José Figueiredo
(short bio)
Faculdade de Ciências e Tecnologia
Universidade do Algarve
Center
for Electronics, Optoelectronics and Telecommunications (CEOT)
E-mail: jlongras@ualg.pt
URL: http://w3.ualg.pt/~jlongras/
Radio-Fibra
- Rádio sobre fibra / Radio over
Fiber (RoF)
Título do projecto (em português)
WOWi - Interfaces electro-ópticas
para redes de acesso picocelulares
Project title
(in english)
WOWi - Wireless-optical-wireless
interfaces for picocellular access
networks
Refª PTDC/EEA-TEL/100755/2008.
Projecto financiado pela Fundação
para a Ciência e a Tecnologia (FCT)
Sumário / Summary
Instituições / Institutions
Equipa / Team
Project outputs
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Sumário
As tecnologias actuais de redes sem fios ou de fibras
ópticas não são soluções economicamente competitivas para responder à
crescente procura de sistemas capazes de assegurar simultaneamente
capacidade, cobertura, largura de banda, e mobilidade
significativamente superiores às actuais, em espaços como centros de
conferências, edifícios universitários, aeroportos, hotéis, centros
comerciais, pequenos escritórios e blocos residenciais [1].
As redes Rádio sobre Fibra (RoF, Radio over Fiber) são
consideradas as soluções mais promissoras e economicamente viáveis para
a implementação de redes de acesso sem fios. Baseiam-se no transporte
de sinais de rádio frequência (RF) usando portadoras ópticas desde as
estações centrais (CO, Central Offices),
até aos pontos de acesso sem fios (AP, Acesss
Points) [2]. Esta tecnologia de redes
permite aproximar dos utilizadores finais, fixos e móveis,a
elevada largura de banda das comunicações ópticas possibilitando a
disponibilização de múltiplos serviços [2].
A próxima geração de sistemas de comunicação sem fios, sistemas de
quarta geração (4G), usará frequências na gama de 2 GHz e 8 GHz [3,4].
Nesta banda de frequências, taxas de transmissão de dados da ordem de
Gb/s apenas serão possíveis se as dimensões da célula de acesso forem
reduzidas consideravelmente. Os pontos de acesso com apenas alguns
metros de alcance baseados nesta tecnologia são designados
pico-células, e permitirão largura de banda elevada e grande mobilidade
ao utilizador [2]. Porém, as redes RoF de
pico-células só serão economicamente viáveis se forem implementadas com
conversores electro-ópticos de muito baixo
custo e elevada eficiência.
A solução mais simples consiste no uso de díodos laser (LD, Laser Diode) modulados directamente para obter a
função “uplink” e de foto-detectores
simples para a função “downlink”. Porém,
estas soluções requerem o uso de amplificadores de alta potência [2].
As soluções baseadas em moduladores de electro-absorção
e amplificadores ópticos semicondutores que permitam simplificar a conversão eléctrico/óptico, funcionando
simultaneamente como detector/modulador [5], são mais indicadas para
sistemas na banda milimétrica, tipicamente 60 GHz, devido à
complexidade electrónica associada e ao custo quando comparadas com a
anterior [6].
Esta proposta propõe uma nova solução de baixo custo para os pontos de
acesso sem a necessidade de conversão de frequência e de
optoelectrónica e electrónica adicionais, usando circuitos não lineares
baseados na integração de osciladores de díodos de efeito túnel
ressonante (RTD) com díodos laser (LD) e com foto-detectores (PD), para
implementar as funções “uplink” e “downlink”, respectivamente.
O RTD é um nano-dispositivo electrónico com característica
corrente-tensão em forma de N, exibindo uma região de resistência
diferencial negativa (NDR) que aqui é utilizada para implementar
osciladores eléctricos de elevada frequência [7].Os circuitos RTD-LD,
obtidos integrando um RTD com um LD, apresentam novas funcionalidades
optoelectrónicas como, por exemplo, a capacidade de funcionarem como
osciladores optoelectrónicos controlados por tensão [8,9], produzindo
uma portadora óptica com uma profundidade de modulação determinada
essencialmente pelas características do RTD [10]. Estes osciladores
quando perturbados por sinais RF sem fios de muito baixa potência (<-40 dBm)
sincronizam e amplificam os sinais eléctricos incidentes, que por sua
vez, ao modular o laser, introduzem na portadora óptica uma sub-portadora com as mesmas características do
sinal sem fios incidente [11], funcionando como transdutores electro-ópticos (E/O).
O circuito RTD-PD complementar, obtido integrando um RTD com uma região
foto-condutora, é capaz de
sincronizar com a sub-portadora de um
sinal óptico incidente [11]. Esta funcionalidade é utilizada para a
transferência da sub-portadora óptica do
domínio óptico para o domínio eléctrico, que é também amplificada pelo
RTD [11]. O RTD-PD funciona como transdutor optico-eléctrico
(O/E). A amplificação eléctrica intrínseca associada aos osciladores
RTD e a simplicidade destes circuitos torna possíveis implementações de
pontos de acesso de baixo custo e mais fiáveis. Este conceito foi
objecto de um pedido de patente no Reino Unido, submetido recentemente
pela Universidade de Glasgow, em pareceria com a
Universidades do Algarve [12].
O “know-how” do IR em dispositivos e
circuitos optoelectrónicos baseados em RTDs,
e as competências dos restantes membros da equipa na área de modelação,
sistemas RoF, sistemas de comunicação
óptica e redes WDM, garantem a capacidade de realização dos objectivos
da proposta: demonstrar funções de “uplink”
e de “downlink” de baixo custo e reduzida
complexidade para futuros pontos de acesso das redes RoF, baseadas em circuitos osciladores RTD-LD e
RTD-PD não-lineares, respectivamente. Actualmente, dois membros da
equipa estão envolvidos em paralelo no projecto PTDC/EEA-TEL/71678/2006
com o objectivo de demonstrar uma rede RoF
reconfigurável que opera na banda de frequências milimétricas.
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Summary
Current wireless or optical
technologies alone can not provide
economically competitive solutions for the growing demand for
communication networks capable of simultaneously ensuring higher
capacity, coverage, bandwidth, and mobility in environments such as
conference venues, university buildings, airports, hotels, shopping
centers, and in the end to small offices and homes. Optical-wireless
access solutions based on the integration of radio signals into optical
carrier at a central office (CO) that are then transmitted by optical
fiber to the wireless access point (AP), known as radio-over-fiber (RoF) networks, are being considered the most
promising solution because they can bring the optical network
bandwidths closer to the fixed and to the mobile users and at same time
allowing the deliver of multiple services.
The next generation
wireless-communication systems will use air frequencies in the range of
2-8 GHz. With these frequencies Gb/s data rates are possible only if
cell size is reduced considerably. The so-called pico-cellular
optical-wireless access with few meters range cells are being
considered as a highly promising route for delivering high bandwidth
and mobility access for in-building applications.
Due to the moderate frequencies and the fiber transmission lengths
involved (few km at maximum), the most cost-effective access point (AP)
interface transponder solution is to use direct laser diode modulation
for uplink and direct photo-detection for downlink. These solutions
require the use of high power amplifiers and other RF processing
electronics. Solutions employing electro-absorption modulators and
semiconductor optical amplifiers can simplify electrical/optical
conversion because these devices can perform detector/modulator
functions simultaneously. However, they need complex optoelectronics
and electronics for signals processing, which increase cost, complexity
and power consumption.
Recognizing that a major challenge
towards economically viable pico-cellular RoF networks is to implement low cost cell
transponders with high efficient electrical and optical
functionalities, we propose to investigate electrical optical (E/O)
uplink and optical-electrical (O/E) downlink transponder functions
using non-linear circuits based on the integration of resonant
tunneling diode (RTD) oscillators with laser diodes (LD) and
photo-detectors (PDs), respectively. The main advantages of these
circuits are their intrinsic RF signals amplification and circuit
simplicity, which makes them low-cost and more reliable.
The RTD is a nano-electronic
device with a N shaped current-voltage
characteristic exhibiting a negative differential resistance (NDR)
region that can be used to implement high frequency electrical
oscillators. When integrated with optoelectronic devices, such as LDs,
can lead to novel optoelectronic functionalities such as optoelectronic
voltage controlled oscillators (OVCO). This RTD-LD free-running
oscillator when perturbed by radio-frequency broadcasted signals can
synchronize and amplify very low power (<-40 dBm)
incoming wireless signals, with the laser modulation depth being mainly
determined by the NDR extension and not by wireless signal level. The
oscillator locking range allows also a dynamic use of the frequency
spectra available. This novel OVCO concept works as a
wireless-to-optical interface converting a received low power wireless
signal into an optical signal sub-carrier.
A complementary circuit is obtained
integrating a RTD oscillator with a photoconductive region, the RTD-PD
oscillator, that when directly illuminated by a modulated optical
signal locks to the optical signal subcarrier. The optical injection
locking capacity is used to O/E conversion to implement
optical-to-wireless interfaces where the electrical output power is
determined by the NDR region extension.
The objective of our proposal is to demonstrate simple and low-cost
downlink and uplink transponder functions using RTD-LD and RTD-PD
oscillators, based on locking to wireless and to optical injected
signals, respectively. This proposal foresees a low-cost AP solution
with no need of format and frequency conversion or complex
optoelectronic and electronic circuitry, such as high power amplifiers.
A UK
patent application of this concept was filled last November.
The PI know-how on RTD based
optoelectronic circuits, and other team members’ wide range of skills
that includes knowledge of RoF systems,
optical communication systems, and WDM networks, makes the team well
qualified to accomplish the main goals of the proposal: implement
access point E/O and O/E transponders uplink and downlink using RTD-LD
and RTD-PD oscillators. Two member of the team are also involved with
the project PTDC/EEA-TEL/71678/2006 aiming the demonstration of a
reconfigurable RoF network operating at
millimeter-wave frequencies.
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Instituições
Participantes / Participating Institutions
Centro de Electrónica
Optoelectrónica e
Telecomunicações (CEOT/UAlg)
Instituto de Engenharia de
Sistemas e Computadores
do Porto (INESC Porto/FE/UP)
Unidade de Investigação Adicional / Additional Research Unit
Department of Electronics
and Electrical
Engineering, University
of Glasgow, UK
Instituto de Microelectrónica de Sevilla, IMSE-CNM, Universidad
de
Sevilla, Spain
Instituição de Acolhimento / Host
Institution
Universidade do Algarve (UAlg)
Equipa de investigação / Research team
José
Figueiredo
(CEOT/UALG) - Inv. Responsável
/ Principal Investigator
Bruno
Romeira
(CEOT/UALG)
Horacio Cantu
(CEOT/UALG)
Ricardo Luz (MSc
student)
Lígia Luís (MSc student)
Henrique Salgado (INESC Porto/FE/UP)
João Oliveira (INESC Porto/FE/UP)
Luis Pessoa (INESC Porto/FE/UP)
Carmo Medeiros (CEOT/UALG)
Ricardo Avó (CEOT/UALG)
- Conversion of Phase
Modulated Signals from Optical Network to
Wireless Domain using Resonant Tunneling Diode Optoelectronic
Integrated
Circuits, Horacio Cantu; Bruno Romeira;
Krishna Seunarine; Anthony Kelly; Charles Ironside; Jose Figueiredo;
to be
presented at The Optical Fiber
Communication
Conference 2012 (OFC/NFOEC
2012).
(PDF)
- Nonlinear dynamics of a Liénard
delayed-feedback
optoelectronic oscillator, B. Romeira, J.
M. L. Figueiredo, C. N. Ironside, K. Seunarine,
and J. Javaloyes,
Joint conference Third International
Workshop on
Nonlinear Dynamics and Synchronization (INDS'11) and Sixteenth
International Symposium on Theoretical Electrical Engineering
(ISTET'11),
Session: Nonlinear Dynamics, chaos and Synchronization - 2, Klagenfurt,
Austria, July 25-27, 2011. (PDF)
- Clock Recovery of an Injection-Locked Resonant Tunneling Diode
Microwave-Photonics Oscillator, B. Romeira,
L. M.
Pessoa, H. M. Salgado, S. Silva, J. M. L. Figueiredo,
13th International Conference on Transparent Optical
Networks
(ICTON 11), paper We.C5.6, Stockholm, Sweden, June 26-30, 2011. (PDF)
- A Liénard optoelectronic oscillator with
time-delayed feedback, B. Romeira, K. Seunarine, C. N. Ironside,
J. Javaloyes, A. E. Kelly, J. M. L. Figueiredo,
The European Conference on Lasers and
Electro-Optics
(CLEO) and the European Quantum Electronics Conference (EQEC)
Conference
Digest, OSA Technical Digest (CD) (Optical Society of America, 2011),
paper
CI3.2, Munich, Germany, May 22-26, 2011. (PDF)
- Review of optoelectronic oscillators based on modelocked
lasers and resonant tunneling diode optoelectronics, C. N. Ironside,
M. Haji, L. Hou, J. Akbar, A. E. Kelly, K.
Seunarine, B. Romeira,
J. M. L. Figueiredo, International
Conference on Applications of Optics and Photonics (AOP11),
Proc. SPIE
8001, 80011T, Braga, Portugal, May 3-7, 2011. (PDF)
- Optoelectronic Oscillator Topologies based on Resonant Tunneling
Diode Fiber
Optic Links, B. Romeira, J. M. L Figueiredo,
K. Seunarine, C. N. Ironside,
International Conference on Applications of
Optics and
Photonics (AOP11), Proc. SPIE 8001, 80011T, Braga, Portugal, May
3-7,
2011. (PDF)
- A Self-Synchronized Optoelectronic Oscillator based on an RTD
Photo-Detector
and a Laser Diode, B. Romeira, K. Seunarine,
C. N. Ironside, A. E. Kelly, J. M. L. Figueiredo, Photon. Technol.
Lett., 23 (16), pp. 1148-1150, 2011.
(PDF)
- DC Characterization of Tunnel Diodes Under Stable
Non-Oscillatory
Circuit Conditions, L. Wang, J. M. L. Figueiredo,
C. N. Ironside, E. Wasige,
IEEE Transactions on Electron Devices, 58 (2), pp. 343-347, 2011. (PDF)
- Applications of laser diode sources with integrated resonant tunnelling diode technology, C. N. Ironside,
B. Romeira, K. Seunarine,
,
A. E. Kelly, T. J Slight, and J. M. L. Figueiredo,
Photonex2010 – Industry Programme,
C6: Novel Sources and detectors, Telford, UK, 3-4
November 2010. (PDF)
- Optical Control of a Resonant Tunneling Diode
Microwave-Photonic
Oscillator, B. Romeira, J. M. L. Figueiredo,
C. N. Ironside, A. E. Kelly, T. J. Slight,
IEEE Photonics
Technology Letters, vol. 22, no. 21, pp. 1610-1612, 2010. (PDF)
- An Optoelectronic Oscillator based on a Resonant Tunneling Diode
Photo-Detector Integrated Chip, B. Romeira,
K. Seunarine, C. N. Ironside,
A. E. Kelly,
T. J Slight, J. M. L. Figueiredo, The 23rd Annual Meeting of the IEEE
Photonics Society, paper MD4, Denver,
Colorado, USA, 7-11 November, 2010. (PDF)
- Microwave-Photonic Oscillators for Radio-over-Fibre
Access Networks, J. M. L. Figueiredo, B. Romeira, T. J. Slight, C. N. Ironside,
VIII
Symposium On Enabling Optical
Networks and Sensors (SEON 10), FEUP, Porto,
Portugal, 2010. (PDF)
- Microwave Photonic Oscillators for Femtocellular
Access Networks, B. Romeira, T. J. Slight,
A. E.
Kelly, C. N. Ironside, J. M L Figueiredo,
15th
European Conference on Networks
and Optical Communications (NOC 2010), Components
and modulation strategies, Faro-Algarve,
Portugal, 8-10 Junho 2010. (PDF)
- Interfaces and Method For Wireless-Optical and
Optical-Wireless Conversion, J. M. L. Figueiredo,
B. Romeira, C. N. Ironside,
T. J. Slight, 2010, Patent Application GB2465184-A; Patent Application WO2010052481-A1
(publication date
14-05-2010).
(PDF)
- Telecommunications interfacing systems and methods, Patent
Application No
GB0820432.3 (publication date 12-05-2010).
(PDF)
- Optical injection locking of a resonant tunneling diode - optical
waveguide
photo-detector, Bruno Romeira, José Figueiredo, C. N. Ironside,
A. E.
Kelly, T. J. Slight, 15th
European Conference on
Integrated Optics (ECIO 2010), Cambridge,
April 7-9, 2010. (PDF)
Departamento de
Física & CEOT-UALG, Faculdade de Ciências e Tecnologia,
Universidade do Algarve, Campus de Gambelas, 8005-139 FARO, Portugal. E-mail: jlongras@ualg.pt, URL: http://w3.ualg.pt/~jlongras/