Transceptor óptico inteligente basado en láser no guiado en el espacio libre,

comprendiendo:- sistema supervisor (6) para comunicación bidireccional entre los microcontroladores esclavos y el exterior;- conmutador multipuerto y convertidor de medio (7) para la conexión de múltiples transceptores ópticos en un mismo nodo;- aparato de guiado micrométrico motorizado (8) para el posicionamiento preciso de haces láser;- duplexor óptico (9) para la transmisión y recepción de haces láser mediante un único eje óptico;- transmisor láser (11) con un sistema de control que gestiona la potencia transmitida, el índice de modulación y el estado térmico de un diodo láser(183);- receptor (12) con un sistema de control que gestiona la sensibilidad, la ganancia y el estado térmico de un fotodiodo de avalancha (268);- dos termorreguladores de flujo simétrico (10, 10') para mantener un estado térmico estable en el diodo láser (183) y en el fotodiodo de avalancha (268)

Transceptor óptico inteligente basado en láser no guiado en el espacio libre.

Campo de la invención

La presente invención se enmarca en el campo de la industria electrónica asociada a las redes de comunicación digital adaptándose a la norma IEEE 802.3, presentándose como una solución para el trazado de redes de datos de carácter permanente y como una alternativa a los enlaces cableados de par, fibra óptica o radiofrecuencia. Los nodos de esta red de datos se conforman con transceptores ópticos inteligentes basados en láser tales como los que se presentan en esta invención.

Antecedentes de la invención

Las comunicaciones mediante métodos ópticos se vienen desarrollando desde hace años. En especial las realizadas en el espacio libre o la atmósfera permiten el establecimiento efectivo de enlaces a distancias de varios kilómetros si se utilizan láseres colimados de estado sólido de media potencia y fotodiodos de avalancha. La presente invención parte de la invención descrita en la patente ES2244311-B1 titulada "Procedimiento y aparato de enlace punto a punto mediante haz láser en el espacio libre para redes Ethernet", de los mismos autores, y propone un nuevo transceptor óptico inteligente que resuelve los problemas que surgen en la solución anterior propuesta; en concreto se resuelve la monitorización remota del estado del transceptor permitiendo construir nodos inteligentes en la red óptica, la gestión distribuida de las funciones del transceptor por parte de un conjunto de microcontroladores embebidos y jerarquizados que realizan el seguimiento automático del haz láser, el control automático de la potencia láser transmitida, la sensibilidad del receptor o la gestión térmica del sistema entre otras funciones.

La estructura de un enlace óptico básico se constituye mediante dos transceptores situados a una cierta distancia enfrentados y alineados, (según se muestra en la figura 1). Si se considera una distancia suficientemente grande entre ambos transceptores, la permanencia temporal del enlace y su calidad se ve condicionada por tres factores fundamentales:

a) La dispersión del haz láser en el espacio libre (influencias atmosféricas).

b) La alteración dinámica del soporte de sustentación.

c) La estabilidad térmica del láser de estado sólido y del fotodiodo de avalancha.

Las alteraciones atmosféricas y su influencia en la dispersión de láseres ha sido caracterizada en numerosos trabajos pudiéndose concluir que es el vapor de agua el principal elemento dispersor. Las pequeñas gotitas de una niebla densa, actúan como microlentes dispersantes, más significativas para láseres con longitudes de ondas cortas (visible e infrarrojo cercano) que para los de longitud de onda larga (infrarrojo lejano). Los láseres del tipo QCL (Quantum Cascade Laser), con longitudes de onda entre 3 y 15 micrómetros, se muestran como los mejores candidatos que minimizan, e incluso eliminan, la dispersión del haz frente al vapor de agua.

Por otro lado, el sistema transceptor se instala en las cubiertas de edificios de una o más plantas sometidas a elementos perturbadores tales como el movimiento del subsuelo y la dilatación térmica. Existen dos movimientos que afectan a la dinámica de un edificio: el movimiento debido a las fuerzas que actúan sobre la estructura de pilares (movimiento de periodicidad cuasi anual), y el movimiento de dilatación-contracción debido a los cambios térmicos ambientales entre el día y la noche de periodicidad diaria. Es difícil establecer un modelo de dilatación-contracción de un edificio construido con diversos materiales y coeficientes de dilatación, pero suponiendo un ejemplo sencillo de un edificio de hormigón isótropo de 10 m de alto con un coeficiente de dilatación lineal de 1x10^-5, un cambio térmico de 20ºC entre el día y la noche daría lugar a un cambio de longitud de 2 mm. La anisotropía de las estructuras de construcción hace que el cambio se dé en cualquier dirección del espacio generándose así sobre un plano de referencia arbitrario, un movimiento angular. Estos movimientos angulares son pequeños (décimas de miliradián), pero en enlaces a grandes distancias pueden alterar la posición del haz láser en decenas de centímetros provocando problemas en la comunicación entre transceptores.

Finalmente, la calidad del enlace puede verse alterada por los cambios en las propiedades físicas del láser semiconductor y del fotodiodo de avalancha. Las propiedades eléctricas de estos componentes son fuertemente dependientes de la temperatura. Los parámetros alterados son la potencia emitida por el láser, la sensibilidad del fotodiodo y la vida media de ambos.

La presente invención aborda estos problemas y los soluciona de una manera efectiva. No solo se trata de resolver el problema de la comunicación punto a punto de un haz láser modulado a alta velocidad mediante un determinado estándar, sino resolver un problema asociado a los diferentes mecanismos de control necesarios para mantener los parámetros del sistema en unos valores óptimos que permitan la comunicación estable y fiable. La presente invención proporciona un transceptor óptico que permite el desarrollo de un sistema de comunicación óptico que mantiene de forma activa o "inteligente", sus parámetros en un valor óptimo.

En el sistema de comunicación óptico, formado por una red de transceptores ópticos interconectados entre sí, se considera la posibilidad de monitorización y actuación remota sobre cada nodo de la red. La viabilidad de una red de comunicaciones formada por un conjunto de nodos complejos bajo control, exige la posibilidad de la centralización de la monitorización y en la actuación con independencia geográfica. La red de comunicación óptica de acuerdo a la presente invención permite la monitorización sobre la red WAN.

Hoy en día, los sistemas de control embebido o empotrado se muestran como soluciones válidas para realizar labores de control distribuido entre las distintas partes de un sistema. La división de tareas realizadas por pequeños procesadores permite distribuir la carga computacional y especializar a los distintos sistemas en tareas concretas. Se incrementa la robustez dado que el fallo de un procesador local solo afectará a las variables locales que controla. Por eso, la presente invención emplea soluciones de control embebido asociando las variables a controlar a los distintos subsistemas de los que consta el sistema de comunicación óptico.

Descripción de la invención

La presente invención se refiere a un transceptor óptico que resuelve los problemas enumerados anteriormente.

En el transceptor, el control de la potencia del láser transmitido así como la sensibilidad del fotodetector son parámetros ajustables en función del grado de partículas dispersantes. Así, el transceptor dispone de un elemento de medida de la humedad ambiental y un sistema de control que cambia la potencia transmitida y la sensibilidad del fotodetector de forma automática.

Además, en el sistema de comunicación óptico, cada transceptor dispone de un mecanismo adaptativo que le permite realizar un seguimiento del haz bidireccional (haz del transceptor A con el transceptor B, y haz del transceptor B con el transceptor A). Una vez alineados los dos haces, el control de seguimiento los mantiene alineados con independencia del movimiento de las bases de sustentación. Se incluye un procesador exclusivamente dedicado a la ejecución de un algoritmo de seguimiento altamente fiable también presentado en esta invención.

Por otro lado, el transceptor dispone de un mecanismo de control térmico que permite mantener la temperatura del láser de estado sólido y del fotodiodo de avalancha dentro de unos márgenes y, en función de la temperatura ambiental, otros mecanismos que mantienen la potencia y la sensibilidad constantes e independientes de los posibles cambios térmicos que puedan suceder. El objetivo es el mantenimiento de una comunicación estable maximizando la durabilidad de los componentes.

Funcionalmente el aparato transceptor óptico puede descomponerse en catorce subsistemas interrelacionados:

1. Un subsistema de anclaje a muro y un mecanismo de orientación grueso. El transceptor permite estar sólidamente anclado a una estructura rígida (ladrillo u hormigón), de una parte alta de una edificación orientándose mediante un mecanismo de giro acimutal y de elevación hacia un transceptor homólogo situado a gran distancia.

1. Transceptor óptico inteligente basado en láser no guiado en el espacio libre, caracterizado por que dicho transceptor (1) comprende una base de sustentación de componentes (3) y una cubierta (4) que conforman una estructura rígida donde se alojan los siguientes componentes del transceptor (1):