Neste trabalho o foco principal foi estudar o comportamento de transcetores eletro-óticos para redes sem fios de futura geração, particularmente os díodos de efeito de túnel ressonante (RTD, "Resonant Tunneling Diode"), sendo o principal objetivo permitir a transmissão de sinais com débitos na ordem dos 10Gbit/s. Este dispositivos comportam-se como osciladores optoeletrónicos, controlados por tensão e podem ser usados, quer na transmissão quer na receção, operando quer no domínio ótico, quer no domínio elétrico.
O RTD é caracterizado por apresentar uma estrutura de dupla barreira de potencial, dado que existe uma camada de InGaAs entre duas camadas de AlAs, cujo os níveis de energia potencial são diferentes, formando o denominado poço quântico de dupla barreira (DBQW, "Double Barrier Quantum Well"). Na ausência de polarização, não há condução de corrente devido a um equilíbrio térmico.
Quando a tensão de polarização começa a aumentar a energia das partículas incidentes (eletrões) vai aumentando, permitindo que os eletrões comecem a atravessar a barreira de potencial, através de um efeito de túnel ressontante. Quando a energia dos eletrões iguala o nível de energia do poço quântico, o coeficiente de transmissão atinge um máximo. Nesse instante, o aumento da tensão de polarização irá fazer com o nível de energia dos eletrões seja muito superior à energia de potencial do poço quântico, fazendo com que não existam eletrões para atravessar eficientemente esta barreira, provocando assim uma diminuição da corrente, dando origem à região de resistência diferencial negativa (NDR, "Negative Differential Resistance"). É nesta região que o RTD funciona como transmissor, induzindo no circuito oscilações elétricas cujo a frequência é determinada pela capacidade intrínseca do RTD e pela indutância equivalente do circuito. O aumento da tensão de polarização fará com que a corrente volte a aumentar quando os níveis de energia dos eletrões atingirem um segundo nível de energia de ressonância.
O RTD tem duas portas, uma DC e uma RF ("Radio Frequency"). Na transmissão, o sinal é injetado pela porta DC, através da qual é feita a polarização do RTD, enquanto na receção o sinal é injetado na porta RF.
O facto do RTD ter uma camada fotossensível, faz com que seja possível fazer incidir um feixe de luz, permitindo assim transmitir um sinal ótico, que é convertido em elétrico, aproveitando as características do RTD funcionar também como um PD ("Photodetector").
Por sua vez, a receção pode ser realizada somente recorrendo ao RTD ou integrando um LD ("Laser Diode"), isto para que seja possível receber um sinal elétrico e fazer a sua conversão para o domínio ótico.
Sendo um dispostivo de pequenas dimensões e podendo atuar como transmissor e recetor, permitindo transmissões a altos débitos, esta poderá ser uma solução muito vantajosa para redes de futuras gerações, pois poderiam ser facilmente integrados nos AP's, reduzindo substancialmente o tamanho dessas células.
Sendo assim, foi desenvolvido um modelo no software ADS ("Advanced Design System") para representar o circuito equivalente do RTD e realizadas diversas simulações, para estudar o comportamento destes circuitos em sistemas de comunicação de rádio sobre fibra.
Desse modo, foi implementado um circuito RTD-PD e um circuito RTD-LD, para testar a transmissão e receção, respetivamente, variando parâmetros tais como a tensão de polarização, a potência elétrica/ótica do sinal injetado e ainda diferentes formatos de modulação elétrica.
Os resultados obtidos permitiram concluir que estes dispositivos não apresentam uma largura de banda como era expectável, uma vez que não permitem débitos superiores a 500MHz, devido ao circuito onde se encontram inseridos.
Posteriormente foi realizada uma implementação em ambiente laboratorial dos transcetores ("downlink" e "uplink") através de injeção ótica e elétrica de sinal, de modo a validar o modelo desenvolvido anteriormente, cujo os resultados foram semelhantes aos obtidos nas simulações.
No entanto, no dominio ótico os resultados experimentais não foram tão satisfatórios, devido às não-linearidades do sistema real, às perdas óticas, à eficiência do laser à dificuldade em realizar o alinhamento da fibra ótica com a janela ótica do RTD (perdas de acoplamento).In this work the main focus was to study the behavior of electro-optical transceivers for future generation wireless networks, particularly resonant tunneling diode. The main objective is to allow the transmission of signals with rates of 10Gbit/s. These devices behave as optoelectronic oscillators, voltage controlled and can be used both in transmission and reception, operating either in the optical domain or in the electrical domain.
The RTD is characterized by a double barrier structure, since there is a layer of InGaAs between two layers of AlAs, whose potential energy levels are different, forming the so-called Double Barrier Quantum Well (DBQW)". Without polarization, there is no current conduction due to a thermal equilibrium.
When the bias voltage begins to increase, the energy of the incident particles (electrons) increases as well, allowing the electrons to begin to pierce the potential barrier, through a resonant tunnel effect. When the electron energy equals the energy level of the quantum well, the transmission coefficient reaches a maximum local. At that time, the increased polarization voltage will cause the electron energy level to be much higher than the potential energy of the quantum well, so that there are no electrons to efficiently cross this barrier, thus causing a decrease in current, giving rise to the Negative Differential Resistance (NDR) region. In this region, the RTD functions as a transmitter, inducing electrical oscillations in the circuit, whose frequency is determined by the RTD intrinsic capacity and equivalent inductance circuit. Increasing the bias voltage will cause the current to increase again as the energy levels of the electrons reach a second resonance energy level.
The RTD has two ports, one DC and one RF ("Radio Frequency"). In the transmission, the signal is injected through the DC port, through which the RTD is polarized, while at the reception the signal is injected into the RF port.
The fact the RTD has a photosensitive layer makes it possible sending a beam of light, thus allowing the transmission of an optical signal, which is converted to electric, taking advantage of the characteristics of the RTD to also function as a photodetector (PD).
The reception can be performed by using the one only RTD or by integrating an Laser Diode (LD), so that it is possible to receive an electrical signal and convert it to the optical domain.
Being a small device able and to act as a transmitter and receiver, allowing transmissions at high speeds, this could be a very advantageous solution for future generation wireless networks, since they could be easily integrated into the APs, substantially reducing the size of these cells.
Therefore, a model was developed in ADS ("Advanced Design System") software to represent the RTD equivalent circuit and several simulations were carried out to study the behavior of these circuits in radio-over-fiber communication systems.
Therefore, an RTD-PD circuit and an RTD-LD circuit were implemented to test the transmission and reception, respectively, by varying parameters such as the polarization voltage, the electric/optical power of the injected signal and different electrical modulation formats .
The obtained results allowed to conclude that these devices do not present a bandwidth as was expected, since they do not allow rates higher than 500MHz, due to the circuit where it is inserted.
Subsequently, an implementation in the laboratory environment of the transceivers ("downlink" and "uplink") was performed by optical and electric injection of the signal, in order to validate the previously developed model, whose results were similar to those obtained in the simulations. .
However, in the optical domain, the experimental results were not satisfactory, due to the non-linearities of the real system, optical losses, laser efficiency and the difficulty in aligning the optical fiber with the optical window of the RTD (coupling losses)
