Cb vh LASER

UNIVERSIDAD A U T ~ N O M AMETROPOLITANA
PLANTEL IZTAPALAPA
C b74
-
,, -.L
c
PROYECTO DE INGENIERÍA ELECTR~NICAm:
SISTEMA DE COMUNICACI~NPARA DOS COMPUTADORAS PERSONALES
v h LASER
ASESOR: ING. CESAR JALPA VILLANUEVA
INTEGRANTES:
HERNANDEZ QUINTANA MARCIAL
HERRERA EUDAVE JUAN MANUEL
íNDICE
1. INTRODUCCI~N
2. CANALES ÓPTICOS DE COMUNICACI~N
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
ANTECEDENTES
DETECCI~NÓPTICA
ALGUNAS VENTAJAS DE LOS SISTEMAS LÁSER
APLICACIONES CONCRETAS
TEORÍA
INTRODUCCI~NA LOS SEMICONDUCTORES LÁSER
2.6.1 DISPOSITIVOS Y RADIACI~NLÁSER
2.6.2 PARTES DE UN SISTEMA LÁSER
2.6.3 LONGITUDES DE ONDA DE LÁSER'S
2.6.4 RADIACI~NDE LUZ LÁSER
2.6.5 POTENCIA DE SALIDA
2.6.6 LÁSER SEMICONDUCTOR
2.6.7 INTERIOR DE UN SEMICONDUCTOR LÁSER
2.6.8 MONITOREO DE LA POTENCIA DE SALIDA
2.6.9 MEDIDAS DE SEGURIDAD EN EL MANEJO DE DIODOS LÁSER
3. SISTEMA DE COMUNICACI~NLÁSER ENTRE 2 PC'S
3.1 INTERFACE RS-232
3.2 SISTEMA ÓPTICO
3.3 EFECTO DE LAS CONDICIONES ATMOSFÉRICAS EN EL SISTEMA
3.3.1 ABSORCIÓN
3.3.2 DISPERSI~N
3.3.3 NIEBLA YESMOG
3.3.4 LLUVIA
3.3.5 NIEVE
3.3.6 TITILACI~N TÉRMICA
3.4 EL PROBLEMA DE ALINEAMIENTO
I
INDICE (cont.)
4. SOFTWARE DE COMUNICACIONES ENTRE
MICROCOMPUTADORAS
5. DESARROLLO DEL SISTEMA
6. CONCLUSIONES
7. BIBLIOGRAFÍA
1. INTRODUCCI~N
La mayoría de las ocasiones en las cuales se instala un equipo de comunicaciones sea este vía
satélite, microondas, radio u otro tipo, se encuentra uno con el problema de retransmitir la señal a
pocos o hasta cientos de metros de distancia que puede haber entre el equipo terminal de datos (por
ej. una PC) y el equipo de terminación de datos (por ej. un módem); es entonces cuando surge la
interrogante de que equipo auxiliar instalar: jmicroondas nuevamente?, j o acaso radio?, jcableado
subterráneo o aéreo?, éstas opciones son buenas pero costosas para ciertas aplicaciones, de esta
forma se plantea como opción a dicha interrogante un sistema electrónico el cual utilizando como
canal de comunicaciones el espacio aéreo permite la comunicación de dos computadoras personales a
través de un haz de láser.
El sistema presentado permite la transferencia de datos (o archivos) entre dos PC's, además este
proyecto permitirá a su vez fijar una plataforma para un desarrollo posterior del mismo para futuros
trabajos entre los cuales por mencionar sólo algunos tenemos: multiplexación de canales de datos,
multiplexación de canales de voz y datos.
2.CANALES ÓPTICOS DE COMUNICACI~N
2.1 ANTECEDENTES
E s bien sabido que la comunicación por medios luminosos fue empleada por los indios
norteamericanos, cuyas fogatas y señales de humo portaban información. Los marinos han usado un
sistema de luces intermitentes para enviar mensajes. Estos métodos son un poco lentos y limitados en
utilidad; un intento para instrumentar un canal Óptico de comunicaciones de alta velocidad fue hecho
en 1880 por Alejandro Graham Bell, y aún antes, se demostró que una pequeña flama de gas podría
ser modulada en audiofrecuencias. En 1916, Rankine desarrollo un dispositivo denominado "foto
fono" en el cual la voz podía ser enviada vía un haz de luz a varios kilómetros de distancia. Los
sistemas electrónicos de comunicación por luz fueron usados por primera vez en 1935 por la armada
alemana. Así, aunque en el pasado la ausencia de fuentes adecuadas de alimentación, moduladores y
receptores impidió su desarrollo, la idea de emplear la luz como portadora de información no es
nueva.
2.2 DETECCI~NÓPTICA
El efecto foto conductivo, por el cual la resistencia eléctrica de ciertos materiales se disminuye
debido a un cambio en su temperatura, fue observado por W. Smith en 1873, trabajando con selenio.
En 1917, se desarrollaron detectores foto conductivos los cuales llevaron a un tipo de células las
cuales fueron empleadas durante la Segunda Guerra Mundial.
El énfasis en la respuesta en frecuencia no fue muy importante hasta el advenimiento del laser,
aunque D. Holshouser se encontraba trabajando en un foto multiplicador de respuesta a las
microondas cuando surgió el laser.
Desde el laser, se han enfocado diversas investigaciones a los foto diodos con respuesta en el
espectro de microondas, también en fotoguas de ondas viajeras, las cuales han hecho un buen uso de
los recientes avances en tecnología de microondas.
2.3 ALGUNAS VENTAJAS DE LOS SISTEMAS LÁSER
Las ventajas de los sistemas laser de información sobre sistemas que emplean otras formas de
radiación electromagnética yace principalmente en los siguientes puntos:
1. S u diredvidad, lo cual significa una gran ganancia de antena (con pequeños tamaños de
antena), y por tanto una menor potencia requerida para transmisión.
2. Disponibilidad del espectro y anchos de banda permitidos para transmisión de información
2.4 APLICACIONES CONCRETAS
Alrededor del mundo, ingenieros y científicos se han enfrascado en una carrera por averiguar
como transmitir volúmenes de información a velocidades mayores y a mayores distancias que las
permitidas por los actuales sistemas de comunicación por fibras Ópticas. El centro de su atención es
una nueva fuente de luz para estos sistemas de comunicación: el diodo semiconductor laser de mono
frecuencia. Este dispositivo opera en forma estable en una sola frecuencia y no es mas grande que un
grano de sal.
Científicos de Japón y de los laboratorios Bell en Estados Unidos compiten por el primer lugar
para transmitir a grandes distancias y velocidades altas empleando dos tipos de diodos
semiconductores láser mono frecuencia. Un claro ejemplo lo mostraron los japoneses a principios de
1983 cuando emplearon un diodo laser mono frecuencia con retroalimentación distribuida para
transmitir información a 445.8 Mbps a una distancia de 134.23 kilómetros de fibra Óptica sin la
necesidad de repetidores. L a tasa de error fue de sólo 1 en un billón de bits.
A estas tasas de velocidad el texto completo de 30 volúmenes de una enciclopedia, tal como la
enciclopedia británica podría transmitirse de Los Ángeles a San Diego (alrededor de 100 millas de
distancia) en un segundo; la Única falla posible sería que en uno de 5 o 10 de los volúmenes
transmitidos, una letra pudiese ser mayúscula en lugar de minúscula.
2.5 TEORÍA
L a teoría de la información nos lleva, en una forma cuantitativa con los aspectos teóricos del
envío y recepción de información. L a cantidad de información que puede ser enviada sobre un canal o
enlace de comunicaciones depende de parametros del sistema tales como ancho de banda y niveles de
señal a ruido.
Para que se envíe información, un cambio debe ocurrir en la portadora. Más específicamente,
una portadora sin modular no proporciona ningún tipo de información. L a onda senoidal repetitiva de
una portadora no cambia en forma impredecible con el tiempo y por lo tanto no podemos extraer
información de ella. Suponiendo que la portadora esta presente por un periodo infinito; cualquier
cambio de un estado encendido a uno de apagado de la portadora representa una modulación, y por lo
tanto se puede enviar información. Si el cambio de encendido o apagado ocurre a intervalos precisos
en una forma regular durante todo el periodo de observación, se puede decir que no se envía
información, debido a que aún cuando existe un cambio, el cambio es perfectamente predecible. Por
lo tanto es importante agregar cierta incertidumbre junto a la información. Especifica mente,
podemos decir que mientras mas grande sea la incertidumbre agregada al contenido del mensaje,
mayor sera la cantidad de información que sea percibida en el extremo receptor. L a incertidumbre
esta relacionada con el grado de probabilidad del evento. Así,incertidumbre y probabilidad se pueden
relacionar.
Si hay un tiempo T en el cual podemos enviar un mensaje, nos gustaría saber cuanta
información puede ser enviada en dicho instante. Además, ¿por que no podemos enviar una mayor
cantidad de información en el mismo tiempo?. En el caso de la teoría electromagnética clásica, los
limites para el caso general han sido determinados, y resultan de las siguientes consideraciones:
1. L a rapidez con la cual uno puede cambiar la señal no incrementa indefinidamente, y estará
limitada por la energía almacenada en los dispositivos del sistema.
2.Limitaciones producidas por fluctuaciones aleatorias o ruido
L a primera limitante afecta al numero de cambios de la señal dentro del periodo de tiempo, y la
segunda restringe el número de niveles distinguibles que uno puede tener en cualquier periodo de
tiempo. Si no hubiese ruido, entonces podría enviarse información indicando un mensaje distinto con
cada cambio infinitesimal en amplitud de la señal recibida. El ruido impide lo anterior, restringiendo
la cantidad de información. En forma similar, dentro del periodo de tiempo T, cualquier restricción en
la velocidad a la cual podemos "señalizar" (i.e. cambiar la forma de onda recibida) restringe el
número de mensajes dentro de un tiempo dado y así restringe la cantidad de información .
requerido para un cambio de energía y un
Para cada sistema, existirá un tiempo mínimo
cambio detectable mínimo de amplitud en la señal . L a "cantidad de información I' que puede ser
enviada se determina por estos parametros y se le puede denominar como capacidad de información
del sistema.
L a capacidad del sistema, lo cual es la tasa maxima permitida para enviar información , puede
ser cuantitativamente relacionada a 'C y a n, el número de niveles distinguibles.
Conociendo ct: y n, podemos llegar al número de señales diferentes en amplitud de la forma de
onda que son distinguibles en un tiempo dado T. Es decir, estamos llegando al número de posibles
combinaciones que pueden ser especificadas.
periodos en T. Una
En un caso simple, suponemos 4 posibles niveles, y además existen
combinación particular es mostrada: nivel 3 en Y-uno, nivel 1 en 7 - d o s y nivel 4 en Y-tres . Existen
actualmente cuatro posibilidades distintas en cada intervalo o un total de 43 = 64 combinaciones en
los tres intervalos. En general, para n niveles y "ir intervalos, el número de combinaciones en T
segundos será de n
Y.
Podemos suponer así que la información enviada en T segundos está relacionada a este número.
Esto parece razonable, sin embargo, para observar si tenemos el tiempo suficiente para enviar 2
mensajes , debemos enviar 2 veces la información. Si tomamos el logaritmo de ni/' tendríamos:
T
z
-log
n
y el contenido de información sería entonces proporcional a T, lo cual por intuición corresponde
al resultado esperado. La información es frecuentemente relacionada con un estado de "encendido" o
"apagado" , "1" Ó "O", así que generalmente se emplea la base 2 para logaritmos. Así, se tiene que:
T
informacion = -log
z
n
L a unidad de información definida al usar la base 2 es llamada bit, de esta manera, el log 2=1,
log 4=2, etc. El factor TícCrepresenta el máximo numero de intervalos de tiempo T en el cual es
posible cambiar la señal.
L a capacidad del sistema, vista por la velocidad, esta dada por
C=
Información
T
=
1
-log, n
z
podemos relacionar el intervalo T al ancho de banda del sistema de modo que T=B/2.
Además, n, el número de niveles distinguibles puede ser relacionado a la Relación Señal a Ruido. Si
suponemos arbitrariamente que un cambio de amplitud en la señal puede distinguirse sólo si está a un
voltaje mínimo comparable al voltaje rms de ruido o N , entonces, la cantidad de niveles dependerá
del voltaie de la señal o S . Más especifica mente, el máximo numero de niveles distinguibles sera
s,, ya que este nivel es establecido en S
N .,
"
=
N, y n
=
volts como un posible nivel. Por lo tanto existirán
T
=
'd.
Sin embargo, se deberá incluir a O
niveles. Por lo que se puede escribir:
bitslseg
2B10g2[I+$)
Un desarrollo matemático y geométrico de Shannon ha resultado en la expresión general de la
capacidad del canal para el caso electromagnético clásico:
C
=
Blog, (I+:)
donde S y N son las potencias de señal y ruido, respectivamente.
Se puede ver que para S, algo mayor que N , se cumple:
Para llevar a cabo esta capacidad, la señal deberá ser codificada en tal forma que tenga la
distribución aleatoria del ruido blanco.
Se hizo notar al inicio que junto a la probabilidad de un evento se tenia una incertidumbre. Si se
especifican n posibles eventos que pueden ser n posibles niveles de señal, entonces p= l/n define
eventos similares.
La información que se proporciona al aparecer cualquier evento para un intervalo es:
Información
Intervalo
Cuando consideramos M =
disponible en T segundos,
H =
=
log,n
=
-
log, p
intervalos tenemos, definiendo H como la información
T
log,
:p
z
=
- M log, p bits en T seg.
Tomemos ahora el caso común donde los diferentes eventos no son similares pero existen solo
dos posibles eventos o niveles 1 y O. Podemos denotar al nivel 1 por p y al nivel O por q. Ya que estas
son la únicas opciones, es claro que p+q=1 .
El contenido de información de un mensaje con 1's y O's es determinado, entonces si notamos que
cada vez que aparece el 1 hemos recibido - log, q log p bits. Cada vez que aparece el O, hemos
recibido - log, q bits. Note que si p > q, se contiene más información en el evento; es decir,
- log, 9 > -log, P
La información de un grupo de símbolos sera la suma de los bits de información que cada
símbolo proporcione. Por lo tanto en un mensaje largo de muchos símbolos la información total
dependerá de la cantidad de 1's o O's enviados. Así,si 60 1's y 40 O's se envían:
Información = - (60 10g~0.6+ 40 10g~0.4)bits
Podemos ver que la tasa promedio de información dependerá de la frecuencia de la ocurrencia de
los símbolos 1 y O. Si consideramos que para T segundos tenemos M intervalos de longitud Tseg.,
se observa que hay M=T/T posibilidades para que ocurra un O Ó 1.
El número de intervalos sera más grande que l/p y l/q, de modo que el 1 puede esperarse que
aparezca Mp veces, el O Mq veces. En promedio, la información en un mensaje de T segundos será
entonces:
H
=
- M(p log, p + q log, q) bits en T seg
El promedio de información por intervalo
-
HPR
H
es:
- (p log, p + q l o g , q) bits en
- M=
seg.
En términos de la velocidad en bits por segundo se tiene:
Velocidad
PR
= - =-
z
1
-(z
p log, p + q log, q) bits/seg
2.6 INTRODUCCI~NA LOS SEMICONDUCTORESLÁSER
2.6.1 DISPOSITIVOS Y RADIACI~NLÁSER
La combinación de amplificación de luz y emisión estimulada de radiación hacen el láser
funcional. L a palabra láser proviene de las siglas light amplification stimulated emition o f radiation.
Los tres estados de la materia - gas, solido o liquido - presentan una manera generalmente
conveniente para clasificar los lasers, pero esto no nos da una idea del diseño y aplicación de varios
medios láser. Mentras la lista de posibles medios productores de láser es extensa, la mayoría de los
lasers comerciales, científicos y militares caen dentro de una de las siguientes categorías: cristal y
vidrio, gas, excimer, químico, semiconductor y líquido. Nosotros nos ocuparemos solamente del láser
semiconductor, ya que es el que se utiliza en este proyecto. Pero antes de introducimos en el
funcionamiento de los lasers semiconductores comencemos definiendo las partes que componen todo
dispositivo láser.
2.6.2 PARTES DE UN SISTEMA LÁSER
Los laseres tienen los siguientes componentes.
- Suministro de potencia (fuente): Todos los laseres utilizan una potencia eléctrica de suministro
desarrollando un potencial superior a los 10,000 volts y varios cientos de ampares.
- Dispositivo de bombeo: Los laseres de descarga eléctrica utilizan la potencia de suministro de
alto voltaje como un dispositivo de bombeo, pero algunos laseres usan un oscilador de radio
frecuencia, lamparas o fotoflash de salida alta o aun otro láser.
- Medio de transmisión: El medio es el material que genera la luz laser. El medio puede ser un
gas, un sólido o un líquido, hay miles de medios posibles, incluyendo cristales tratados especialmente,
argón, tintes orgánicos etc..
- Cavidad resonante Óptica: L a cavidad encierra el medio de transmisión y consiste de espejos
colocados en cada extremo. En la mayoría de los laseres, un espejo es completamente reflectivo y
otro espejo es parcialmente reflectivo.
Los laseres semiconductores consisten de un elemento o chip laser, una fuente de potencia y
posiblemente un circuito manejador. Debido a que la unión pn de el láser es muy pequeña, el chip es
colocado en un disipador de calor. El chip y el disipador son encapsulados en un bote metálico y
protwdos contra polvo y basura por una ventana limpia de plástico o vidrio. La fuente de potencia
es de bajo voltaje de dc. El voltaje exacto requerido depende del tipo de diodo requerido.
2.6.3 LONGITUDES DE ONDA DE LÁSER’S
Una de las propiedades de los laseres es s u habilidad para emitir luz en un color especifico
(longitud de onda). Esto contrasta con la luz del sol o una lámpara incandescente, los cuales emiten
todos los colores del arco iris. L a longitud de onda es determinada por el medio de transmisión. Por
ejemplo, los átomos de cromo en rubí sintético producen luz de 694.3 nanometros ( o nm ), por lo
tanto hacen que la longitud de onda del laser rubí sea de 694.3nm.
El láser puede emitir luz en una sola longitud de onda especifica o muchas longitudes de onda
diferentes. L a emisión de luz en una longitud de onda particular es llamada linea; si el láser emite luz
en muchas longitudes de onda, cada longitud de onda es una línea principal. Los términos línea y
línea principal se derivan del estudio del espectro Óptico, donde la luz blanca pasa a través de un
prisma y es descompuesta en líneas discretas o segmentos.
L a mayoría de los laseres helio-n&n emiten luz en una longitud de onda específica,
normalmente 632.8nm. Los laseres de argón generan dos distintas líneas principales, una a 488 nm y
otra a 514 nm. Los laseres de knptón populares en sistemas profesionales de espectáculo de luces,
producen una línea principal de 647 nm, pero también producen longitudes de onda a través de todo
el espectro visible.
Las líneas principales son esas longitudes de onda que contribuyen enormemente a la
intensidad del rayo. Los diodos semiconductores laseres que son los que nos interesan en este
proyecto tienen tres líneas principales típicas 780 nm, 840 nm y 904 nm, pudiendo cubrir un
intervalo que va desde 700 nm hasta 1600 nm. En muchos sistemas láser, la luz y otras longitudes de
onda no deseadas son filtradas .
2.6.4 RADIACI~NDE LUZ LASER
Los laseres emiten radiación electromagnética, usualmente luz visible o infrarroja. El nivel de
radiación generalmente es bastante pequeño en laseres de entretenimiento y tiene el mismo efecto
sobre el tejido corporal, que una exposición a la luz de la lámpara en una sala.
La piel es resistente a una exposición de varias decenas o cientos de watts de energía láser.
Pero los ojos son mas susceptibles y el efecto sobre la retina es de gran importancia. Aún con unos
pocos miliwatts de 20 a 50 de radiación infrarroja o de radiación visible enfocada pueden causar
ceguera temporal o quizás permanente.
EL daño retinal provocado por los laseres de entretenimiento ( salida menor a 5 o 10 miliwatts)
es raro. De hecho, han sido reportados tan solo algunos casos de accidentes que involucran a estos
laseres en varias décadas desde que están disponibles, y muchos de estos casos han sido de
electrocución por fuentes de suministro de alto voltaje, no por exposición al rayo láser.
2.6.5 POTENCIA DE SALIDA
La intensidad del rayo láser es medida en joules o watts. Ambas representan la cantidad de
trabajo que puede realizarse durante un periodo particular de tiempo. En este caso el termino trabajo
es usado para denotar la cantidad de energía o potencia liberada en alguna forma Útil, incluyendo
calor. La fórmula que define a la potencia esta dada por:
P=EI
donde P es igual a la potencia en watts, E es igual a la FEM en volts e I es igual a la corriente en
amperios. Generalmente los láseres de baja potencia, de operación continua, son medidos en watts;
los láseres de alta potencia, de operación pulsante son medidos en joules.
Aunque la luz láser es definida frecuentemente como una fuente puntual, la divergencia natural
y la Óptica pueden provocar que el rayo se expanda. El area de salida de potencia medida de un láser,
en watts o joules, es frecuentemente incluida en las especificaciones. Una especificación típica podría
ser 5 joules por cmz . Lo cual sipfica 5 joules en una área de un centímetro cuadrado.
La potencia de salida de un láser depende de muchos factores, uno de los cuales es la eficiencia
de conversión de potencia eléctrica u Óptica a potencia de fotón. La mayoría de los laseres son
extremadamente ineficientes, cerca del uno por ciento de la energía entrante es convertida en energía
Útil de luz. Pero aún cuando su eficiencia es pobre, el rayo de un laser es con mucho, mas intenso (
por área ) que un rayo de luz solar.
2.6.6 LASER SEMICONDUCTOR.
Los laseres semiconductores son dispositivos de estado sólido. Ud. probablemente esta
enterado del laser semiconductor usado para los discos compactos de audio y video. Los laseres
semiconductores son empleados en enlaces telefónicos de fibra Óptica, dispositivos examinadores de
código de barras y equipo de telemetría.
Hay un número de diseños diferentes de diodos lasers, con variaciones significativas entre cada
uno. Por ahora vasta con decir que un diodo laser consiste de una unión pn, como un diodo emisor de
luz ( LED ), pero con una unión especial y caras espejeadas. En operación, la corriente aplicada a la
unión provoca un resplandor de luz. La luz generada dentro de la unión del diodo es amplificada en la
cavidad Óptica por acción de los espejos. Los diodos laser son fabricados para operación en modo
continuo o pulsante. Ambos tipos se encuentran ampliamente disponibles en tiendas de refacciones
electrónicas.
Los lasers infrarrojos plantean un trato diferente, en estos la luz que producen no puede verse
fácilmente. No se confunda por el falso sentido de seguridad de que solo porque ud. no puede ver el
rayo, éste no se encuentra allí y no perjudicará sus ojos.
L a mayoría de los lasers infrarrojos, particularmente la variedad de semiconductores, emiten
cerca de la radiación infrarroja. L a mayoría de estos diodos emiten luz en la región entre 780 y 904
nm. Si Ud. mira directamente en el laser podría ver un débil brillo rojo. No mirar esta luz por un
periodo extendido, particularmente si el rayo ha sido colimado o enfocado. El brillo visible puede ser
débil, pero la salida de luz podría ser un poco alta.
Un diodo laser pulsado puede fácilmente entregar 5 a 10 watts de energía. Muchos producen
hasta 50 watts de energía pulsada. Aunque el rayo es pulsado, la razón de repetición es muy rápida y
aparece como un torrente constante. Usted puede estar seguro que una observación continua de un
rayo de 10 watts causarán al menos algún daño a los ojos.
2.6.7 INTERIOR DE UN SEMICONDUCTOR LÁSER
L a configuran básica de un diodo laser ( algunas veces llamado láser de inyección ) se muestra
en la figura 2-1. El laser esta compuesto de una unión pn similar a las que se encuentran en
transistores y LEDS. Una pastilla de este material se corta de una oblea de silicio, cortando los
extremos de manera precisa para hacer el diodo chip. Se colocan alambres en la parte superior e
inferior. Cuando se aplica una corriente, se produce luz en el interior de la unión. Como es de
comprenderse, el dispositivo es un LED, la luz es no coherente.
Un incremento en la corriente provoca un aumento en la luz de salida. Las superficies de las
caras actúan como espejos parcialmente reflectores que reflejan la luz emitida hacia la parte posterior
y hacia adelante dentro de la unión. Una vez amplificada, la luz sale del chip. L a luz es temporal y
espacialmente coherente, pero debido al diseño del diodo, esta no es muy direccional. El rayo en la
mayoría de los diodos es elíptico, con un ángulo de abertura de entre 10 y 35 grados.
Los primeros diodos laser, creados en 1962 poco después de la introducción de los lasers de
rubí y helio-nebn, estaban compuestos de un material formando una unión ( homounión ). Este podía
funcionar solo con pulsos cortos de potencia debido a que el calor producido en el interior de la unión
podría causar que el diodo explotara. Era factible producir una salida continua solamente si el diodo
era sumergido en un liquido criogénico, tal como el nitrógeno liquido ( con una temperatura de
-196" C a -320°C).
Técnicas de fabricación mejoradas, agregaron capas adicionales en varios grosores para
producir el diodo de heterounión. Los semiconductores lasers mas simples de heterounión tienen una
unión de Arseniuro de Galio ( GaAs ) cubierta por capas de Arseniuro de Galio-Aluminio ( AiGaAs
). Estos pueden producir de 3 a 10 watts de salida Óptica cuando conducen una corriente de
aproximadamente 10 ampers. Debido a la salida alta, el diodo debe ser operado en modo pulsante.
Las especificaciones típicas para diodos laser de heteroestructura simple ( sh ) tienen un valor
de duración de pulso menor a 200 nanosegundos. La mayoría de los circuitos accionadores operan el
diodo láser conservativamente con duraciones de pulso abajo de 7 5 o 100 ns. La longitud de onda de
salida esta generalmente entre 780 nm y 904 nm.
Un diodo láser de heteroestructura doble ( dh ) se fabrican usualmente intercalando una unión
de GaAs entre dos capas de AlGaAs. Esto ayuda a confinar la luz generada dentro del chip y permitir
al diodo operar continuamente ( llamados también de onda continua, o cw ) dentro de una cámara
térmica. La longitud de onda puede modificarse variando la cantidad de aluminio en el material
AlGaAs. L a longitud de onda de salida puede estar entre 680 nm y 900 nm, con 780 nm el mas
común.
L a potencia de salida de un laser de heteroestructura doble es considerablemente menor que la
de un diodo de heteroestructura simple. L a mayoría de los diodos láser dh producen de 3 a 5 m W de
luz, aunque algunas variedades pueden generar arriba de 500 mW. Los diodos láser de salida alta
vienen encapsulados en el tipo TO-3 y montados en un disipador adecuado. Una aplicación típica
para lasers de salida alta es el enlace de datos a gran distancia por fibra Óptica.
Los lasers de heteroestructura simple son típicamente accionados por la aplicación de un alto
voltaje durante un tiempo corto. L a duración de este pulso es controlado por una red RC, como se
muestra en la figura 2.2 , el pulso es entregado a un transistor de potencia. Debe tenerse mucho
cuidado de no exceder la duración de pulso maxima especificada por el fabricante , ya que podría
quemar el diodo laser.
Los semiconductores láser de heteroestructura doble pueden ser operados tanto en modo
pulsante como en modo continuo ( cw ). En el modo pulsante el diodo es accionado por impulsos de
alta energía, tal como los lasers sh. La potencia de salida puede estar en el orden de varios Watts,
pero como los pulsos son cortos en duración, el promedio de potencia es considerablemente menor.
En modo cw, un voltaje pequeño de corriente constante es aplicado para que la salida del laser sea
una corriente constante de luz. Los lasers cw y circuitos accionadores se emplean en aparatos
reproductores de disco compacto donde la luz emitida por el laser es aun mas coherente que el rayo
laser de He-Ne.
La corriente de conducción para la mayoría de los lasers cw esta alrededor de 60 a 80 mA.
Esto es 50 a 200 % mas alta que la corriente directa promedio usada para alimentar un diodo emisor
de luz ( LED ). Si a un laser cw se le proporciona menor corriente, este puede emitir luz a h , pero
ésta no será luz láser. El dispositivo emitirá luz laser solo cuando la corriente de umbral es excedida,
típicamente un mínimo de 50 a 60 mA.Por el contrario, si el laser se le proporciona demasiada
corriente, este generará calor excesivo y se destruirá rápidamente.
'
I
Laser
2.6.8 MONITOREO DE LA POTENCIA DE SALIDA
Todos los diodos lasers son susceptibles a cambios de temperatura. Cuando la temperatura de
un láser semiconductor se incrementa, el dispositivo se convierte en menos eficiente y la salida de luz
falla. Si la temperatura decrementa el laser sera mucho mas eficiente. Con el incremento en la
potencia de salida, existe un riesgo de dañar al laser, así que la mayoría de los circuitos accionadores
del láser cw incorporan un circuito de retroalimentación para monitorear la temperatura o potencia de
salida y ajustar s u operación.
Sensar cambios de temperatura requiere un elaborado sistema sensor térmico y complicadas
fuentes de referencia de corriente constante. Una manera de hacerlo fácil es monitoreando la salida de
luz del laser. Cuando la salida se incrementa, la corriente es decrementada y viceversa.
Para facilitar el sistema de retroalimentación, la mayoría de diodos laser incorporan
actualmente un monitor construido con un fotodiodo. Este foto diodo es colocado en la parte final y
opuesta del chip del diodo y muestrea una pequeña cantidad de la potencia de salida. El foto diodo se
conecta a un comparador relativamente simple o a un circuito de amplificador operacional.
Cuando la potencia de salida del diodo laser varia, la corriente ( y voltaje ) del foto diodo
monitor cambia. El circuito de retroalimentación regtstra estos cambios y ajusta el voltaje ( corriente
) suministrado al láser.
2.6.9 MEDIDAS DE SEGURIDAD EN EL MANEJO DE DIODOS LASER
Aunque los Últimos diodos semiconductores laser son muy cordiales, muy seguros, estos
requieren de ciertas medidas de seguridad en s u manejo. Y aún cuando son muy pequeños, emiten luz
laser que puede potencialmente dañar los ojos. Mantener estos puntos en mente:
- Asegúrese que las terminales del diodo laser estén apropiadamente conectadas al circuito
accionador. ( Este punto es crucial ).
- Nunca aplicar más corriente que la sugerida como maxima por el fabricante, o el láser se
destruirá por completo.
- Tratar a los diodos laser con el mismo cuidado con que se maneja un dispositivo CMOS.
Guardar el dispositivo en una bolsa protectora antiestética hasta que éste se use.
- Usar solamente baterías o fuentes de suministro de ac bien filtradas. Los diodos laser son
susceptibles a picos de voltaje y pueden arruinarse cuando la fuente de alimentación está pobremente
filtrada.
- Tener cuidado de no cortar las terminales del laser durante la operación.
- Evitar mirar dentro de la ventana del laser mientras este funcionando, aún si Ud. no puede ver
salir ninguna luz. Esto es especialmente importante si se han agregado lentes para colimar o enfocar.
- Montar el diodo laser en un disipador adecuado, preferiblemente mayor a una pulgada
cuadrada. Use pasta de silicon conductora de calor para asegurar un buen contacto térmico entre el
diodo laser y el disipador.
- Aislar las conexiones entre el diodo láser y el dispositivo conductor para minimizar la
posibilidad de cortos circuitos.
- Use sólo cautin de lápiz para soldar las terminales del diodo láser. Limite la duración de
soldado a menos de 5 segundos por terminal.
- A menos de que el fabricante no especifique otra cosa , limpie la ventana de salida con un
algodón bañado en etanol. Alternativamentepuede usar líquido limpiador especial para lentes.
3. SISTEMA DE COMUNICACI~NLASER ENTRE 2 PC’S
A continuación se hará el análisis del funcionamiento del sistema de comunicación láser. El
sistema consta de dos aparatos que realizan la labor de comunicación punto a punto. Cada uno de
estos aparatos recibe información digital de datos de un terminal computador, transmitiendo y
recibiendo información de manera simultánea, este modo de comunicación recibe el nombre de fullduplex. Para que el sistema opere de manera adecuada los aparatos - de aquí en adelante nos
referiremos a estos aparatos como Módulos de Comunicación Láser ( MCL ). - deben estar
perfectamente alineados, el problema de la alineación se tratará posteriormente. Ambos módulos se
construyen de manera idéntica, tanto en s u parte electrónica, como en su parte mecánica y Óptica. En
cada uno de estos módulos existe un circuito transmisor y un circuito receptor laser.
Para entender como es que funciona este sistema de comunicación por rayo láser, vamos a
dividir de manera sistemática el problema en tres aspectos de diseño.
1. Diseño de la parte electrónica del sistema.
2 . L a parte Óptica y de interface.
El primer punto se analiza en la sección 5 tratemos pues el segundo punto
3.1 INTERFACE RS-232.
Una de las interconexiones ( Interface ) mas difundida para enlazar equipos de datos, se llama
RS-232C ( nomenclatura Norteamericana ) o CCITT V.24 ( nomenclatura Internacional ).
Consiste de la disposición de 25 circuitos de intercambio con una función en cada uno.
Se implementa en un enchufe de 25 clavijas, de corte trapezoidal, para evitar un mal
acoplamiento, que se asegura mediante dos tornillos, uno a cada lado.
Esta recomendación, es una norma en si completa, que especifica las características mecánicas,
funcionales y eléctricas.
Permite una velocidad de 20 Kbps a una distancia maxima de 15 metros.
No tiene prueba de mantenimiento.
Los ETD y E T C D suelen conectarse mediante el interfaz estandar RS-232C. Los ETD (
Equipo Terminal de Datos ) son por lo general dispositivos de usuario final. Ejemplos de ellos son las
terminales y ordenadores. Los E T C D ( Equipos de Terminación del Circuito de Datos ) proporcionan
al ETD una conexión en el circuito de comunicaciones.
E n las especificaciones del interfase RS-232C se describen cuatro funciones del mismo:
- Definición de las señales de control que atraviesan el interfaz.
- Movimiento de los datos de usuario a traves del interfaz.
- Transmisión de las señales de tiempos necesarias para sincronizar el flujo de datos.
- Conformación de las características eléctricas concretas del interfaz.
RS-232C transmite los datos que lo atraviesan mediante cambios en los niveles de tensión. Un
cero binario se representa como un nivel de tensión comprendido entre +3 y + 12 volts, mientras que
un uno binario se expresa como un nivel comprendido entre -3 y -12 volts. La longitud del cable R S -
232C depende de las características eléctricas del mismo, aunque algunos fabricantes prohiben
longitudes superiores a 15 metros. L a norma internacional V.28 establece un interfaz eléctrico similar
al RS-232C.
L a interface cuenta con 25 conexiones de línea ( canales o pines, en alguna bibliografía ): No
se utiliza la totalidad de los 25 canales: Para las conexiones entre ETD y E T C D suelen bastar de
cuatro a ocho canales.
No vamos a explicar la función de las 2 5 líneas, tan solo nos ocuparemos de tres y que son las
Únicas que se utilizan en la comunicación entre la computadora PC y el módulo de comunicación
láser, si necesita información adicional consulte el libro de Normas de la CCITT ( normas V.28 y
V.24 ), es importante recordar que la comunicación entre la computadora y el sistema de
comunicación se realiza sin modem ( conexión de modem nulo ).
Las tres líneas de conexión utilizadas correspondientes a un conector del tipo DB-25 son:
Línea 2. Datos transmitidos: Señales de datos que se transmiten desde el ETD hasta el ETCD.
Estas son las señales que representan los datos de usuario propiamente dichos.
Línea 3. Datos recibidos: Señales de datos de usuario que se transmiten desde el E T C D hasta el
ETD.
Línea 7. Masa de señal: Masa común a todos los circuitos. Establece la referencia del potencial
de masa para el resto de las líneas.
La forma de conectar la interface RS-232C de la computadora al módulo de comunicación
láser, es muy simple y como se muestra a continuación.
Interface RS-232C de la computadora.
Línea 2
Línea 3
Línea 7
Módulo de comunicación Láser.
Entrada del transmisor.
Salida del receptor.
A la línea común de tierra del circuito.
Por Úitimo y para terminar con esta parte de la interface, vamos a describir brevemente el
funcionamiento del puerto de la computadora PC que se encarga de realizar y controlar de manera
física la comunicación. Este circuito recibe el nombre de UART ( Universal Asynchronous Receiver
Transmitter ) como s u nombre l o indica funciona como transmisor y receptor asíncrono, cuya
velocidad de comunicación ( baud rate ) es programable; esto es, que se puede variar dentro de
ciertos valores mediante instrucciones de software.
Los bits que provienen de la línea, uno a la vez, se guardan temporalmente en el registro de
desplazamiento de recepción, cuando ha terminado la palabra, se transfiere al registro de recepción de
datos y esta listo para ser transmitido a la CPU cuando lo pida.
También transmite en forma serial un bit por cada ciclo de reloj, y añade bits para
reconocimiento de inicio y fin de palabra, de integridad de transmisión o bit de paridad.
E l funcionamiento de la UART es independiente de las operaciones de la computadora, cuenta
con todo lo necesario para operar sin interrumpir el funcionamiento de la PC.
3.2 SISTEMA ÓPTICO
Con el fin de obtener una mayor distancia de alcance de comunicación, se ha incorporado un
arreglo de lentes delgadas, para entender su funcionamiento es necesario repasar algunos conceptos
de física sobre la refracción de ondas.
Refracción de Ondas y Lentes Delgadas.
el,
Si un haz de luz pasa de un material a otro incidiendo con un ángulo de inclinación
y si la
rapidez de la luz es diferente en los dos materiales, el haz de luz se doblará o refractara en un ángulo
e2.La ecuación que relaciona el ángulo de incidencia y el ángulo de refracción recibe el nombre de
Ley de Snell, se define como sigue.
Donde .uIt y %son los Índices de refracción absolutos de los dos materiales 1 y 2, el Índice de
refracción de un material se calcula de la siguiente forma.
M
= velocidad
de la luz en el vacío / velocidad de la luz en el material
La ecuación de Snell predice que el rayo se refractará ( cambiara de dirección ) al pasar del
aire a la lente y nuevamente al aire. i Como es que Éste fenómeno fisico nos puede servir para crear
un sistema más eficiente ?. El secreto esta en los efectos producidos sobre la luz paralela por dos
tipos de lentes. Las lentes convergentes como su nombre lo indica, hace que los rayos paralelos
converjan en un punto; por otro lado, las lentes divergentes provocan que los rayos paralelos
diverjan. El sistema Óptico aprovecha estas propiedades de las lentes, utilizando en el proceso de
transmisión-recepción cuatro lentes delgadas, dos son divergentes del forma doble cóncava y otras
dos de tipo convergente de forma doble convexa. La manera en que se arreglan las lentes y su efecto
sobre el haz de luz láser se muestra en la figura 3.1
donde:
LDCVT : Lente Doble Cóncava del Transmisor.
LDCVR : Lente Doble Cóncava del Receptor.
LDCXT : Lente Doble Convexa del Transmisor.
LDCXR : Lente Doble Convexa del Receptor.
: Distancia focal de la lente doble convexa.
fx
Si suponemos que las lentes LDCXT y LDCXR son idénticas entonces las longitudes focales f l
y f2 son iguales.
En el lado del transmisor se utiliza la lente LDCVT para hacer divergir el rayo laser, el cual
tiene la característica como sabemos, de ser espacialmente coherente, posteriormente el rayo es
colimado por la lente LDCXT haciendo los rayos de luz paralelos nuevamente, el efecto combinado
de las dos lentes aumenta el área de flujo del rayo, o dicho de otra manera la densidad de flujo
luminoso a la salida de la lente LDCXT es menor a la de salida del diodo laser; esto facilita el
problema de alineamiento entre transmisor y receptor, ya que a una distancia considerable, es mas
facíl apuntar un rayo más amplio que un hilo delgado de luz.
En el extremo del receptor se realiza el proceso contrario, el rayo es recibido en una lente doble
convexa ( LDCXR ) para hacer converger el rayo en un punto a la distancia f2,donde se coloca otra
lente de forma doble cóncava para dirigir el laser en forma de rayos paralelos hacia el fotodetector
del receptor. Esto hace que la irradiancia ( irradiancia es lo mismo que densidad de flujo luminoso )
recibida en el fotodiodo sea mucho mayor que la recibida por la lente doble convexa receptora,
debido a una disminución en el área efectiva de flujo del rayo, en un factor igual a la ganancia de las
lentes. Ganancia = R, en forma de ecuación:
H,/H
=
R
=
0.9(R,/R,)2
donde:
Hd = irradiancia en el fotodetector [mW/cm2].
H = irradiancia en la lente LDCXR [mW/cm2].
Rl = radio de la lente LDCXR [cm].
Rd = radio de irradiancia en el fotodetector [cm].
R = Ganancia del sistema de lentes.
El número 0.9 se considera como un factor de perdida promedio en el sistema de lentes debida
a reflexiones internas. Una ecuación similar se puede aplicar en el extremo transmisor haciendo un
ajuste en el nombre de las variables. Si consideramos una transmisión ideal; esto es, que la pérdida de
potencia a lo largo de todo el trayecto de comunicación es de cero dB ( no existen efectos de
refracción ), la irradiancia en el detector sera mayor que la densidad de flujo emitida por el diodo
laser, ya que el diodo laser es mas robusto y por lo tanto tiene una area de emisión mayor a la área de
recepción del detector. Esto es importante ya que como sabemos la corriente entregada por el foto
detector esta en función directa de la densidad de flujo entrante. Obviamente en todo caso real de
comunicación siempre van existir perdidas de potencia debidas al canal de comunicación: En nuestro
caso la atenuación de la señal se puede deber a varios factores principales: la perdida debida al
sistema de lentes, pérdida por error de apuntamiento o factores totalmente ajenos al equipo de
comunicación, como son las condiciones atmosféricas y que son las principales causantes
:s
sL
r
1
G
3.3 EFECTOS DE LAS CONDICIONES ATMOSFÉRTCASEN EL
SISTEMA.
Las condiciones atmosféricas afectan el nivel de rendimiento proporcionado por el equipo
transmisor atmosférico láser. L a severidad de estas condiciones y s u duración están relacionadas con
la distancia entre el transmisor y el receptor y con la localización geográfica de los sistemas.
La atmósfera de la tierra afecta la transmisión de todos los tipos de radiación electromagnética
usados para proporcionar comunicación. Radio, microondas y sistemas laser son afectados en
diferentes grados por las condiciones atmosféricas principalmente debido a las diferencias en longitud
de onda.
Las tres condiciones atmosféricas más significantes que afectan la transmisión laser son:
absorción, la dispersión y l a titilación térmica. Estas tres condiciones pueden reducir la cantidad de
energía luminosa entrante en el receptor. El grado en el cual estos fenómenos afectan la transmisión
láser varia enormemente.
3.3.1 ABSORCI~N
L a absorción es causada principalmente por el vapor de agua y el dioxido de carbono contenido
en el aire a lo largo del camino de transmisión los cuales a su vez dependen de la humedad y la
altitud. Los gases que forman la atmósfera tienen muchas bandas resonantes ( ventanas de
transmisión ) las cuales permiten especificar frecuencias de luz de paso. Estas ventanas ocurren en
varias longitudes de onda. Por ejemplo la longitud de onda de 820 nm cercana al infrarrojo ocurre en
una de estas ventanas, y por l o tanto la absorción no es una gran preocupación.
3.3.2 DISPERSI~N
La dispersión tiene un efecto mucho mayor que la absorción. L a dispersión atmosférica de luz
es función de s u longitud de onda y del número y tamaño de las partículas dispersantes en el aire. La
visibilidad Óptica a lo largo de la trayectoria esta directamente relacionado con el número y tamaño
de estas partículas.
3.3.3 NIEBLA Y ESMOG
L a visibilidad Óptica es un término meteorológico definido como la distancia a la cual los ojos
humanos pueden distinguir una tarjeta negra de un metro cuadrado colocada en un fondo blanco. Por
lo tanto esto es simplemente una cuestión de contraste. L a niebla y el smog son las principales
condiciones que tienden a limitar la visibilidad para la transmisión Óptica infrarroja.
L a atenuación por niebla se debe principalmente a las gotas de agua menores a unas pocas
micras de radio. L a niebla produce un efecto de dispersión en todas las direcciones debido al tamaño
de las gotitas de agua y a la longitud de onda del rayo láser. El resultado de la dispersión es que un
porcentaje menor del rayo transmitido alcanza al receptor.
E l efecto del smog es similar al de la niebla pero en menor grado. Esto se debe principalmente
a la diferencia en los radios de las partículas. Como resultado, la niebla es usualmente un factor
limitante en el rendimiento de la transmisión laser. La curva de visibilidad contra atenuación se
muestra en la gráfica 1.
3.3.4 LLUVIA
Si bien el contenido de agua líquida de un típico aguacero fuerte, es de unos 1000 mg/m3, esto
es diez veces mas que el contenido de una típica niebla densa ( 100 mg/rn3 ), el radio de una gota de
lluvia es cerca de un millar de veces mayor a una gotita de niebla. Esta es la principal razón por la
que la atenuación por lluvia es unas cien veces menor que la producida por niebla. Un aguacero duro
produce una atenuación cercana a los 6 dB/Km para longitudes de onda cercanas al infrarrojo. Una
curva típica de atenuación por lluvia se muestra en la gráfica 2.
3.3.5 NIEVE
L a nieve tiene un efecto intermedio entre el producido por lluvia y niebla dependiendo del
contenido de agua en la nieve. Una nieve muy húmeda es parecida a una lluvia, mientras que una
nieve extremadamente seca es similar a la niebla. Esto es debido otra vez al radio de las partículas; el
radio de una partícula de nieve húmeda es parecido al radio de una gotita de lluvia mientras que el
radio de una partícula de nieve seca es mas parecido a una partícula de niebla.
Atenuación Atmosférica
como func. de la visibilidad en nieba
1O0
U
u
cd
U
60
.
I
2 40
‘a,
L
20
I
O
1
2
3
Visibilidad en Kilometros
Gráfica 1
4
Atenuación Atmosférica
como una función de la lluvia
14
"12
'a,
L
2
O
O
0,5
1
195
2
295
intensidad de lluvia [pulgadas/hora]
Gráfica 2
3
3.3.6 TITILACI~NTÉRMICA.
L a distorsión visual vista mirando hacia abajo y a lo largo de un camino caliente asfaltado se
conoce como titilación térmica o turbulencia atmosférica. Sus efectos son una función marcada de las
condiciones climáticas del día, el terreno, la nubosidad, el viento y la altura de la trayectoria Óptica
cercana a la fuente de turbulencia. Variaciones de la densidad y temperatura atmosférica a lo largo de
la trayectoria crean diferencias localizadas en el índice de refracción del aire. Esto produce
fluctuaciones en los niveles de la señal recibida dirigiendo algo de la luz fuera del camino
proyectado. Fluctuaciones en el rayo pueden degradar el rendimiento del sistema produciendo
variaciones en la amplitud de la señal las cuales aproximan los valores de umbral. Las señales
atenuadas abajo del valor de umbral producen como resultado errores.
L a titilación impone a bajas frecuencias ( normalmente abajo de 200 Hz ) variaciones en la
cantidad de luz detectada por el receptor. Esta variación de baja frecuencia podría resultar en una
variación excesiva de errores de datos o distorsión de video en un sistema de comunicación láser si
esto no es tomado en consideración. Técnicas como la de modular en frecuencia ( FM ) en el
transmisor y un Control Automático de Ganancia ( AGC ) en el receptor se pueden utilizar para
minimizar los efectos de la titilación. L a selección de una trayectoria Óptica varios metros arriba
de las fuentes de calor reduce enormemente los efectos de la titilación.
3.4 EL PROBLEMA DE ALINEAMIENTO.
E l problema de alinear el transmisor con el receptor puede resultar en una tarea difícil cuando
se trate de una distancia considerable, buenos tripies son necesarios y posiblemente una mira
telescópica en el transmisor para localizar el receptor. L a dificultad estriba en como hacer para poder
localizar un rayo de luz que no puede verse. Se puede tratar de alinear mediante prueba y error pero
esto podría resultar en algo frustante. Aunque el láser emite un pequeño brillo rojo, la iluminación
visible no es l o bastante como para verla a plena luz del día. Mirar directamente al láser durante
cualquier instante de tiempo es decididamente una mala idea, por razones antes expuestas. Un buen
auxiliar en el tratamiento de esta problema podría ser el utilizar una tarjeta de imagen infrarroja,
como las que vende Kodak. L a tarjeta es cubierta con una sustancia sensible a la luz infrarroja,
dirigendo una fuente infrarroja a la tarjeta produce en esta un brillo. Antes de usar la tarjeta esta
debe ser cargada primero bajo la luz blanca de el sol o de una lámpara,
Otra manera es el de utilizar un tubo de inversión del infrarrojo, similar al que utilizan policías
y soldados para ver en la obscuridad. El tubo usualmente se monta en un par de binoculares o
goggles bloqueando la mayoría de la luz visible y amplificando la luz infrarroja, este dispositivo es
muy eficiente pero también muy caro.
4. SOFTWARE DE COMUNICACIONES ENTRE
MICROCOMPUTADORAS
Para llevar a cabo la transferencia de información entre dos puntos geográficamente distintos vía
una PC, se puede emplear un paquete computacional emulador de terminal que permita enviar y
capturar archivos de datos, uno de estos paquetes, disponible en el mercado mexicano se llama
CROSSTALK XVI.
Crosstalk XVI es un programa de comunicaciones de datos el cual permite que una computadora
intercambie información con otro sistema de computadoras. La función primaria de Crosstalk es la
emulación de terminal, la captura y transferencia de archivos. Por ejemplo, con Crosstalk es posible:
* Llamar a un sistema de mainframe de IBM y "pretender" ser una terminal
* Conectarse con una VAX, dar claves de acceso en forma automática, correr
aplicaciones y emplear el correo electrónico o sistema de mensajes.
* Cargar y descargar archivos a un sistema de boletines.
* Enviar archivos a sistemas mundiales tales como el correo MCI
* Almacenar datos en un disco a partir de la información extraída del
computador hacia el cual se tiene la conexión.
* Transferir datos con otras PC's, computadoras Apple, y aun con sistemas
CPM, u otros sistemas aun cuando no empleen como software emulador a
Crosstalk
*Inicializar Crosstalk XVIpara contestar llamadas de otros usuarios con
niveles ajustables de seguridad para el sistema.
La principal pantalla de estado (menú) se divide en dos; en la mitad superior se exhibe el protocolo
asociado con el servicio que se encuentra activo en ese momento, y en la parte interior se encuentran
auxiliares Útiles para el usuario en los que se enumeran los servicios de que se dispone , ayuda en
línea y algunos de los protocolos de información mas complejos que se requieren. Se pueden
introducir comandos ya sea como palabras completas o mnemónicos de dos letras , y es posible
cambiar algunos de los parametros en cualquier momento. Por ejemplo, un usuario que desea
cambiar la velocidad del modem puede teclear SPEED, y el programa contestará con una lista de las
velocidades de que se dispone para elegir. También se puede construir y almacenar "scripts"
(archivos de comando) de entrada (log-on) automática. Ésta es la secuencia completa de entrada que
contiene todos los parametros necesarios para ingresar a un servicio de base de datos específico. El
propósito es hacer que este ingreso sea lo mas rápido y menos problemático posible.
5. DESARROLLO DEL SISTEMA.
Como ya se mencionó anteriormente, el sistema consta de dos aparatos de comunicación, cada
uno conectado a una de las computadoras entre las que se entablará la comunicación ( flujo de
información de datos ), a estos aparatos los nombramos como MCL ( Módulos de Comunicación
Láser ), Estos módulos tienen el mismo diseño de construcción, por lo tanto basta con analizar el
funcionamiento de uno de ellos para comprender como funciona el sistema en conjunto. para facilitar
su comprensión vamos a dividir el sistema electrónico por bloques. Esta división se muestra en la
figura 5.1.
Como se puede observar de la figura, cada modulo consta de un transmisor, un receptor, una
fuente de suministro de potencia y una interface para conectar el MCL a la computadora.
Como una nota de observación es conveniente recordar que la comunicación entre M C L y
computadora se realizará de manera directa y no mediante un MODEPtZhciemos el estudiopor el
circuito transmisor del MCL.
Para el diseño del sistema se partió de la premisa de no usar modulación alguna, con ello se
alcanzaba el objetivo de sencillez en el prototipo final, resultado de io anterior surgió el primer
diseño.
ETAPA TRANSMISORA.
El diagrama eléctrico del transmisor se muestra en el diagrama 1. El circuito transmisor
funciona de una manera muy sencilla, en su entrada tiene conectado un circuito integrado 1489 que
funciona como un convertidor de niveles de voltaje lógicos, cambia los voltajes de funcionamiento de
la interface RS-232 ( 3 a 12 volts O lógico -., -3 a -12 volts 1 lógico -.) a los voltajes de
funcionamiento de un CI TTL ( O volts - O lógico -., 5 volts - 1 lógico -. ). El transistor Q l esta
conectado de manera que funciona como un circuito inversor; esto es, cuando la salida del C I 1489
sea de 5 volts el transistor Q l se encontrara en estado de saturación y el voltaje Vcel será cercano a
0.2 V. Cuando el voltaje de salida del CI 1489 sea de cero volts el transistor Q i pasará al estado de
corte, por lo tanto el voltaje del colector de Q l ( Vce ) será igual a la tensión de suministro de la
fuente menos la caída de tensión en la resistencia R c l ; como Rcl << Rb2, Vcl es aproximadamente
Vcc. Estos voltajes de operación de salida del transistor Q l son utilizados para conmutar la salida del
transistor 4 2 , el cual tiene conectado en su colector el diodo semiconductor 1
E l circuito inversor del transistor Qi es necesario para invertir la lógica de funcionamiento; es
decir, el diodo láser se encenderá cuando la computadora le transmita un cero iógm y se apagará
para un 1 lógico. Esta forma de trabajar el diodo laser se debe a que cuando la UART ( Unidad de
Transmisión-Recepción Asíncrona ) de una computadora PC no se encuentra transmitiendo, coloca la
línea de comunicación en estado ocioso, colocándola a un nivel de 1 lógico, si no estuviera el circuito
inversor del transistor Q i , el diodo láser se encontraría encendido en los instantes en que no exista
transmisión, esto no es conveniente ya que estaríamos mal empleando ai diodo láser, llevándolo a una
pronta destrucción.
En hojas anteriores se había comentado de un sistema de retroalimentación para regular la
potencia de salida del diodo láser, como vemos en el circuito del diagrama 1, la etapa accionadora del
diodo no presenta tal sistema, aunque siempre es conveniente limitar la corriente que circula por el
diodo mediante un circuito de retroalimentación utilizando un fotodiodo monitor, el circuito de
-
-
--- e - -
Rayo
LcrScr
MCL 1
DTE 1
MCL 2.
RX
AL
.
OTE
t
F ~ G U R5.9
A
OTE 2
I
I
m
v
transmisión proporciona seguridad ya que el laser es conducido en modo pulsado, además de que este
se encontrara apagado cuando no se este transmitiendo y por otra parte la corriente de colector de Q2
no fluctuara mucho ya que se encuentra en saturación y la corriente que circulé por su colector Ic2 es
la de saturación, limitada por las caídas de tensión en el diodo laser y la resistencia Rc2.
Aunque todavía no se ha escogido un modelo de diodo laser en particular. Se tiene pensado
utilizar un modelo típico de diodo laser, similar al que se utiliza en los sistemas de audio de disco
compacto, con las siguientes características comunes:
- Láser de doble heteroestructura ( Laser cw ).
- Potencia de luz de salida: 5 mW.
- Longitud de onda: 780 nm.
- caída de voltaje ( típica ): 1.5 volts.
- Corriente de funcionamiento: 60 - 80 mA.
Para determinar una corriente de diodo de 70 mA, necesitamos una resistencia de colector Rc2
de 150 ohms.
Rc2 = ( Vcc - Vd - Vce2 ) I Ic2
R c=
~ ( 12 - 1.5 - 0.2 ) 170 = 150 ohms.
Los condensadores C1 y C2 en paralelo con las resistencias de base de Q i y Q2
respectivamente se añaden para mejorar la respuesta transitoria de los transistores.
El sistema de transmisión cuenta con un circuito oscilador de prueba. El switch S2 selecciona
uno de los dos estados A Ó B, en el estado A el interruptor conecta al transmisor a la salida del CI
1489 para transmitir los datos provenientes de la computadora. En el estado B el transmisor se
conecta a un oscilador de onda cuadrada construido con un circuito temporizador integrado 555, la
selección del oscilador de prueba se utiliza para realizar pruebas de alineamiento entre los dos
módulos de comunicación MCL, cerrando previamente el interruptor S1 para activar el CI 5 5 5 . Este
oscilador funciona como un transmisor de prueba, permitiéndonos alinear nuestro sistema de
comunicación sin tener que conectar la computadora en esta tarea. El circuito del temporizador 555
esta diseñado para oscilar a una frecuencia de 20 Khz.
Lista de componentes del sistema transmisor laser:
33 K
-Rbl : 1 K
-Rb2 : 3.9K
-Rcl
2000hms
- R c ~ 150 ohms
-Ra
: 4.7K
-Rd
: 1.2 K
- C1,C2 10 pF
- c 3 , c 4 : 0.01 ÁF
- Ql,Q2: transistor NPN 2N2222
- CI 1489
- CI 555
- Diodo láser.
- Rl,R2
ETAPA RECEPTORA.
El circuito utilizado en la recepción de datos ( diagrama 2 ) capta la radiación laser proveniente
del transmisor en el fotodiodo. El fotodetector proporcionara una corriente de microhpers, de
magnitud proporcional a la intensidad de flujo incidente; esta corriente es amplificada por el
transistor de alta ganancia y configuración darlington Q l . Esta corriente se convierte a voltaje por
medio del transistor Q2; el voltaje colector-emisor de Q2 es comparado contra un voltaje de
referencia producido por un divisor de voltaje a la del amplificador operacional. Si el voltaje Vce2 es
mayor al voltaje de referencia la salida del Amp. Operacional sera igual al voltaje negativo de
saturación, este corresponde a un 1 lógico para la interface RS-232. Esta condición ocurre cuando la
densidad de flujo incidente H, es cero o aproximadamente cero; en esta situación el voltaje que
aparece en el colector de Q2 se debe a dos factores: a la corriente de oscuridad del fotodiodo y a la
filtración de radiación solar en el mismo. Es por eso que el valor de Rc y el valor del voltaje de
referencia no se han definido aun y sus valores se determinara cuando se realicen.
Analizando el otro caso, cuando Vce2 < Vref la salida del Amp. Operacional sera igual al
voltaje negativo de saturación ( +Vsat ) indicándonos que un cero lógico ha sido recibido, en esta
situación la densidad de radiación recibida ( H ) debe ser lo suficientemente alta como para poder
saturar al transistor 4 2 o al menos producir un voltaje de colector que sea mayor al voltaje de
referencia del comparador ( valor de umbral ).
El circuito receptor tiene un switch S1 que nos permite seleccionar entre dos posiciones.
Colocándolo en la posición B conectamos la salida ( emisor ) del transistor Q l a un sencillo
voltímetro con capacidad de medición en el rango de O - 10 volts, este medidor de aguja se utilizara
cuando se realicen las pruebas de alineamiento entre los dos sistemas MCL. Este medidor nos
indicará a traves del movimiento de la aguja cual es la dirección de maxima incidencia ( recepción )
al realizar los ajustes de apuntamiento. Aparte de esto, el voltímetro nos da una idea de la corriente
que circulara en la base de Q2, que es directamente proporcional al nivel de irradiancia. El medidor
tiene dos escalas, seleccionables mediante el switch S2, si se coloca en la posición 1 se selecciona una
resistencia de 100 ohms, para una máxima deflexión del medidor estaremos asegurando que el
transistor Q l nos esta entregando al menos una corriente de 100 mA ( 10 V / 100 ohms ) : Si se
selecciona la escala 2 conectamos el medidor a una resistencia de 1K , una maxima deflexión del
medidor indicará un mínimo de 10 mA de corriente circulando hacia fuera de Q l ( 10 V / 1K ).
B
l
e o
Resumiendo lo anterior, el medidor nos sirve para dos cosas, primero para determinar la
dirección de máxima recepción en nuestro sistema y segundo, para calcular la corriente de luz
entrante amplificada ( Ie de Q l ). Este valor es necesario para poder determinar la confiabilidad de
la comunicación a una cierta distancia, ya que su valor comparado con el valor umbral permitido, nos
daría la idea de cual sería la distancia de alcance del sistema atmosférico de comunicación laser .
Lista de componentes del Receptor.
- FD : diodo fotodetector h4RD500.
- Q l : transistor darlington MPSA28 ( npn ).
- Q2 : transistor npn 2N2222.
- A.O. : amplificador operacional LM741.
- Rb : res. de 220 K.
- R1 : res. de 100 ohms.
- R2
- Rv
- R3
-C
- ÁA
: res. de 1K.
: res. variable de 220 K.
: res. de 200 K.
: cap. electrolítico de 2.2 ÁF.
: medidor de corriente O - 50 ÁA.
Fuente de Alimentación
Para proporcionar la potencia necesaria a nuestro sistema de transmisor-receptor, se emplea
una fuente de suministro regulada de doble polaridad con voltajes de salida de +/- 12 volts. Esta
fuente de alimentación utiliza un transformador con derivación central para transformar el nivel de
voltaje de 120 Vca de suministro a 25.2 volts de ca en cada mitad del devanado secundario. Estos
voltajes de corriente alterna son rectificados en onda completa por el puente de diodos y un y un filtro
de condensador se utiliza para desarrollar un voltaje no reguiado de cc. El voltaje de cc no regulado
se aplica a la entrada del CI regulador de voltaje, que proporciona la salida de voltaje de corriente
directa deseado. Como se puede observar en el diagrama 3 ambas fuentes ( +12 V y -12 V ) son
idénticas y tan solo difieren en que una utiliza un regulador de CI de voltaje positivo y la otra
funciona con un regulador de voltaje negativo ( CI's 7812 y 7912 respectivamente ). Los capacitores
de salida junto con la impedancia de salida del regulador de CI forman un filtro adicional de RC.
Lista de componentes:
- Puente de diodos integrado.
- C1, C5 : capacitores electrolíticos de 2200 ÁF.
- C2, C3, C6, C7 : cap. electrolíticos de 1 ÁF.
- C4, C8 : cap. electrol. de 100 ÁF.
- IC1: regulador de voltaje 7812.
- IC2: regulador de voltaje 7912.
- T1 : transformador con derivación central 120 - 25.2 Vca, 2 amps.
- L : lampara indicadora de neón.
MODULADOR- DEMODULADOR ASK
En el camino por encontrar el circuito Óptimo que nos permitiera realizar una transmisión de datos
contiable se diseñaron y probaron varios circuitos en el Laboratorio. Nos dimos cuenta que para
lograr un mayor alcance en el enlace era necesario modular los datos, así como el de contar con un
mejor amplificador en el receptor y una etapa de filtrado que disminuyera los problemas con el ruido.
Uno de los circuitos que se probaron se muestra en la figura 5.1, este consiste de un modulador y un
demodulador ASK.El diagrama de la figura 5.1 .A es el modulador su funcionamiento es simple y es
como sigue. El transmisor genera una señal modulada con una frecuencia de portadora de 100 Khz.
L a frecuencia de portadora es proporcionada por el timer 555 la cual se ajusta mediante la resistencia
R 5 y la señal moduladora esta dada por los bits de información, el transistor Q l se utiliza para
invertir la lógica, de tal forma que el CI 555 oscile para un bit cero lógico, el transistor Q2 acciona y
proporciona la corriente necesaria al diodo laser; el CI MC1489 proporciona la interface a la
computadora.
En la figura 5.1.B se muestra la etapa de recepción, esta consiste de un amplificador Óptico
retroalimentado, cuya función es convertir la señal Óptica en una señal eléctrica; se utiliza un filtro
pasa banda con una frecuencia central de 100 Khz para reducir el ruido, la señal recibida se vuelve a
amplificar en un factor de 10 en el CI LF351, el CI XR567 es un decodificador de tonos que se
utiliza para demodular, este cambia su salida a un nivel bajo (cero volts) cuando se presenta en s u
entrada una señal de frecuencia de lOOKhz y una amplitud mayor a 25 mV rms. L a velocidad de
respuesta de el decodificador de tonos es cercana a 10 cicloshit lo que corresponde a una razón de
transferencia de información de fo/lO baudios, en nuestro caso fo es de 100 Khz y por lo tanto el
máximo baud rate es de 10000 baudios. El CI MC1488 se emplea para realizar el cambio en el
código de línea.
Este diseño se desecho debido a que el decodificador de tonos era muy propenso al ruido, además
de inestable ya que proporcionaba una salida de estado bajo para muchas frecuencias diferentes de
100 Khz, aunado a que su ciclo de trabajo no era muy bueno (cercano al 25 %),, salvo esta etapa
todos los circuitos tanto del transmisor como del receptor funcionaron adecuadamente.
Q
COMPONENTES.
TRANSMISOR:
Resistencias.
R1, R6
1K
R2
2.2 K
R3 ,R5
10 K
R4
4.7 K
Capacitores.
c1
0.001 microF
c2
0.01 microF
Semiconductores.
CI 1
MC1489
CI2
timer CMOS 555
Ql,Q2
trans. npn 2N2222
DL
diodo laser LN9705P
RECEPTOR:
Capacitores.
Resistencias.
R1
R2,R4,R8,R3OYR43
R3 ,R31
R5
R6
R7
R9
R10
R11
R13,R22
R40
R4 1
20 K
10 K
100 K
150 R
47 R
6.8 K
2.2 K
220 R
22 R
2.8 K
330 R
2.4 K
Semiconductores.
D1
Q1,Q3
42
CI1,CU
C13
C14
C15
fotodiodo h4RD500
trans npn 2N5088
trans. pnp 2N5086
amp. op. LM741
amp. op. LF351
decodificador de tonos XR567
line driver MC 1488
C1 4.7microF
C2 10microF
C3 10pF
C4 100 microF
C5 100pF
Cl0,Cl l,C20,C21,C34 330 pF
C30 0.01 microF
C31 0.005 microF
C32 0.02 microF
C33 0.0033 microF
Como siguiente desarrollo se optó por emplear una modulación en frecuencia, es decir, FSK y de
este modo minimizar en el receptor la dependencia respecto a al amplitud de la señal recibida a la vez
que con esto se logra una mayor inmunidad al ruido ambiental.
El diseño se muestra en la figura 5.2, en el, sólo se muestra la etapa transmisora ya que se inició con
ésta, deseando optimizarla para después continuar con el receptor. Respecto al circuito se destaca que
tanto CI1 como CI2 se diseñaron para operar con un ciclo de trabajo del 10 % aproximadamente,
esto es deseable ya que el diodo láser tendría un uso en tiempo del 10 % minimizando con ello el
desgaste del mismo. Ahora bien, el sistema modulador de FSK esta formado por C13 y CI4, los datos
provenientes de C13 conmutan la salida de C14 a una de dos frecuencias para finalmente entregar a la
etapa de potencia, en este caso T1, las frecuencias correspondientes y conmutar DL a encendido o
apagado.
Sin embargo no se eligió esta opción ya que se encontró ruido a la salida de C14 al operar tan sólo a
una velocidad de transmisión de 10 bitdseg, como consecuencia no hubo desarrollo alguno para el
receptor.
Cuando se trató de subsanar el problema del sistema anterior se llego nuevamente a una modulación
FSK (fig. 5.3) ; al definir una frecuencia aproximada de 50 Khz para un O 1Ógco y una frecuencia de
O Hz para un 1 lógico, la inclinación hacia este sistema se debió en gran parte a la existencia en el
mercado de un circuito integrado adecuado para el receptor lo cual minimiza el tamaño y costo de
este. El funcionamiento del transmisor es el siguiente:
CI1 se encarga de adaptar los niveles RS-232 a niveles TTL, mientras que C12 invierte el nivel T T L
con lo cual el diodo láser sólo estará operando cuando se detecte el bit de arranque por cada byte
transmitido y no en periodos de inactividad del enlace manteniendo así el desgaste del DL (diodo
láser) a un nivel mínimo. C13 se encarga de generar una frecuencia de 50 Khz por un O lógico
recibido y O Hz por cada 1 lógico recibido. T1 se encarga de conmutar al DL de encendido a
apagado.
Para el receptor se cuenta con el integrado (CI4)pPC1373 o MC3373 el cual es un receptor
diseñado para enlaces infrarrojos detectando una frecuencia en particular auxiliado por un circuito
tanque. Sin embargo dado que no fue posible obtener la información de diseño de este integrado , se
empleo el diseño que contenía un manual y el resultado fue una recepción con ruido y de corta
distancia (2 metros). debido a lo anterior se descarto este diseño.
e
I
Y
cos:
Diagrama de la figura 5.2
resistencias.
Rl,RlO,R20
1K
R2
330
R3
10 K
R11
560
R12
8.6 K
capacitores.
c1,c3,c10,c12,c20 0.01 microF
2.2 nF
C2,Cll
semiconductores.
Dl,D2,D3,D4 diodos de switcheo 1N4148
Q1
trans. npn 2N2222
CIl,CI2
timer 555
C13
line driver MC1489
C14
multiplexor 74 157
DL
diodo laser LN9705P
Diagrama de l a figura 5.3.
TRANSMISOR
'
resistencias.
R1
27 K
R2
22 K
R3
3.9 K
R4
33 K
capacitores.
C1, C2
0.001 microF.
semiconductores.
Q l trans 2N2222
DL diodo laser LN9705P
CI1 MC1489
C12 compuerta nand 74LSOO
C13 timer 555
RECEPTOR
resistencias.
R10 1 K
R11 22
R12 150 K
R13 100K
R14 680
capacitores.
C3,C4,C7 10 microF.
C5 0.0033 microF.
C6 0.047 microF.
C8 47 microF.
C9 0.1 microF.
C10 330 pF
L 1 inductor 5 mH
semiconductores.
DR fotodiodo MRD500
C14 amplificador/ detector mPC1373
C15 s c h t t trigger 74C14
C16 MC1488
Diagrama de la figura 5.1.4.A
TRANSMISOR
resistencias.
capacitores.
Cl,C3,C4,C5 0.1 microF
c 2 1 nF
C6 0.01 microF
semicoductores.
Dz diodo zener 4.7 V
DL diodo laser LN9705P
Ql,Q2,Q3 trans. 2N2222
CI1 MC1489
C12 oscilador controlado por voltaje XR2207
Rl,R2,R3,R11
1K
R4
18 K
R5
180
R6
33 K
R7 resist. de prec. de 333 ohms
R8
5.1 K
R9
3.9 K
R10
4.7 K
R12
56 ohms
R13 resist. deprec. de 100 ohms
Diagrama de la figura 5.1.B.
RECEPTOR
resistencias.
R1
R2,R4,R8,R12,
R21,R30,R45,R46,
R3,R43,RR3 1,R43
R5
R6
R7
R9
R10
R11
R13,R22
R14,R15,R207R23
R40,R44
R4 1
R42
R47
semiconductores.
DR
Ql,Q3
Q2
CIl,CI2
C13
C14
CI5
20 K
10 K
100 K
150 ohms
47 ohms
6.8 K
2.2 K
220 ohms
22 ohms
5.8 K
12 K
510 K
23.5 K
40 K
330 ohms
capacitores.
c1
c2
c3
c4
c5
ClO,C11
c20,c21
C30,C3 1
C32
c33
c34
c35
C36,C37
fotodiodo MRD500
trans. pnp 2N5088
trans. pnp 2N5086
amp. op. LM74 1
amp. op. LF351
demodulador FSK XR22 11
line driver MC1488
4.7 microF
10 microF
10 pF
100 microF
100 pF
440 pF
220 pF
O. 1 microF
390 pF
1nF
1 microF
680 pF
330 pF
En el diseño final del sistema (figura 5.4) intervinieron varios factores, pero el principal fue la etapa
amplificadora en el receptor el cual es básicamente un amplificador retroalimentado de
transimpedancia, este amplificador, probado junto con un transmisor básico(sin modulación y sin
lentes) logró un enlace de 3 metros con una señal libre de ruido. Como elementos de modulación se
emplearon integrados especializados de la firma X R (EXAR), la elección de esta marca se justifica
por la abundante información de diseño y disponibilidad de los mismos en el mercado nacional.
En el modulo de transmisión se empleó el integrado XR2207 para modular el flujo de datos
proveniente del computador, los dos transistores T1 y T 2 tienen la función de elevar el nivel de
conmutación TTL que proviene de la salida del MC1489 a un nivel próximo a +12 volts para un 1
lógico, dicho nivel es necesario para activar al modulador. El modulador de FSK (XR2207) esta
centrado a 50 kHz.
En el lado receptor se agregaron un filtro pasabanda centrado en 50kHz para evitar el ruido y
mejorar el funcionamiento de todo el sistema. Además se agrego un amplificador con ganancia de 10
antes de procesar la señal en el integrado XR2211 el cual es un demodulador FSK con detección de
portadora; el flujo de datos que proporciona este integrado se regresa a niveles RS-232 por medio de
un MC1488.
Cabe destacar que el prototipo final (fig. 5.4) se probó junto con un sistema de lentes para colimar el
haz ,obteniéndose una distancia de 10 metros entre sistemas, esta distancia de prueba se debió a que
por problemas de alineación ya no era sencillo ajustar el módulo transmisor y receptor, en el cual una
pequeña variación del ángulo de azimut o de elevación del transmisor resultaba critico. El modulador
y demodulador se diseñaron para operar a una velocidad de 9,600 bps y dicha velocidad se alcanzo
sin mayor problema.
SEMICONDUCTOR LÁSER EMPLEADO.
El láser semiconductor empleado en el proyecto es de la marca Panasonic y opera en el rango
infrarrojo del espectro (790 nm), las especificaciones técnicas de dicho diodo son las descritas en las
siguientes páginas.
NOTA: Debido a los cuidados extremos en el manejo del diodo láser se tomó la decisión de
sustituirlo en la etapa de pruebas con un diodo de 5,000 mcd, más comúnmente llamados “jumbo” o
superled, en el prototipo final se empleó ya el DL.
6. CONCLUSIONES
El Sistema de Comunicación Laser expuesto resuelve la interrogante de como salvar el Último
kilometro de distancia entre dos sistemas de computo a un precio moderado. Aún cuando la idea de
usar un canal Óptico para transmisión de datos no es nueva, se deben de tomar en cuenta las
tecnologías actuales que si lo permiten como es el caso, en este proyecto, en el manejo de
semiconductores laser.
Las ventajas y aplicaciones que se derivan de la tecnología láser son palpables: alta codiabilidad y
buena relación costoheneficio son sólo algunas. Sin embargo los cuidados al fabricar un sistema con
semiconductores laser son extensos y ello se debe hacer notar con gran énfasis; además cabe
mencionar que el costo de un diodo laser en el mercado mexicano se acerca a lo prohbitivo(N$200 a
$N1000) lo cual hace extremar aún mas los cuidados en su manejo.
Las aplicaciones en el ámbito del láser son extensas aunque no tan obvias, se puede tener contacto
diario con éstas como es el caso de redes de datos y voz por fibra Óptica, que emplean como
transmisor Óptico a un diodo láser o bien técnicas aun en desarrollo para conexiones intersatelites y
no depender de estaciones terrenas para ello.
Con el presente Proyecto de Ingeniería Electrónica se fijan las bases para futuras investigaciones y
desarrollo que de el puedan hacer los estudiantes de ingeniería Electrónica así como todo aquel
interesado en el tema, además se busca solventar las necesidades de comunicación electrónica que
hay en nuestro país.
C a A I A:
dnub I C h e t e r - n 5 i r u c t i i r c v i 5 i bl e l a s e r ' d i o d e .
Stiiiclure is
shown i n
the alLachcd d r a w i n g - l .
P i n c o n n r r t i o n is shown i n
llic a l l a c h e d d r a w i n g - 2 .
0**i!inr 1 5
showri i n
tlir aiiaclicd d r a w i n s - 3 .
2.
~I[\SOL~JTF. t l A X l t l U t l
R&TlHCS
(Tax25t2.C)
2
30
60
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(Note I )
T o - T a c u r v e i: s h o * b
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P
v
I
I
the a t t a c h e d d r a w i n g - 4 .
mK
I
I
1
( N o t e 2)
(Hole 3 )
(Nolr 4)
I n i t i a l value
Sampling i n s p e c t i o n b y
lot
Angle of
50: peak i n t e n s i t y ( F H l l H )
Outlirle
R' i o l c r a n c e
I
o=i'o.os
Laser D i d e s
FEATURES: Coritinuous oscillation of o p t i c a l
output to Po niaxirriurn value.
Stable single
transverse mode oscillation
B u i l t - i n PIN
photo diode for optical output rrionitor
SPECIFICATIONS: Optical output (rriW): 5 ;
Threshold current (rnA): 33; Opcratiori current
(mA1: 43; Oscillation Wave length (nni): 805;
Radiation Angle (Parallel): l o o ; Radiation Angle
(Vertical): 36"; Dark Current (FA):
0.1; Operation
Voltage ( V i : 1.8
1
.o
It
3
P451
1. Laser Cathode
2 Lasei Anode
- 9.0'
1
E
1.5-
1
Pin Photodiode Cathode
3. Pin Photodiode Anode
2
o
ai
t
3 0.45
3
1
p952
1 . laser Anode
2 Common Cathode
3 Pin Photodiode Anode
Bottom View
UO.
MSI
P452
1
-1
II/Llrt F B ~ . 100- part D ~ Q .
26.44 235.00 P451-ND 1762.50 11119705
26 I4 4 235
O0 P452-NO 1762.50 LN9705P
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Cautions on Desiynirig
1'0
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L
,
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j
'l'c~iriperature rises w h r r i ciirrent is siipplied to
I a se r C on s i tlr r nt ion s for allow able
for wai-d current is descrit)cd in the item of LED
\Vlieii pulse rncidiiiation i s prrforiiied delay iimc t d I S
sr i n IC on d ti c t or
i i i i p r o v c d a s s t i o w n i n i i ~ x t fnrtriiila b y niultiplexinp:
I )C bias I ,
Panasonic
,.
1. Cautions
on Designing
----working desk. ?'ransit case should not be
clectrificeted b y vibration in transit, etc. .,Condiictive
contaiiier a n d aliirriinuni foil a r e suitable. Destruction
is caused by leakage voltage l o f soldering .ion. 1t
should be grounded. As atinorinal piilse from the
siirroiiiiding equiprrients and ,apparatiis many give
iiiílueiicbs, cautions siiould be paid for fluorescent
i;iiiip. si~itcliingpower r r ~ r i l a í o si . niagnptic inductioii
siich a < ; iiieasuriiig i n s t r i i i i i f ~ i i t s a n d power siipply
line. l.'ik\. 10 s h o w s exñiiiplr o f driving circiiit for
i n ( > a s i i icljiient. A i i m h r r c a i i t i r m s shoiild t i r also paid.
(
i
J
r.lbv seinirontiiictor I;isrr f i x r d w i t h tieat sink
I i & a t sink should be inorr tliaii 5 0 x 5 0 7~r i i i i i 2 .
h 1.i
@ CEirnicoriductor laser sliniild be assembled by
prbperly designed pincette. Pincctte should be
grlunded.
@ Iidsistor should .be acscnihled nea< the socket.
. M i k e load yire 'short a s possible,; so'destruc. t¡oiri by magnetic indiictinn is avoided.
Sr iiicoiidiictor laker stioiild tw connected at
tti
i i i r d e that power s i i p p l y ' switch S is ON,
vo/unic vRi i s OV.
6)til I\ c ti se niic on d ti c t o i I a sta i is ti is (-onne c t ed,
cohditioii should he síliiir> a y ;it)rivc,.
and
(3
1
I
Photo c d l
Panasonic
:3nn
1.3.(11¡) Optical Characteristics
( 1 ) Spectrum
liiiiitcdly cupplied in the stripe rail, refiactive {actor
disti-ihiitiori or loss disiribuiiori I S made in structure
hecause hoi.izoiital ,traverse riiade i s nnt controlled.
\+'hen i v k l t h of this active area is too large compared
with wavelength, horizontal rrinde is unstable and
sonirtiriies becomes multi-riiodc. I t is a n important
condition to obtain, in the application, single basic
t r a v r r r r tiiode (single peak t y p e F F P ) , '1's striicturé
of the LN9805 applies light enclosure operation of
jiinction to tipper and lower a n d also side of
i P s q n a t c i i . I t twloiigs to rrfrnctivr factor wavegiiide
O i i t p i i i light of seiiiic-oridiictor lasrr is a linear
I w I a i i . * a t t o t i (']Em rriode) which has ficld effect i n
parallrt with active layer. I t ran be called horizontal
polaiizatirm coinporient. When vet tical polarization
coriiporicnt i s observed by turning polarizer by 90°,
i t s value i s not zero. This is based on the fact that
CpriritancOus emitting coinponent i s included in output
cornlwricjt changes depending on the light receiving
angle, it 'becomes smaller as N A of lens is smaller
illi,rizoiitlillvertical polarization ratio t>ecorries large).
liorizontal and vertical polarization ratio is 80 at
output 4rnW.
leiigth directir?n
of chip consists resonator as a o l i p s r d pair of
reflector. Tliie edge has in parallel, i-rflectic>ii factor
of 3090. Chip length (lengtti of i-csriri;itor) i s ahnut
200 - 3 0 0 p m . A s this irsoiiatcri is v r r y I t r i i ~ ñgairist
wavelength, it resonates i n a n y few diffrrrrit racli
wavelength. When seiiiicoridiictor laser o5cillates at
wavelength A=@. 80prn i i r i d r r coiiditinii tliat icsi>riatoi
leiigth is 22@prn, i c f r a c t i v r i i i d c x 11 of iiicrliiiiii
GaAlAs is 3.5 and wavrIrriKIti i n riictliurii k, \vave
iiuinher q of standing w a v c íiritcgcr. a x i s riinde
degree) is a s follows;
In serriiconductor laser,
cdfic o f
__
2n
When t h e a x i s riindr d r g i r ~ q c l i a r i f l p s hv 1 ,
changing capacity A). of wavelrrt)!tti ). is
(3)As t igiria t isiri
P h a s c ~íront of propagatiori light inside the resona-
Wave spacing of bright line is A). which srrn
sprctriini of semiconductor l a s r r
in
t e r o l sdniiconductor laser is verlical to propagation
dircctioti of light energy in vertical direction against
active laier, but is not vertical to horizontal direction
with active. Iiyer. T h u s , horizontal 'directional beam
waist of! Óutput light is located inside from bearn
projectioh area by AZ. Ream waist of vertical'
directiori' i s located a t beam projecting edge. Effective
Iiiniinoiis' c e n t e r becomes a s t i p a t i s n i from horizontñl
n r i d V P I tic.al dirrLc-tion
~
( 4 ) Pioise
\ V h ? i i driving seriiicnridurtor laser by
light
po;vrr cliangc a s a time factor 'I his change (output
fliictiiation)
is a nois? of laser and indicated b v
L>c.
italattvp
389
/ntensit\ noise R I N
(dR'117)
Panasonic
-
7. BIBLIOGRAFÍA
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Jhon Wiley & Sons, Inc.1966
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Tab Books inc. 1984
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