr" rid="B12">Mehta et al., 2020</xref>) forwards a portion of the transmitter (Tx) laser to the receiver to serve as the LO, maintaining zero frequency mismatch, eliminating the need for an additional LO laser, and mitigating laser phase noise (PN). This approach reduces cost and enhances reliability. The proposed CPR system supports any offset-QAM modulation level (e.g., 4, 16, 256) without architectural modifications, making it highly scalable for future high-order modulations. Unlike Costas loops, our method avoids the need for high-speed analog devices (e.g., mixers, XORs) and does not suffer from <inline-formula id="inf4">
<mml:math id="m4">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> phase ambiguity (<xref ref-type="bibr" rid="B25">Xiao and Cheng, 2006</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B21">Sadchenko and Kushnirenko, 2018</xref>).</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>FIGURE 1</label>
<caption>
<p>The constellation of <bold>(a)</bold> 4-QAM (QPSK) <bold>(b)</bold> 4-offset-QAM modulation with and without the phase error between the Rx signal and LO paths. The offset-QAM format introduces an intentional offset affecting the constellation rotation in presence of phase error.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="frcmn-06-1642672-g001.tif">
<alt-text content-type="machine-generated">Diagram showing two modulation schemes: (a) QPSK and (b) Offset QAM. Both have axes labeled I and Q with circular constellations. In (a), points are grouped around phase angles with a phase error denoted by &#x394;&#x3D5;. In (b), Offset QAM shows the additional parameters A_OMA and A_0 with a similar phase error &#x394;&#x3D5;.</alt-text>
</graphic>
</fig>
<p>The proposed receiver is modeled and simulated using GlobalFoundries (GF) 45&#xa0;nm monolithic silicon photonics (GF45SPCLO) (<xref ref-type="bibr" rid="B19">Rakowski et al., 2020</xref>) PDK models, with circuit/system-level implementation at 100&#x2009;GBaud. This approach paves the way for low-power QAM interconnects in future co-packaged optics (CPO) and coherent-lite (<xref ref-type="bibr" rid="B8">Lam et al., 2021</xref>) applications, enabling energy-efficient data rates exceeding 400&#xa0;Gb/s per channel.</p>
<p>The paper is organized as follows: <xref ref-type="sec" rid="s2">Section 2</xref> introduces our DSP-free CPR techniques for offset-QAM modulation. <xref ref-type="sec" rid="s3">Section 3</xref> analyzes loop dynamics, including stability and laser phase noise. <xref ref-type="sec" rid="s4">Section 4</xref> discusses the circuit implementation. <xref ref-type="sec" rid="s5">Section 5</xref> presents simulation results and trade-offs. Finally, <xref ref-type="sec" rid="s6">Section 6</xref> concludes the paper.</p>
</sec>
<sec id="s2">
<title>2 Proposed DSP-Free carrier phase recovery</title>
<p>Optical coherent communication relies on precise frequency and phase locking between the received signal and the local oscillator. Any phase error <inline-formula id="inf5">
<mml:math id="m5">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> between these paths induces I/Q cross-talk, severely impacting symbol/bit error rates (SER and BER) (<xref ref-type="bibr" rid="B4">Chang et al., 2009</xref>). <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref> presents the constellation diagrams for QPSK/4-QAM and 4-offset-QAM, highlighting the effects of phase offset between the Rx and LO signals. In QPSK/4-QAM, a <inline-formula id="inf6">
<mml:math id="m6">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> phase offset causes the entire constellation to rotate, which can be corrected using the Costas loop technique (<xref ref-type="bibr" rid="B14">Movaghar et al., 2023</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B24">Valenzuela et al., 2022</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B2">Ashok et al., 2021b</xref>). However, in offset-QAM, phase offset rotates the constellation center and distorts amplitudes with respect to the origin making the Costas loop approach ineffective (<xref ref-type="bibr" rid="B20">Rezaei et al., 2024</xref>). We have proposed a novel technique to detect the phase offset between the Rx signal and LO paths based on the average power or voltage difference between the in-phase (I) and quadrature (Q) signals in offset-QAM modulation. <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2a</xref> illustrates the CPR block diagram for laser-forwarded links using a tunable phase shifter in the LO path. In this approach, the Tx laser output is split, with one portion modulated with data and the other transmitted to the Rx as the LO signal. The phase error between the Rx and LO signals is detected in the CPR block and then compensated using a phase shifter in the LO path. Two techniques for phase error detection are shown in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figures 2b,c</xref>. The I and Q signals, before phase error compensation, are modeled in <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Equation 1</xref>:<disp-formula id="e1">
<mml:math id="m7">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mtext>cos</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mtext>cos</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(1)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf7">
<mml:math id="m8">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is a constant due to offset-QAM modulation and <inline-formula id="inf8">
<mml:math id="m9">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf9">
<mml:math id="m10">
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are <inline-formula id="inf10">
<mml:math id="m11">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">OMA</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Then high-frequency portions of <inline-formula id="inf11">
<mml:math id="m12">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf12">
<mml:math id="m13">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are filtered using low-pass filters, retaining the average voltage as shown in <xref ref-type="disp-formula" rid="e2">Equation 2</xref>:<disp-formula id="e2">
<mml:math id="m14">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">avg</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>cos</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">avg</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>cos</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(2)</label>
</disp-formula>
</p>
<fig id="F2" position="float">
<label>FIGURE 2</label>
<caption>
<p>
<bold>(a)</bold> Block diagrams of the proposed offset-QAM coherent receiver using <bold>(b)</bold> Method 1 and <bold>(c)</bold> Method 2 for LO phase recovery.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="frcmn-06-1642672-g002.tif">
<alt-text content-type="machine-generated">Diagram illustrating an optical communication system with three sections labeled (a), (b), and (c). In (a), a laser transmits through a modulator to a receiver chip with phase control. In (b) and (c), the signal is processed with 90-degree hybrid filters. Both sections feature components like phase detectors, amplifiers labeled AFE, and low pass filters labeled LPF. Varied feedback paths and signal generation paths labeled SGN are shown, connecting different components for quadrature I and Q outputs.</alt-text>
</graphic>
</fig>
<p>In Method 1, the outputs of the low-pass filters in the I and Q paths are subtracted, generating an error signal equal to <inline-formula id="inf13">
<mml:math id="m15">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. However, if the error signal is in the region where the slope is positive, the loop becomes unstable. To maintain stability, the summation of <inline-formula id="inf14">
<mml:math id="m16">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">avg</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf15">
<mml:math id="m17">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">avg</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> <inline-formula id="inf16">
<mml:math id="m18">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is used as a select signal to choose between <inline-formula id="inf17">
<mml:math id="m19">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and -<inline-formula id="inf18">
<mml:math id="m20">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in different regions. For example, when <inline-formula id="inf19">
<mml:math id="m21">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and the error signal&#x2019;s slope is positive, <inline-formula id="inf20">
<mml:math id="m22">
<mml:mrow>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is positive and chooses <inline-formula id="inf21">
<mml:math id="m23">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and vice versa. This ensures that the error signal matches what is depicted in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref>.</p>
<fig id="F3" position="float">
<label>FIGURE 3</label>
<caption>
<p>The error signal generated by Method 1 and Method 2.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="frcmn-06-1642672-g003.tif">
<alt-text content-type="machine-generated">Graph depicting error signal amplitude versus phase difference, showing three methods: Method 1 (blue line), Method 2 (red line), and a reference sine wave (dashed gray line). Notably, there is a gain drop near the peak and a ninety-degree phase ambiguity marked. The x-axis is labeled with phase difference in radians and the y-axis with error signal amplitude.</alt-text>
</graphic>
</fig>
<p>In Method 2, <inline-formula id="inf22">
<mml:math id="m24">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">avg</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf23">
<mml:math id="m25">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">avg</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are sent to limiting amplifiers (SGN) and mixers, then subtracted, similar to the Costas loop technique, producing an error signal shown in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref> (<xref ref-type="bibr" rid="B14">Movaghar et al., 2023</xref>). This method generates a sawtooth error signal that maintains constant gain over the entire range. However, the periodicity of <inline-formula id="inf24">
<mml:math id="m26">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> introduces phase ambiguity between the I and Q signals at the receiver (<xref ref-type="bibr" rid="B2">Ashok et al., 2021b</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B1">Ashok et al., 2021a</xref>). To resolve this, differential coding during modulation and demodulation is required.</p>
<p>While Method 1 avoids the <inline-formula id="inf25">
<mml:math id="m27">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> phase ambiguity, its gain diminishes near the peaks, affecting the loop bandwidth and phase error compensation time. In this work, we adopt the phase detection technique based on Method 1.</p>
</sec>
<sec id="s3">
<title>3 CPR loop dynamics</title>
<p>In this section, the CPR loop dynamics are analyzed in terms of stability, bandwidth, residual phase error, and phase noise performance.</p>
<p>In the transmitter, the electric field of the laser source can be expressed in <xref ref-type="disp-formula" rid="e3">Equation 3</xref>:<disp-formula id="e3">
<mml:math id="m28">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">laser</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(3)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf26">
<mml:math id="m29">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf27">
<mml:math id="m30">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf28">
<mml:math id="m31">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf29">
<mml:math id="m32">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> denote the laser&#x2019;s electric field magnitude, center frequency, initial phase, and phase noise, respectively. This signal is subsequently modulated with offset-QAM data and transmitted over fiber. At the receiver, the Rx signal <inline-formula id="inf30">
<mml:math id="m33">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> beats with the LO signal which is a portion of the Tx laser forwarded to the receiver and generates a beat signal proportional to <inline-formula id="inf31">
<mml:math id="m34">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Assuming a length mismatch of <inline-formula id="inf32">
<mml:math id="m35">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> between the Rx signal and LO paths, the beat signal at the receiver has a phase noise expressed as <inline-formula id="inf33">
<mml:math id="m36">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>; where <inline-formula id="inf34">
<mml:math id="m37">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, with <inline-formula id="inf35">
<mml:math id="m38">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> being the refractive index and <inline-formula id="inf36">
<mml:math id="m39">
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> the speed of light (<xref ref-type="bibr" rid="B28">Zhou et al., 2021</xref>). <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4a</xref> illustrates the receiver&#x2019;s phase linear model, where <inline-formula id="inf37">
<mml:math id="m40">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">laser</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">laser,0</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In this context, <inline-formula id="inf38">
<mml:math id="m41">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">data</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> denotes the modulation phase, <inline-formula id="inf39">
<mml:math id="m42">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">offset</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> refers to the phase offset caused by the length mismatch between the Rx signal and LO paths, <inline-formula id="inf40">
<mml:math id="m43">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">err</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the phase error detected by the CPR loop, and <inline-formula id="inf41">
<mml:math id="m44">
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represents the open-loop transfer function of the CPR.</p>
<fig id="F4" position="float">
<label>FIGURE 4</label>
<caption>
<p>
<bold>(a)</bold> The linear small-signal phase modeling of the CPR system <bold>(b)</bold> the simplified phase model after averaging.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="frcmn-06-1642672-g004.tif">
<alt-text content-type="machine-generated">Diagram illustrating a phase control loop system with two panels. In panel (a), inputs \(\phi_{\text{data}}\), \(\theta_{\text{laser}}\), and \(\phi_{\text{offset}}\) are summed, then processed in a CPR block producing \(\phi_{\text{err}}\). Panel (b) shows a simplified CPR block with \(\phi_{\text{in}}\) and \(\phi_{\text{out}}\). Below, a detailed loop with \(\phi_{\text{in}}\) produces \(\phi_{\text{err}}\) through a comparator, goes through a filter \(H_{\text{LF}}(s)\), a driver \(K_{\text{driver}}\), and another filter \(H_{\text{PS}}(s)\) to output \(\phi_{\text{out}}\).</alt-text>
</graphic>
</fig>
<p>Since <inline-formula id="inf42">
<mml:math id="m45">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">data</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is initially filtered by low-pass filters, the loop model simplifies to the form shown in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4b</xref>, where <inline-formula id="inf43">
<mml:math id="m46">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">offset</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The linearized open-loop transfer function is expressed in <xref ref-type="disp-formula" rid="e4">Equation 4</xref>:<disp-formula id="e4">
<mml:math id="m47">
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(4)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="equ1">
<mml:math id="m48">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<disp-formula id="equ2">
<mml:math id="m49">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf44">
<mml:math id="m50">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the phase error detector gain expressed as <inline-formula id="inf45">
<mml:math id="m51">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, with <inline-formula id="inf46">
<mml:math id="m52">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> indicating the average photocurrent of the I/Q signals, defined as <inline-formula id="inf47">
<mml:math id="m53">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>O</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Here, <inline-formula id="inf48">
<mml:math id="m54">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>O</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf49">
<mml:math id="m55">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> correspond to the magnitudes of the electric field for the LO and the average I and Q signals, respectively. For DC-balanced I/Q data streams, <inline-formula id="inf50">
<mml:math id="m56">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x304;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> equals <inline-formula id="inf51">
<mml:math id="m57">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as shown in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref>. The photodiode responsivity is represented by <inline-formula id="inf52">
<mml:math id="m58">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf53">
<mml:math id="m59">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the current to voltage conversion gain. It is important to note that in Method 1, <inline-formula id="inf54">
<mml:math id="m60">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is not constant and exhibits variations near the peak; however, for simplicity, it is approximated by its value in the linear region. <inline-formula id="inf55">
<mml:math id="m61">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">driver</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> refers to the gain of the phase shifter driver and <inline-formula id="inf56">
<mml:math id="m62">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf57">
<mml:math id="m63">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf58">
<mml:math id="m64">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represent the gain, zero, and pole of the loop filter, respectively, while <inline-formula id="inf59">
<mml:math id="m65">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf60">
<mml:math id="m66">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> denote the gain and electrical 3-dB bandwidth of the phase shifter.</p>
<p>
<xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref> presents the Bode plot of the proposed CPR system, with parameters specified in <xref ref-type="table" rid="T1">Table&#xa0;1</xref>. The system demonstrates a phase margin of <inline-formula id="inf61">
<mml:math id="m67">
<mml:mrow>
<mml:mn>61</mml:mn>
<mml:mo>&#xb0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, a crossover frequency of 160&#xa0;kHz, and a closed-loop bandwidth of 216&#xa0;kHz.</p>
<fig id="F5" position="float">
<label>FIGURE 5</label>
<caption>
<p>Magnitude and phase plots of the open-loop transfer function of the CPR system.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="frcmn-06-1642672-g005.tif">
<alt-text content-type="machine-generated">Bode plot illustrating magnitude and phase against frequency. The magnitude is shown in blue and the phase in red. The crossover frequency is 160 kilohertz, with a phase margin of 61 degrees. Frequencies range from \(10^0\) to \(10^8\) hertz, with magnitude levels from -100 to 50 decibels and phase angles from -200 to 0 degrees.</alt-text>
</graphic>
</fig>
<table-wrap id="T1" position="float">
<label>TABLE 1</label>
<caption>
<p>CPR loop parameters.</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th align="center">
<inline-formula id="inf62">
<mml:math id="m68">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">P</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf63">
<mml:math id="m69">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">L</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf64">
<mml:math id="m70">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">driver</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="center">2.55e-2 (V/rad)</td>
<td align="center">1.2e3 (V/V)</td>
<td align="center">2 (V/V)</td>
</tr>
</tbody>
</table>
<table>
<thead>
<tr>
<th align="center">
<inline-formula id="inf65">
<mml:math id="m71">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">P</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf66">
<mml:math id="m72">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">L</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">F</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf67">
<mml:math id="m73">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">L</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">F</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td align="center">15.7 (rad/V)</td>
<td align="center">80&#xa0;kHz</td>
<td align="center">6&#xa0;kHz</td>
</tr>
<tr>
<td colspan="3" align="center" style="background-color:#FFFFFF">f<sub>PS</sub>
</td>
</tr>
<tr>
<td colspan="3" align="center" style="background-color:#FFFFFF">2&#xa0;kHz</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<sec id="s3-1">
<title>3.1 Residual phase error</title>
<p>The residual phase error can be determined from the phase error transfer function, given by <inline-formula id="inf69">
<mml:math id="m75">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">err</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">out</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The static phase error, resulting from a constant input phase offset of <inline-formula id="inf70">
<mml:math id="m76">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, can be calculated from in <xref ref-type="disp-formula" rid="e5">Equation 5</xref>:<disp-formula id="e5">
<mml:math id="m77">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mi>lim</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">err</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mi>lim</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">err</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mi>lim</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">driver</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(5)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Replacing the parameters in 5 with the values given in <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1</xref> results in the static phase error equal to <inline-formula id="inf71">
<mml:math id="m78">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>960</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for <inline-formula id="inf72">
<mml:math id="m79">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (the calculated loop gain is based on the linear approximation of <inline-formula id="inf73">
<mml:math id="m80">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>). For instance, with <inline-formula id="inf74">
<mml:math id="m81">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the resulting phase error is approximately <inline-formula id="inf75">
<mml:math id="m82">
<mml:mrow>
<mml:mn>0.8</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;mrad</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The residual phase error can be further minimized by increasing the loop gain.</p>
</sec>
<sec id="s3-2">
<title>3.2 Laser phase noise</title>
<p>The phase noise of a Lorentzian-shaped laser linewidth can be described as a random walk Wiener process with a power spectral density (PSD) of <inline-formula id="inf76">
<mml:math id="m83">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B28">Zhou et al., 2021</xref>) in frequency domain, where <inline-formula id="inf77">
<mml:math id="m84">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the laser linewidth. To accurately calculate the variance of the resulting Gaussian phase noise, we need to take into account the effect of the CPR loop. Taking the Fourier transform of the detected signal phase noise, we obtain <xref ref-type="disp-formula" rid="e6">Equation 6</xref>:<disp-formula id="e6">
<mml:math id="m85">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(6)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf78">
<mml:math id="m86">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf79">
<mml:math id="m87">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the phase noises of the beating signal and original laser in the frequency domain, and <inline-formula id="inf80">
<mml:math id="m88">
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the CPR open-loop transfer function as mentioned before. Therefore, the power spectral densities are related by <xref ref-type="disp-formula" rid="e7">Equation 7</xref>:<disp-formula id="e7">
<mml:math id="m89">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(7)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The total phase noise power can be calculated from <xref ref-type="disp-formula" rid="e8">Equation 8</xref>:<disp-formula id="e8">
<mml:math id="m90">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(8)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>
<xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6</xref> shows the PSD of the beat signal&#x2019;s phase noise for different CPR loop bandwidths. In this figure, the laser-forwarding technique shapes the laser phase noise depending on <inline-formula id="inf81">
<mml:math id="m91">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as shown in <xref ref-type="disp-formula" rid="e7">Equation 7</xref>. The term <inline-formula id="inf82">
<mml:math id="m92">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> exhibits high-pass behavior so the CPR loop bandwidth further filters the phase noise up to its cutoff. Increasing the CPR loop bandwidth reduces the phase noise power more effectively.</p>
<fig id="F6" position="float">
<label>FIGURE 6</label>
<caption>
<p>Effect of laser forwarding technique and CPR loop bandwidth on the PSD of the beat signal phase noise (<inline-formula id="inf83">
<mml:math id="m93">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf84">
<mml:math id="m94">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> denote laser linewidth and forwarding path mismatch length, respectively).</p>
</caption>
<graphic xlink:href="frcmn-06-1642672-g006.tif">
<alt-text content-type="machine-generated">Graph depicting phase noise power spectral density (PSD) versus frequency. Six colored lines represent different scenarios: blue for laser phase noise, orange for laser-forwarding RX phase noise without CPR, and four others (yellow, purple, green, red) for different CPR bandwidths (100 kHz, 1 MHz, 10 MHz, and 100 MHz). Frequency ranges from 100 Hz to 10 GHz on a logarithmic scale. Phase noise PSD is measured in rad&#xB2;/Hz.</alt-text>
</graphic>
</fig>
<p>As mentioned before, the phase noise of the beat signal can be represented as Gaussian noise with a mean of 0 and variance of <inline-formula id="inf85">
<mml:math id="m95">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. With this, we can calculate the theoretical BER with respect to the signal-to-noise ratio (SNR) and laser phase noise.</p>
<sec id="s3-2-1">
<title>3.2.1 Impact of laser phase noise on BER in 4-offset-QAM</title>
<p>
<xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7a</xref> illustrates the constellation diagram of 4-Offset-QAM, where symbols rotate on circles with radius proportional to their symbol magnitude. The symbol error rate and bit error rate are in <xref ref-type="disp-formula" rid="e9">Equation 9</xref> (<xref ref-type="bibr" rid="B28">Zhou et al., 2021</xref>):<disp-formula id="e9">
<mml:math id="m96">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
</mml:mstyle>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>log</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(9)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf86">
<mml:math id="m97">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the modulation depth (equal to 4 for 4-offset-QAM), <inline-formula id="inf87">
<mml:math id="m98">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the probability of symbol <inline-formula id="inf88">
<mml:math id="m99">
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> occurring (equal to 0.25 for 4-offset-QAM), and <inline-formula id="inf89">
<mml:math id="m100">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the conditional probability that the transmitted symbol <inline-formula id="inf90">
<mml:math id="m101">
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is incorrectly detected as one of the other symbols by the receiver. <inline-formula id="inf91">
<mml:math id="m102">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> occurs when either the I or Q terms, or both, are incorrectly detected and can be calculated from <xref ref-type="disp-formula" rid="e10">Equation 10</xref> (<xref ref-type="bibr" rid="B28">Zhou et al., 2021</xref>):<disp-formula id="e10">
<mml:math id="m103">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(10)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf92">
<mml:math id="m104">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf93">
<mml:math id="m105">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represent the probability of incorrectly decoding the I-component and Q-component, respectively, resulting in an error detecting <inline-formula id="inf94">
<mml:math id="m106">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Offset-QAM exhibits a different BER expression compared to QPSK, attributed to its offset value. Recalling from <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Equation 1</xref>, we can simplify I and Q equations to the format shown in <xref ref-type="disp-formula" rid="e11">Equation 11</xref>:<disp-formula id="e11">
<mml:math id="m107">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mspace width="-0.17em"/>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>arctan</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mspace width="-0.17em"/>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mspace width="-0.17em"/>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mspace width="-0.17em"/>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>arctan</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mspace width="-0.17em"/>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mspace width="-0.17em"/>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(11)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf95">
<mml:math id="m108">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the offset-QAM offset, <inline-formula id="inf96">
<mml:math id="m109">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf97">
<mml:math id="m110">
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are <inline-formula id="inf98">
<mml:math id="m111">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">OMA</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf99">
<mml:math id="m112">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the beat signal phase noise, <inline-formula id="inf100">
<mml:math id="m113">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the input-referred noise at the AFE input, consisting of AFE and CPR thermal noise as well as PD shot noise, represented as <inline-formula id="inf101">
<mml:math id="m114">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">AFE</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">CPR</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and modeled as white Gaussian noise with a PSD of <inline-formula id="inf102">
<mml:math id="m115">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Next, we show the conditional error probability for the <inline-formula id="inf103">
<mml:math id="m116">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> symbol, and the same calculation method applies to the remaining symbols. The error in detecting the <inline-formula id="inf104">
<mml:math id="m117">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> symbol occurs when the combined effects of noise and phase noise causes <inline-formula id="inf105">
<mml:math id="m118">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to fall below <inline-formula id="inf106">
<mml:math id="m119">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and/or <inline-formula id="inf107">
<mml:math id="m120">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to exceed <inline-formula id="inf108">
<mml:math id="m121">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The conditional error probability for the <inline-formula id="inf109">
<mml:math id="m122">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> symbol is given in <xref ref-type="disp-formula" rid="e12">Equation 12</xref>:<disp-formula id="e12">
<mml:math id="m123">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mspace width="-0.17em"/>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">OMA</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mspace width="-0.17em"/>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(12)</label>
</disp-formula>
</p>
<fig id="F7" position="float">
<label>FIGURE 7</label>
<caption>
<p>Effect of laser phase noise on <bold>(a)</bold> 4-offset-QAM and <bold>(b)</bold> 16-offset-QAM constellations.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="frcmn-06-1642672-g007.tif">
<alt-text content-type="machine-generated">Diagram comparing Offset 4-QAM and Offset 16-QAM modulation schemes. Panel (a) on the left shows 4 constellation points for 4-QAM, with binary labels and arrows indicating modulation. Panel (b) on the right illustrates 16 constellation points for 16-QAM, with binary labels, arrows, and a more complex grid. Both diagrams have axes labeled Q and I, with A subscript zero representing amplitude.</alt-text>
</graphic>
</fig>
<p>As seen in this equation, depending on where the location of the center <inline-formula id="inf110">
<mml:math id="m124">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is, the phase noise effect on BER varies. As the center moves closer to the origin, phase noise performance improves. Assuming <inline-formula id="inf111">
<mml:math id="m125">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">OMA</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we can simplify the aforementioned equation into <xref ref-type="disp-formula" rid="e13">Equation 13</xref>:<disp-formula id="e13">
<mml:math id="m126">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">OMA</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x005b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x005d;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">OMA</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x005b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x005d;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(13)</label>
</disp-formula>where erfc(.) is the complementary error function defined in <xref ref-type="disp-formula" rid="e14">Equation 14</xref>:<disp-formula id="e14">
<mml:math id="m127">
<mml:mrow>
<mml:mtext mathvariant="normal">erfc</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(14)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The total conditional error probability due to the phase noise can be calculated from <xref ref-type="disp-formula" rid="e15">Equation 15</xref> (<xref ref-type="bibr" rid="B28">Zhou et al., 2021</xref>):<disp-formula id="e15">
<mml:math id="m128">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(15)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf112">
<mml:math id="m129">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the PDF of the beat signal Gaussian phase noise <inline-formula id="inf113">
<mml:math id="m130">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with the variance calculated above <inline-formula id="inf114">
<mml:math id="m131">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Similarly, we can calculate <inline-formula id="inf115">
<mml:math id="m132">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>With <inline-formula id="inf116">
<mml:math id="m133">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf117">
<mml:math id="m134">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> calculated, we can determine <inline-formula id="inf118">
<mml:math id="m135">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and subsequently the error probability of the other symbols, as well as the SER and BER from <xref ref-type="disp-formula" rid="e9">Equation 9</xref>. To have a universal comparison of BER versus SNR, the SNR is defined as the ratio of the average energy per symbol to the noise power spectral density, denoted by <inline-formula id="inf119">
<mml:math id="m136">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The average symbol energy <inline-formula id="inf120">
<mml:math id="m137">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can be calculated from <xref ref-type="disp-formula" rid="e16">Equation 16</xref>:<disp-formula id="e16">
<mml:math id="m138">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>log</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
</mml:mstyle>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(16)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>For 4-offset-QAM, we have <inline-formula id="inf121">
<mml:math id="m139">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">OMA</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. To investigate the impact of the offset-QAM center location <inline-formula id="inf122">
<mml:math id="m140">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we calculated the BER versus SNR for various values of <inline-formula id="inf123">
<mml:math id="m141">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. To evaluate BER performance, we have compared all results with a KP4 forward error correction (FEC) standard which requires a BER threshold of <inline-formula id="inf124">
<mml:math id="m142">
<mml:mrow>
<mml:mn>2.4</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B3">Chagnon et al., 2016</xref>). In practice, any other FEC standard can be chosen depending on the link latency and application-level specifications. To perform a fair comparison between QAM and offset-QAM modulation, it is essential to account for the effect of the offset on the amplitude noise, <inline-formula id="inf125">
<mml:math id="m143">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In offset-QAM, the offset introduces a DC component at the photodetector output, which leads to increased PD shot noise. For state-of-the-art 100Gbaud links, the analog front-end noise is approximately <inline-formula id="inf126">
<mml:math id="m144">
<mml:mrow>
<mml:mn>15</mml:mn>
<mml:mtext>pA</mml:mtext>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mtext>Hz</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B27">Zhou, 2025</xref>). Assuming an OMA of <inline-formula id="inf127">
<mml:math id="m145">
<mml:mrow>
<mml:mn>250</mml:mn>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mtext>A</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at the PD output (to match with simulation results provided in <xref ref-type="sec" rid="s5">Section 5</xref>), the offset is <inline-formula id="inf128">
<mml:math id="m146">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>250</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mtext>A</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, which results in an rms shot noise of <inline-formula id="inf129">
<mml:math id="m147">
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>offset</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>8.94</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;pA</mml:mtext>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mtext>Hz</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Since the contribution of carrier phase recovery (CPR) noise is negligible compared to AFE noise and PD shot noise, the total power spectral density of the amplitude noise, <inline-formula id="inf130">
<mml:math id="m148">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, can be expressed as <inline-formula id="inf131">
<mml:math id="m149">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>225</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>80</mml:mn>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mtext>&#x2009;pA</mml:mtext>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mtext>Hz</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:math>
</inline-formula>. The results in <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8</xref> show that for small offsets, the BER performance of conventional 4-QAM and 4-offset-QAM is nearly identical. It is worth mentioning that, for the worst-case scenario, <inline-formula id="inf132">
<mml:math id="m150">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the SNR penalty between QAM and offset-QAM is <inline-formula id="inf133">
<mml:math id="m151">
<mml:mrow>
<mml:mn>0.7</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;dB</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<fig id="F8" position="float">
<label>FIGURE 8</label>
<caption>
<p>Theoretical BER vs. SNR for 4- and 16-Offset-QAM for various offset-to-OMA ratio <inline-formula id="inf134">
<mml:math id="m152">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>O</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> values. Dashed lines indicate the FEC limits of <inline-formula id="inf135">
<mml:math id="m153">
<mml:mrow>
<mml:mn>2.4</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for KP4 FEC.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="frcmn-06-1642672-g008.tif">
<alt-text content-type="machine-generated">Two graphs compare Bit Error Rate (BER) versus Signal-to-Noise Ratio (SNR) for 4-Offset-QAM and 16-Offset-QAM with CPR bandwidth of 216 kHz. Both have a linewidth of 1 MHz and path length of 0.1 m. The y-axis represents log base 10 of BER, and the x-axis represents SNR in dB. Various curves represent different ratios of \(A_0/A_{OMA}\) ranging from 0 to 0.5. A horizontal dashed line indicates KP4 Pre-Forward Error Correction (FEC) with a BER of 2.4 times 10 to the power of negative four.</alt-text>
</graphic>
</fig>
<p>Next, we examine the effect of the CPR loop bandwidth on the BER by calculating the BER versus the SNR for different loop bandwidth values for <inline-formula id="inf136">
<mml:math id="m154">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">OMA</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. As depicted in <xref ref-type="fig" rid="F9">Figure 9</xref>, the effect of loop bandwidth on BER for 4-offset-QAM is negligible.</p>
<fig id="F9" position="float">
<label>FIGURE 9</label>
<caption>
<p>Theoretical BER vs. SNR for 4- and 16-Offset-QAM for different CPR loop bandwidths.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="frcmn-06-1642672-g009.tif">
<alt-text content-type="machine-generated">Two graphs compare Bit Error Rate (BER) versus Signal-to-Noise Ratio (SNR) for 4-Offset-QAM and 16-Offset-QAM with various Carrier Phase Recovery (CPR) bandwidths. The left graph shows 4-QAM results, and the right shows 16-QAM results. Different colored lines represent scenarios with no CPR and CPR at one megahertz, ten megahertz, and one hundred megahertz. Each line shows how BER decreases with increasing SNR, with annotations for specific parameters.</alt-text>
</graphic>
</fig>
<p>We also studied the impact of laser linewidth on BER. DFB lasers typically exhibit linewidths in the range of 1&#x2013;10&#xa0;MHz (<xref ref-type="bibr" rid="B28">Zhou et al., 2021</xref>). As shown in <xref ref-type="fig" rid="F10">Figure 10</xref>, as the linewidth increases from 100&#xa0;kHz to 1&#xa0;MHz, the required SNR penalty to achieve a BER of <inline-formula id="inf137">
<mml:math id="m155">
<mml:mrow>
<mml:mn>2.4</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is approximately 0.2&#xa0;dB.</p>
<fig id="F10" position="float">
<label>FIGURE 10</label>
<caption>
<p>Theoretical BER vs. SNR for 4- and 16-Offset-QAM for various laser linewidths.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="frcmn-06-1642672-g010.tif">
<alt-text content-type="machine-generated">Two line graphs compare bit error rate (BER) versus signal-to-noise ratio (SNR) for 4-offset-QAM and 16-offset-QAM. Both use different frequency offsets: 100 kilohertz, 500 kilohertz, 1 megahertz, and 10 megahertz. The BER decreases with increasing SNR, with variations depending on frequency offsets and QAM type.</alt-text>
</graphic>
</fig>
<p>Furthermore, we investigated the effect of length mismatch on BER. As illustrated in <xref ref-type="fig" rid="F11">Figure 11</xref>, for a laser linewidth of 1&#xa0;MHz, when the length mismatch exceeds 50&#xa0;cm, the BER drops significantly. This highlights the importance of carefully managing the splitting of the laser output between the transmitter and local oscillator LO to ensure that the length mismatch remains within a few centimeters.</p>
<fig id="F11" position="float">
<label>FIGURE 11</label>
<caption>
<p>Theoretical BER vs. SNR for 4- and 16-Offset-QAM for various LO/Rx signal fiber length mismatch.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="frcmn-06-1642672-g011.tif">
<alt-text content-type="machine-generated">Graphs comparing the Bit Error Rate (BER) versus Signal-to-Noise Ratio (SNR) for 4-offset-QAM and 16-offset-QAM at different path length variations. Both graphs include lines for length differences of 0, 0.1, 0.5, and 1 meter with varied slopes showing signal performance.</alt-text>
</graphic>
</fig>
</sec>
<sec id="s3-2-2">
<title>3.2.2 Effect of laser phase noise on BER for 16-offset-QAM</title>
<p>Next, we investigate the effect of laser phase noise on BER for 16-offset-QAM modulation, using a procedure analogous to that for 4-offset-QAM. <xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7b</xref> presents the constellation diagram of 16-Offset-QAM, illustrating the symbol shifts caused by phase noise. The values of I and Q fall within the set <inline-formula id="inf138">
<mml:math id="m156">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">OMA</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">OMA</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, with the center located at (<inline-formula id="inf139">
<mml:math id="m157">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf140">
<mml:math id="m158">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>). The SER can be calculated using <xref ref-type="disp-formula" rid="e9">Equation 9</xref>, setting <inline-formula id="inf141">
<mml:math id="m159">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to 16 and <inline-formula id="inf142">
<mml:math id="m160">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to 0.0625. The conditional error probability of the symbols can then be calculated from <xref ref-type="disp-formula" rid="e10">Equation 10</xref>. Here, we demonstrate the calculation of the conditional error probability for the <inline-formula id="inf143">
<mml:math id="m161">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> symbol (<inline-formula id="inf144">
<mml:math id="m162">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">OMA</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf145">
<mml:math id="m163">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">OMA</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>). The error in detecting the <inline-formula id="inf146">
<mml:math id="m164">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> symbol occurs when the combined effects of noise and phase noise cause <inline-formula id="inf147">
<mml:math id="m165">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to fall below <inline-formula id="inf148">
<mml:math id="m166">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">OMA</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> or exceed <inline-formula id="inf149">
<mml:math id="m167">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and/or <inline-formula id="inf150">
<mml:math id="m168">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to exceed <inline-formula id="inf151">
<mml:math id="m169">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">OMA</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Assuming <inline-formula id="inf152">
<mml:math id="m170">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">OMA</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the conditional error probability for the <inline-formula id="inf153">
<mml:math id="m171">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> symbol can be calculated from <xref ref-type="disp-formula" rid="e17">Equations 17</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">18</xref>:<disp-formula id="e17">
<mml:math id="m172">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">OMA</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">OMA</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">OMA</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(17)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e18">
<mml:math id="m173">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">OMA</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">OMA</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(18)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Similarly, we can determine the conditional error probability for the remaining symbols to calculate the total SER, and therefore, the BER. From <xref ref-type="disp-formula" rid="e16">Equation 16</xref>, we have <inline-formula id="inf154">
<mml:math id="m174">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">OMA</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>18</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The results shown in <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8</xref> indicate that for a small offset <inline-formula id="inf155">
<mml:math id="m175">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">OMA</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the BER performance of regular 16-QAM and 16-offset-QAM are nearly identical. However, as the offset increases, such as when <inline-formula id="inf156">
<mml:math id="m176">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">OMA</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, significant SNR penalties are observed. To provide reasonable input range for the CPR system and minimize the SNR penalty for 16-offset-QAM, <inline-formula id="inf157">
<mml:math id="m177">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">OMA</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is chosen.</p>
<p>As shown in <xref ref-type="fig" rid="F9">Figure 9</xref>, for a BER of <inline-formula id="inf158">
<mml:math id="m178">
<mml:mrow>
<mml:mn>2.4</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with a linewidth of 1&#xa0;MHz and a length mismatch of 10&#xa0;cm, a CPR bandwidth of 10&#xa0;MHz and below has about 1&#xa0;dB SNR penalty compared to the 100&#xa0;MHz bandwidth. As demonstrated in <xref ref-type="fig" rid="F10">Figure 10</xref>, increasing the linewidth from 100&#xa0;kHz to 1&#xa0;MHz results in 2&#xa0;dB SNR penalty. Finally, as depicted in <xref ref-type="fig" rid="F11">Figure 11</xref>, for a DFB laser with a linewidth of 1&#xa0;MHz, a length mismatch of 10&#xa0;cm results in SNR penalty of 1&#xa0;dB compared to the case with no length mismatch and, consequently, no phase noise. These findings highlight the critical importance of selecting the offset-QAM center location and DFB laser linewidth, as well as designing the system to minimize the length mismatch between the LO and Rx signal paths. It is important to note that we have control over the length mismatch, which can be adjusted by tuning the fiber length to significantly reduce the SNR penalty.</p>
</sec>
</sec>
</sec>
<sec id="s4">
<title>4 Coherent receiver circuit implementation</title>
<sec id="s4-1">
<title>4.1 Offset-QAM transmitter modeling</title>
<p>The 4-offset-QAM transmitter was modeled using ideal spectre models supporting up to <inline-formula id="inf159">
<mml:math id="m179">
<mml:mrow>
<mml:mn>100</mml:mn>
<mml:mtext>GBaud</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to primarily evaluate the performance of the proposed CPR system at high baud rates. Additionally, the transmitter was extended to support 16-offset-QAM to assess the effectiveness of the proposed CPR system for higher-order offset-QAM modulation formats.</p>
</sec>
<sec id="s4-2">
<title>4.2 Circuit implementation of offset-QAM CPR system</title>
<p>
<xref ref-type="fig" rid="F12">Figure 12</xref> shows the block diagram of the coherent receiver that can be used for any levels of offset-QAM modulation. A detailed circuit implementation of the coherent receiver is provided below.</p>
<fig id="F12" position="float">
<label>FIGURE 12</label>
<caption>
<p>The circuit-level block diagram of the proposed Offset-QAM receiver.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="frcmn-06-1642672-g012.tif">
<alt-text content-type="machine-generated">Diagram of an optical transmission system featuring a Tx laser, Offset-QAM Transmitter (Tx), and ninety-degree hybrid filter. It shows signal processing with components like OpAmp, MUX, AFE, LPF, and CPR, with pathways for I and Q signals. Insets detail specific circuit designs for Driver, Buffer, MUX, OpAmp, Adder/Subtractor, and Comparator. The layout illustrates signal flow and circuit interfaces.</alt-text>
</graphic>
</fig>
<sec id="s4-2-1">
<title>4.2.1 Optical front-end (OFE)</title>
<p>The local laser is forwarded from the transmitter side through an ideal fiber (channel impairments have not been included). A thermal phase shifter with a 2&#xa0;kHz bandwidth in the LO path is used to adjust the LO phase via the CPR loop. At the receiver, the Rx and LO signals beat together in a <inline-formula id="inf160">
<mml:math id="m180">
<mml:mrow>
<mml:mn>90</mml:mn>
<mml:mo>&#xb0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> optical hybrid filter, followed by the photodetectors (PDs) with 50&#xa0;GHz bandwidth that decode the differential I and Q signals. All optical components utilized in the OFE are actual PDK components, enabling accurate system-level performance evaluation.</p>
</sec>
<sec id="s4-2-2">
<title>4.2.2 Carrier phase recovery system</title>
<p>In the carrier phase recovery block, the I and Q differential outputs are differenced in current mode using a subtractor, followed by a <inline-formula id="inf161">
<mml:math id="m181">
<mml:mrow>
<mml:mn>100</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;fF</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> capacitor for initial high-speed data filtering, generating an error signal proportional to <inline-formula id="inf162">
<mml:math id="m182">
<mml:mrow>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The error signal is then processed by an adder and a comparator, which select only the negative slope to ensure loop stability. The comparator is implemented using a non-clocked strong-arm latch comparator followed by inverters, with the first stage setting the bias point of the comparator.</p>
<p>To extract the average of the I and Q difference, a low-pass filter with a very low cutoff frequency is required. This is achieved using an active loop filter with high DC gain to guarantee zero remaining phase error between the LO and Rx signals. The loop filter consists of a differential operational amplifier (OpAmp) with <inline-formula id="inf163">
<mml:math id="m183">
<mml:mrow>
<mml:mn>62</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;dB</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> gain and <inline-formula id="inf164">
<mml:math id="m184">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;pF</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> capacitive feedback in series with a resistive-DAC, creating a variable zero that enhances both bandwidth and loop stability. The OpAmp architecture is shown in <xref ref-type="fig" rid="F12">Figure 12</xref>. The first stage is a telescopic design with common-mode feedback, while the second stage is a common-source amplifier with <inline-formula id="inf165">
<mml:math id="m185">
<mml:mrow>
<mml:mn>100</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;k</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> resistive feedback. The driver is a single transistor that continuously adjusts the LO phase shifter&#x2019;s phase until the loop locks and the phase offset is zero. The VDD and HVDD are 1&#xa0;V and 1.8&#xa0;V, respectively. <inline-formula id="inf166">
<mml:math id="m186">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">error</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> provides a swing range of 250&#xa0;mV to 1.8&#xa0;V that can compensate for approximately <inline-formula id="inf167">
<mml:math id="m187">
<mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> phase offset between the Rx and LO signals.</p>
</sec>
</sec>
</sec>
<sec id="s5">
<title>5 Simulation results</title>
<p>We have designed and simulated the proposed laser-forwarded carrier phase recovery system using GlobalFoundries monolithic 45&#xa0;nm silicon photonics PDK models in Cadence. The parameter values used in this design are listed in <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1</xref>. The baud rate is <inline-formula id="inf168">
<mml:math id="m188">
<mml:mrow>
<mml:mn>100</mml:mn>
<mml:mtext>GBaud</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, corresponding to data rates of <inline-formula id="inf169">
<mml:math id="m189">
<mml:mrow>
<mml:mn>200</mml:mn>
<mml:mtext>Gb/s</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for 4-offset-QAM and <inline-formula id="inf170">
<mml:math id="m190">
<mml:mrow>
<mml:mn>400</mml:mn>
<mml:mtext>Gb/s</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for 16-offset-QAM. Eye diagrams artifacts are mainly due to the bandwidth limitations of the photodetectors (<inline-formula id="inf171">
<mml:math id="m191">
<mml:mrow>
<mml:mn>50</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;GHz</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with a <inline-formula id="inf172">
<mml:math id="m192">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:mtext>fF</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> capacitance) which can be improved using equalization techniques. The laser has a linewidth of <inline-formula id="inf173">
<mml:math id="m193">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mtext>MHz</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and there is a <inline-formula id="inf174">
<mml:math id="m194">
<mml:mrow>
<mml:mn>0.1</mml:mn>
<mml:mtext>m</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> length mismatch between the Rx signal and LO paths. The CPR loop bandwidth is <inline-formula id="inf175">
<mml:math id="m195">
<mml:mrow>
<mml:mn>216</mml:mn>
<mml:mtext>kHz</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In these simulations, <inline-formula id="inf176">
<mml:math id="m196">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf177">
<mml:math id="m197">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>OMA</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are set to <inline-formula id="inf178">
<mml:math id="m198">
<mml:mrow>
<mml:mn>25</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mtext>A</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf179">
<mml:math id="m199">
<mml:mrow>
<mml:mn>250</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mtext>A</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and the AFE first stage is modeled as a <inline-formula id="inf180">
<mml:math id="m200">
<mml:mrow>
<mml:mn>220</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> resistor.</p>
<p>To evaluate the functionality of the design, we performed closed-loop simulations for a phase offset of <inline-formula id="inf181">
<mml:math id="m201">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> between the Rx and LO signals which is applied by an extra phase shifter in the LO path. <xref ref-type="fig" rid="F13">Figure 13A</xref> shows the eye diagram of I and Q signals for 4-offset-QAM at the PDs output (input of the AFE) under three different scenarios: without the CPR loop, with the CPR loop and no phase noise, and with the CPR loop in the presence of phase noise. It is worth mentioning that, to clearly observe the effect of laser phase noise on the eye diagrams, laser phase noise is the only noise source included in the simulation setup. As can be seen in this figure, the CPR loop is able to cancel the phase offset with less than <inline-formula id="inf182">
<mml:math id="m202">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#xb0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> residual phase error. However, in the presence of phase noise, the eye opening is reduced.</p>
<fig id="F13" position="float">
<label>FIGURE 13</label>
<caption>
<p>Simulated eye-diagrams of the I and Q channels at the AFE input nodes, for a 100 GBaud offset-QAM receiver with an example phase offset of <inline-formula id="inf183">
<mml:math id="m203">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> between signal and LO paths at: <bold>(a)</bold> 200&#xa0;Gb/s for 4-offset-QAM <bold>(b)</bold> 400&#xa0;Gb/s for 16-offset-QAM with offset-to-OMA ratio <inline-formula id="inf184">
<mml:math id="m204">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">OMA</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> equal to 0.1, carrier phase recovery loop bandwidth of 216&#xa0;kHz, laser linewidth of 1&#xa0;MHz and signal/LO path length mismatch of 10&#xa0;cm.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="frcmn-06-1642672-g013.tif">
<alt-text content-type="machine-generated">Four sets of eye diagrams compare 4-Offset-QAM and 16-Offset-QAM modulation with and without carrier phase recovery (CPR) and phase noise. Each set contains in-phase (I) and quadrature (Q) components. The upper set shows 4-Offset-QAM, and the lower set shows 16-Offset-QAM. In each set, diagrams without CPR show more jitter, while those with CPR exhibit clearer patterns. Differences in amplitude are noted, with specific measurements highlighted.</alt-text>
</graphic>
</fig>
<p>
<xref ref-type="fig" rid="F13">Figure 13b</xref> presents the results for <inline-formula id="inf185">
<mml:math id="m205">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for 16-offset-QAM. As seen in the figure, the proposed architecture successfully cancels the phase offset for 16-offset-QAM without requiring any changes to the design.</p>
<p>In the presence of phase noise, to achieve the same performance as in the absence of phase noise, we must reduce the phase noise power. This can be achieved by using a laser with a narrower linewidth, minimizing the length mismatch between the Rx signal and LO paths, or increasing the effective CPR closed-loop bandwidth, which is mainly limited by the thermal phase shifter bandwidth in this process.</p>
</sec>
<sec sec-type="conclusion" id="s6">
<title>6 Conclusion</title>
<p>We have proposed, modeled, and simulated a DSP-free offset-QAM coherent receiver architecture that can perform CPR for any offset-QAM modulation level (e.g., 4, 16, 64) without architectural adjustments that can solve the scalability problem of previously proposed DSP-free CPR systems for QAM modulation. Combined with laser-forwarding, we believe this method can become a solution for future low power coherent links inside data centers. We used electro-optical spectre models in Cadence using the GF45SPCLO for simulation. Received eye-diagram operating at a baud rate of 100Gbaud at the PD outputs are measured for both 4- and 16-offset-QAM. Additionally, we studied the effects of laser linewidths, LO/Rx signal fiber length mismatch, and CPR loop bandwidth on BER. We have also elaborated on the circuit block implementation of key loop components.</p>
<p>Realistic link scenarios assuming 1&#xa0;MHz laser linewidth and <inline-formula id="inf186">
<mml:math id="m206">
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> fiber length mismatch show that a 400&#xa0;Gb/s 16-Offset-QAM link with an SNR of <inline-formula id="inf187">
<mml:math id="m207">
<mml:mrow>
<mml:mn>19</mml:mn>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can meet the KP4 FEC requirements. Our proposed approach can become a solution to realize DSP-free linear coherent optical transceivers (both pluggables and CPO) for 400&#xa0;Gb/s links and beyond.</p>
</sec>
</body>
<back>
<sec sec-type="data-availability" id="s7">
<title>Data availability statement</title>
<p>The original contributions presented in the study are included in the article/supplementary material, further inquiries can be directed to the corresponding author.</p>
</sec>
<sec sec-type="author-contributions" id="s8">
<title>Author contributions</title>
<p>MR: Investigation, Software, Writing &#x2013; review and editing, Resources, Writing &#x2013; original draft, Methodology, Data curation, Formal Analysis, Validation, Visualization. DS: Methodology, Writing &#x2013; review and editing. PZ: Methodology, Writing &#x2013; review and editing. SM: Project administration, Conceptualization, Writing &#x2013; review and editing, Supervision, Funding acquisition.</p>
</sec>
<sec sec-type="funding-information" id="s9">
<title>Funding</title>
<p>The author(s) declare that financial support was received for the research and/or publication of this article. This work is supported by NSF CAREER (ECCS- 2142996), NSF ENG-SEMICON (ECCS-2430776) and SRC PKG Programs. The authors would like to thank GlobalFoundries for providing silicon fabrication and PDK through the 45SPCLO university partnership program.</p>
</sec>
<sec sec-type="COI-statement" id="s10">
<title>Conflict of interest</title>
<p>The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p>
</sec>
<sec sec-type="ai-statement" id="s11">
<title>Generative AI statement</title>
<p>The author(s) declare that no Generative AI was used in the creation of this manuscript.</p>
<p>Any alternative text (alt text) provided alongside figures in this article has been generated by Frontiers with the support of artificial intelligence and reasonable efforts have been made to ensure accuracy, including review by the authors wherever possible. If you identify any issues, please contact us.</p>
</sec>
<sec sec-type="disclaimer" id="s12">
<title>Publisher&#x2019;s note</title>
<p>All claims expressed in this article are solely those of the authors and do not necessarily represent those of their affiliated organizations, or those of the publisher, the editors and the reviewers. Any product that may be evaluated in this article, or claim that may be made by its manufacturer, is not guaranteed or endorsed by the publisher.</p>
</sec>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ashok</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Naaz</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kamran</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gupta</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021a</year>). <article-title>Analog domain carrier phase synchronization in coherent homodyne data center interconnects</article-title>. <source>J. Light. Technol.</source> <volume>39</volume>, <fpage>6204</fpage>&#x2013;<lpage>6214</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/jlt.2021.3096605</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B2">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ashok</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nambath</surname>
<given-names>N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gupta</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021b</year>). <article-title>Carrier phase recovery and compensation in analog signal processing based coherent receivers</article-title>. <source>J. Light. Technol.</source> <volume>40</volume>, <fpage>2341</fpage>&#x2013;<lpage>2347</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/jlt.2021.3135857</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B3">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chagnon</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lessard</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Plant</surname>
<given-names>D. V.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2016</year>). <article-title>336 Gb/s in direct detection below KP4 FEC threshold for intra data center applications</article-title>. <source>IEEE Photonics Technol. Lett.</source> <volume>28</volume>, <fpage>2233</fpage>&#x2013;<lpage>2236</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/LPT.2016.2590983</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B4">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chang</surname>
<given-names>S. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chung</surname>
<given-names>H. S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kim</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2009</year>). <article-title>Impact of quadrature imbalance in optical coherent qpsk receiver</article-title>. <source>IEEE Photonics Technol. Lett.</source> <volume>21</volume>, <fpage>709</fpage>&#x2013;<lpage>711</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/LPT.2009.2016759</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B5">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chul Park</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lu</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bloch</surname>
<given-names>E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Reed</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Griffith</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Johansson</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2012</year>). <article-title>40Gbit/s coherent optical receiver using a Costas loop</article-title>. <source>Opt. Express</source> <volume>20</volume>, <fpage>B197</fpage>&#x2013;<lpage>B203</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1364/OE.20.00B197</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">23262851</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B6">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Dick</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Harris</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rice</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2000</year>). &#x201c;<article-title>Synchronization in software radios. Carrier and timing recovery using FPGAs</article-title>,&#x201d; in <source>Proceedings 2000 IEEE symposium on field-programmable custom computing machines (cat. No.PR00871)</source>, <fpage>195</fpage>&#x2013;<lpage>204</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/FPGA.2000.903406</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B7">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ip</surname>
<given-names>E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lau</surname>
<given-names>A. P. T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Barros</surname>
<given-names>D. J. F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kahn</surname>
<given-names>J. M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2008</year>). <article-title>Coherent detection in optical fiber systems</article-title>. <source>Opt. Express</source> <volume>16</volume>, <fpage>753</fpage>&#x2013;<lpage>791</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1364/OE.16.000753</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">18542153</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B8">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Lam</surname>
<given-names>C. F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhou</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Coherent-lite for beyond 400GbE</article-title>. <source>IEEE</source> <volume>802</volume> (<issue>3</issue>).</citation>
</ref>
<ref id="B9">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sui</surname>
<given-names>Q.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yi</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2019</year>). &#x201c;<article-title>200 Gbit/s (68.25 gbaud) PAM8 signal transmission and reception for intra-data center interconnect</article-title>,&#x201d; in <source>Optical fiber communication conference (OFC) 2019</source> (<publisher-name>Optica Publishing Group</publisher-name>). <comment>W4I.3</comment>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1364/OFC.2019.W4I.3</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B10">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Xue</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yuan</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lu</surname>
<given-names>W.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fang</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2024</year>). <article-title>Dsp-free coherent detection for short-reach frequency-synchronous optical networks</article-title>. <source>J. Light. Technol.</source> <volume>42</volume>, <fpage>5128</fpage>&#x2013;<lpage>5133</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/jlt.2024.3386700</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B11">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Lu</surname>
<given-names>G.-W.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sk&#xf6;ld</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Johannisson</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhao</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sj&#xf6;din</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sunnerud</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2010</year>). <article-title>40-Gbaud 16-QAM transmitter using tandem IQ modulators with binary driving electronic signals</article-title>. <source>Opt. Express</source> <volume>18</volume>, <fpage>23062</fpage>&#x2013;<lpage>23069</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1364/OE.18.023062</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">21164647</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B12">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Mehta</surname>
<given-names>N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lin</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yin</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Moazeni</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Stojanovi&#x107;</surname>
<given-names>V.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>A laser-forwarded coherent transceiver in 45-nm SOI CMOS using monolithic microring resonators</article-title>. <source>IEEE J. Solid-State Circuits</source> <volume>55</volume>, <fpage>1096</fpage>&#x2013;<lpage>1107</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/JSSC.2020.2968764</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B13">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Mizutori</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Abe</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kodama</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Koga</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2017</year>). &#x201c;<article-title>Optical 16-qam signal homodyne detection by extracting&#x2b;/-<italic>&#x3c0;</italic>/4 and&#x2b;/-3<italic>&#x3c0;</italic>/4-phase symbols</article-title>,&#x201d; in <source>2017 optical fiber communications conference and exhibition (OFC)</source> (<publisher-name>IEEE</publisher-name>), <fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>3</lpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B14">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Movaghar</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Arrunategui</surname>
<given-names>V.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Maharry</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schow</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Buckwalter</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2023</year>). &#x201c;<article-title>A 112-gbps, 0.73-pJ/bit fully-integrated O-band IQ optical receiver in a 45-nm CMOS SOI-photonic process</article-title>,&#x201d; in <source>2023 IEEE radio frequency integrated circuits symposium (RFIC)</source> (<publisher-name>IEEE</publisher-name>), <fpage>5</fpage>&#x2013;<lpage>8</lpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B15">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Naffziger</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2023</year>). &#x201c;<article-title>Innovations for energy efficient generative AI</article-title>,&#x201d; in <source>2023 international electron devices meeting (IEDM)</source>, <fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>4</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/IEDM45741.2023.10413684</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B16">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Nagarajan</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lyubomirsky</surname>
<given-names>I.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Agazzi</surname>
<given-names>O.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Low power dsp-based transceivers for data center optical fiber communications (invited tutorial)</article-title>. <source>J. Light. Technol.</source> <volume>39</volume>, <fpage>5221</fpage>&#x2013;<lpage>5231</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/JLT.2021.3089901</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B17">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Nagarajan</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Martino</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Morero</surname>
<given-names>D. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Patra</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lutkemeyer</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Castrill&#xf3;n</surname>
<given-names>M. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2024</year>). <article-title>Recent advances in low-power digital signal processing technologies for data center applications</article-title>. <source>J. Light. Technol.</source> <volume>42</volume>, <fpage>4222</fpage>&#x2013;<lpage>4232</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/JLT.2024.3399032</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B18">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Patil</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sharma</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nambath</surname>
<given-names>N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gupta</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2016</year>). &#x201c;<article-title>Analog processing-based coherent optical receiver for 16-qam signals with 12.5 gbd baud rate</article-title>,&#x201d; in <source>2016 twenty second national conference on communication (NCC)</source> (<publisher-name>IEEE</publisher-name>), <fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>6</lpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B19">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Rakowski</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Meagher</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nummy</surname>
<given-names>K. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Aboketaf</surname>
<given-names>A. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ayala</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bian</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2020</year>). &#x201c;<article-title>45nm CMOS - silicon Photonics Monolithic Technology (45CLO) for next-generation, low power and high speed optical interconnects</article-title>,&#x201d; in <source>Optical fiber communication conference (OFC) 2020</source> (<publisher-name>Optica Publishing Group</publisher-name>). <pub-id pub-id-type="doi">10.1364/OFC.2020.T3H.3</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B20">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Rezaei</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sturm</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zeng</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Moazeni</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2024</year>). &#x201c;<article-title>Dsp-free carrier phase recovery system for laser-forwarded offset-qam coherent optical receivers</article-title>,&#x201d; in <source>2024 IEEE 67th international midwest symposium on circuits and systems (MWSCAS)</source> (<publisher-name>IEEE</publisher-name>), <fpage>1158</fpage>&#x2013;<lpage>1161</lpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B21">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Sadchenko</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kushnirenko</surname>
<given-names>O.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018</year>). <article-title>QPSK-modulation modem invariant to the rotation of the signal constellation plane</article-title>. <source>Electr. Control Commun. Eng.</source> <volume>14</volume>, <fpage>149</fpage>&#x2013;<lpage>156</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.2478/ecce-2018-0018</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B22">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Saleh</surname>
<given-names>A. A. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schmidtke</surname>
<given-names>K. E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Stone</surname>
<given-names>R. J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Buckwalter</surname>
<given-names>J. F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Coldren</surname>
<given-names>L. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schow</surname>
<given-names>C. L.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>INTREPID program: technology and architecture for next-generation, energy-efficient, hyper-scale data centers [Invited]</article-title>. <source>J. Opt. Commun. Netw.</source> <volume>13</volume>, <fpage>347</fpage>&#x2013;<lpage>359</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1364/JOCN.437858</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B23">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Sturm</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Moazeni</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2024</year>). &#x201c;<article-title>Compact and thermally-robust offset-qam optical transmitters using ramzi modulators</article-title>,&#x201d; in <source>2024 IEEE photonics society summer topicals meeting series (SUM)</source>, <fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>2</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/SUM60964.2024.10614516</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B24">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Valenzuela</surname>
<given-names>L. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Xia</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Maharry</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Andrade</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schow</surname>
<given-names>C. L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Buckwalter</surname>
<given-names>J. F.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2022</year>). <article-title>A 50-GBaud QPSK optical receiver with a phase/frequency detector for energy-efficient intra-data center interconnects</article-title>. <source>IEEE Open J. Solid-State Circuits Soc.</source> <volume>2</volume>, <fpage>50</fpage>&#x2013;<lpage>60</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/ojsscs.2022.3150291</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B25">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Xiao</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cheng</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2006</year>). &#x201c;<article-title>Improved implementation of Costas loop for DQPSK receivers using FPGA</article-title>,&#x201d; in <source>2006 international conference on communication technology</source>, <fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>4</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/ICCT.2006.341683</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B26">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Xie</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2022</year>). <article-title>Scaling optical interconnects for hyperscale data center networks</article-title>. <source>Proc. IEEE</source> <volume>110</volume>, <fpage>1699</fpage>&#x2013;<lpage>1713</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/JPROC.2022.3178977</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B27">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zhou</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2025</year>). &#x201c;<article-title>Im-dd vs. coherent in datacenters: a revisit in 2025</article-title>,&#x201d; in <source>2025 optical fiber communications conference and exhibition (OFC)</source>, <fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>28</lpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B28">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zhou</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gao</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Huo</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shieh</surname>
<given-names>W.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Theoretical analysis of phase noise induced by laser linewidth and mismatch length in self-homodyne coherent systems</article-title>. <source>J. Light. Technol.</source> <volume>39</volume>, <fpage>1312</fpage>&#x2013;<lpage>1321</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/jlt.2020.3038213</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B29">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zhou</surname>
<given-names>Y. R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Keens</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wakim</surname>
<given-names>W.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2023</year>). <article-title>High capacity innovations enabling scalable optical transmission networks</article-title>. <source>J. Light. Technol.</source> <volume>41</volume>, <fpage>957</fpage>&#x2013;<lpage>967</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/JLT.2022.3206277</pub-id>
</citation>
</ref>
</ref-list>
</back>
</article>