APARATO TRANSMISOR LÁSER TERMORREGULADO CON CONTROL EMBEBIDO.

Aparato transmisor láser termorregulado con control embebido, para la transmisión de haces láser modulados, que comprende un diodo láser (2) con fotodiodo sensor (2') que se encuentra sometido a tres lazos de control regulados por un microcontrolador (29):



- un lazo de control térmico encargado de mantener estable la temperatura del diodo láser (2);

- un lazo de control luminoso encargado de mantener estable la irradiancia del haz láser emitida por el diodo láser (2);

- un lazo de control del índice de modulación encargado de controlar la profundidad de modulación del haz láser.

Aplicable para comunicaciones ópticas por láser.

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201100112.

Solicitante: UNIVERSIDAD DE MALAGA.

Nacionalidad solicitante: España.

Inventor/es: ROMERO SANCHEZ,JORGE, FERNANDEZ RAMOS,RAQUEL, MARTIN CANALES,JOSE FRANCISCO, RIOS GÓMEZ,FRANCISCO JAVIER, MARÍN MARTÍN,FRANCISCO JAVIER.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • G02B26/02 SECCION G — FISICA.G02 OPTICA.G02B ELEMENTOS, SISTEMAS O APARATOS OPTICOS (G02F tiene prioridad; elementos ópticos especialmente adaptados para ser utilizados en los dispositivos o sistemas de iluminación F21V 1/00 - F21V 13/00; instrumentos de medida, ver la subclase correspondiente de G01, p. ej. telémetros ópticos G01C; ensayos de los elementos, sistemas o aparatos ópticos G01M 11/00; gafas G02C; aparatos o disposiciones para tomar fotografías, para proyectarlas o para verlas G03B; lentes acústicas G10K 11/30; "óptica" electrónica e iónica H01J; "óptica" de rayos X H01J, H05G 1/00; elementos ópticos combinados estructuralmente con tubos de descarga eléctrica H01J 5/16, H01J 29/89, H01J 37/22; "óptica" de microondas H01Q; combinación de elementos ópticos con receptores de televisión H04N 5/72; sistemas o disposiciones ópticas en los sistemas de televisión en colores H04N 9/00; disposiciones para la calefacción especialmente adaptadas a superficies transparentes o reflectoras H05B 3/84). › G02B 26/00 Dispositivos o sistemas ópticos que utilizan elementos ópticos móviles o deformables para controlar la intensidad, el color, la fase, la polarización o la dirección de la luz, p. ej. conmutación, apertura de puerta, modulación (elementos móviles de dispositivos de iluminación para el control de la luz F21V; dispositivos o sistemas especialmente adaptados para medir las características de la luz G01J; dispositivos o sistemas cuyo funcionamiento óptico se modifica por el cambio de las propiedades ópticas del medio que constituyen estos dispositivos o sistemas G02F 1/00; control de la luz en general G05D 25/00; control de las fuentes de luz H01S 3/10, H05B 37/00 - H05B 43/00). › para controlar la intensidad de la luz.
  • G05D23/19 G […] › G05 CONTROL; REGULACION.G05D SISTEMAS DE CONTROL O DE REGULACION DE VARIABLES NO ELECTRICAS (para la colada continua de metales B22D 11/16; dispositivos obturadores en sí F16K; evaluación de variables no eléctricas, ver las subclases apropiadas de G01; para la regulación de variables eléctricas o magnéticas G05F). › G05D 23/00 Control de la temperatura (disposiciones de conmutación automática para los aparatos de calefacción eléctricos H05B 1/02). › caracterizado por la utilización de medios eléctricos.
  • H01S3/042 SECCION H — ELECTRICIDAD.H01 ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS.H01S DISPOSITIVOS QUE UTILIZAN LA EMISION ESTIMULADA.H01S 3/00 Láser, es decir, dispositivos para la producción, amplificación, modulación, demodulación o el cambio de frecuencia utilizando la emisión estimulada de ondas infrarrojas, visibles o ultravioletas (láseres de semiconductor H01S 5/00). › para láser de estado sólido.
  • H01S3/10 H01S 3/00 […] › Control de la intensidad, frecuencia, fase, polarización o de la dirección de la radiación, p. ej. conmutación, apertura de puerta, modulación o demodulación (acoplamiento de modos H01S 3/098).

Fragmento de la descripción:

Aparato transmisor láser termorregulado con control embebido.

Campo de la invención

La invención presentada, se enmarca en el campo de la industria electrónica de las comunicaciones ópticas de alta velocidad en las que intervienen haces láser modulados.

Antecedentes de la invención

Un diodo láser de estado sólido es un dispositivo no lineal que sigue la curva tensión-corriente convencional de un diodo pero que, a partir de un umbral de tensión, exhibe el denominado fenómeno "lasing" creándose una emisión de luz altamente coherente espacial y temporal. La luz producida focalizada tiene una gran directividad y muy baja dispersión permitiendo dirigirla hacia puntos lejanos del espacio. Si esta luz es modulada por una fuente de información, es posible transmitirla a gran velocidad (varios Gigahertzios). Por su comportamiento no lineal se opta por modulaciones tipo - binarias en la que el diodo láser conmuta entre dos niveles de luminosidad establecidos, siempre bajo el fenómeno lasing.

El diodo láser de estado sólido tiene una fuerte dependencia térmica con sus variables eléctricas y luminosas. La irradiancia de la luz que genera depende de la temperatura. Normalmente, los fabricantes incluyen en la cápsula de láser a un fotodiodo sensor que mide la irradiancia transmitida con el fin de cerrar un lazo de control entre su valor y la corriente generada a una temperatura dada. Así, cambiando los niveles de corriente de polarización en función de la temperatura, puede mantenerse una irradiancia constante. La estabilidad en la irradiancia emitida es imprescindible para la discriminación de niveles por parte del receptor o demodulador. Por tanto, no sólo es necesario controlar los niveles de polarización, sino también la propia temperatura del diodo láser. El diodo láser se calienta cuando emite luz. A medida que aumenta su temperatura necesita más corriente de polarización para mantener el mismo nivel de irradiancia. El excesivo consumo de corriente envejece al diodo. Los cambios de temperatura generan tensiones mecánicas en la estructura cristalina del diodo que también inducen al envejecimiento. Por todo ello, es necesario mantener al diodo láser a una temperatura baja y estable. Un sistema termorregulador de flujo simétrico que albergue a la cápsula del diodo láser, soluciona estos inconvenientes.

Para maximizar la relación señal-ruido y evitar costes en las líneas de transmisión, la señal moduladora se construye en forma diferencial verificando la norma de un estándar. En el caso binario, se trata de dos señales complementarias las que portan información. Teniendo en cuenta la naturaleza de la señal moduladora, la mayor parte de los sistemas de amplificación, filtrado o de comparación serán diferenciales. El driver que inyecta corriente en el diodo láser suele ser diferencial. Las potencias irradiadas a controlar en láseres modulados para transmisión en el espacio libre deben ser de unos cuantos a decenas de miliwatios en enlaces entre unos centenares de metros y varios kilómetros.

Descripción de la invención

En esta invención se presenta un aparato transmisor láser termorregulado con control embebido. El aparato transmisor emite luz láser modulada en formato binario siendo controlado por un microcontrolador en sus parámetros de potencia transmitida e índice de modulación y conteniendo elementos de control térmico, de control de irradiancia y de control de la señal modulada.

Para mantener la estabilidad en el funcionamiento del láser modulado se diseñan tres lazos de control:

- Un lazo de control térmico que mantenga al diodo en un estado térmico estable.

- Un lazo de control luminoso que mantenga su irradiancia estable debiendo medirse con un fotodiodo externo para, una vez cerrado el lazo, controlar la corriente de polarización del láser y, por tanto, su potencia transmitida.

- Un lazo de control del índice de modulación. A la corriente de polarización controlada, debe sumarse la corriente de la señal moduladora que hace excursionar la irradiancia emitida en dos niveles definidos. La profundidad de modulación también debe encontrarse en un lazo de control que optimice la potencia media transmitida. La distancia entre los dos niveles de luminosidad debe controlarse para una determinada irradiancia.

Por otro lado, los esquemas de alimentación eléctrica de un diodo láser y de los dispositivos que conforman las unidades de control y modulación también deben ser altamente estables y de muy bajo ruido. Si se utilizan dispositivos de conmutación tales como microcontroladores, deben tener fuentes de alimentación separadas que impidan la transmisión de impulsos o espigas parásitas. En esta invención se presenta un esquema de alimentación con un circuito de prerregulación previo a un conjunto de fuentes de alimentación de bajo ruido dedicadas ad-hoc a elementos funcionales concretos. Se separan las funciones de conmutación, las de los subsistemas de entrada-salida y acondicionamiento de señal y las propias de polarización y control del diodo láser. Las fuentes de gran consumo tales como las de los circuitos de control del termorregulador y celdas peltier deben diseñarse de forma separada con unidades transformadoras distintas.

El aparato transmisor láser consta de un diodo láser encapsulado con un fotodiodo sensor con el fin de monitorizar y controlar la irradiancia emitida. El conjunto láser-fotodiodo es activado por un driver que recibe la señal moduladora en forma diferencial para modular la corriente de un diodo láser polarizado en la zona lasing. El driver contiene fuentes de corriente controlada que permiten modificar el punto de polarización y el índice de modulación a la vez que sensores de corriente que permiten monitorizar la corriente de modulación, la corriente de polarización y la corriente del fotodiodo. También posee un circuito detector de umbral que genera una señal de alarma cuando el diodo láser supera una corriente límite.

La señal moduladora de entrada posee las características de un estándar. La etapa de entrada contiene un amplificador, un conformador de pulsos y un adaptador de niveles e impedancias.

Las señales de actuación "potencia requerida" e "índice de modulación requerido" se generan por conversores digitales-analógicos (DAC) bajo el control de un microcontrolador. Las señales de senseo "corriente de modulación", "corriente de polarización" y "corriente del fotodiodo" se procesan mediante filtros pasa baja siendo convertidas a formato digital (ADC) bajo el control de un microcontrolador.

El microcontrolador lee el estado térmico del diodo láser mediante sensores de temperatura y actúa a través de un circuito de control de potencia sobre un aparato termorregulador de flujo simétrico que, cerrando el lazo, mantienen estable su temperatura.

La señal transmitida debe estar libre de ruidos parásitos. Por ello, el aparato transmisor láser objeto de esta invención posee un esquema de alimentación con un circuito de prerregulación previo a un conjunto de fuentes de alimentación de bajo ruido dedicadas a elementos funcionales concretos. Se hace uso de dos fuentes de alimentación externas separadas, una de baja potencia y bajo ruido para el transmisor propiamente dicho, y otra de alta potencia que alimenta a los circuitos de control del termorregulador, las celdas peltier y los ventiladores. El termorregulador empleado puede ser, por ejemplo, el empleado en el solicitud de patente P201001621.

La fuente de alimentación de baja potencia es procesada por una etapa de prerregulación que proporciona un potencial estable a partir del cual se derivan una fuente convencional que alimenta al microcontrolador y sus circuitos de conmutación, y tres fuentes de alimentación de bajo ruido que alimentan los conversores y filtros, la etapa diferencial de entrada y el driver con el propio diodo láser.

Breve descripción de los dibujos

A continuación se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta.

La Figura 1 muestra el diagrama funcional del bloques del aparato transmisor láser termorregulado con control embebido.

Las Figuras 2A y 2B muestran la disposición de componentes en la parte anterior y posterior, respectivamente, de la tarjeta de circuito impreso.

Las Figuras 3A y 3B muestran la vista superior e inferior, respectivamente,...

 


Reivindicaciones:

1. Aparato transmisor láser termorregulado con control embebido, para la transmisión de haces láser modulados, que comprende un diodo láser (2) con fotodiodo sensor (2') y un microcontrolador (29), caracterizado porque el diodo láser (2) se encuentra sometido a tres lazos de control regulados por el microcontrolador (29):

- un lazo de control térmico encargado de mantener estable, a un valor determinado por el microcontrolador (29), la temperatura del diodo láser (2), comprendiendo dicho lazo de control térmico un termorregulador (40) con medios sensores de temperatura (18) conectados al microcontrolador (29) y un circuito de control del termorregulador (30, 31, 32, 33) controlado por el microcontrolador (29);

- un lazo de control luminoso encargado de mantener estable, a un valor determinado por el microcontrolador (29), la irradiancia del haz láser emitida por el diodo láser (2), comprendiendo dicho lazo de control luminoso:

• el fotodiodo sensor (2'), medios sensores de la corriente del fotodiodo conectados al microcontrolador (29) para medir la irradiancia emitida y medios sensores de la corriente de polarización láser conectados al microcontrolador (29); y

• un driver (22), mediante una fuente de corriente de polarización controlada por el microcontrolador (29), para polarizar el diodo láser en un estado determinado de corriente;

- un lazo de control del índice de modulación encargado de controlar la profundidad de modulación del haz láser, comprendiendo dicho lazo de control del índice de modulación medios sensores de la corriente de la señal moduladora conectados al microcontrolador (29) y el driver (22), mediante una fuente de corriente de modulación que actúa sobre el par diferencial controlada por el microcontrolador (29), para modificar el índice de modulación del haz láser.

2. Aparato transmisor láser según la reivindicación 1, donde el driver (22) comprende fuentes de corrientes controladas por el microcontrolador (29) para modificar el estado de polarización y el índice de modulación del haz láser (2).

3. Aparato transmisor láser según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende una etapa de entrada diferencial (23) formada por un amplificador, un conformador de pulsos y un adaptador de niveles e impedancias.

4. Aparato transmisor láser según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el termorregulador (40) es de flujo simétrico basado en celdas peltier, estando el circuito de control del termorregulador (30, 31, 32, 33) configurado para permitir el cambio del sentido de la corriente en las celdas peltier del termorregulador (40).

5. Aparato transmisor láser según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende un conjunto de filtros paso bajo (26, 27, 28) y conversores DAC (24, 25) para procesar las señales de entrada y de salida del driver (22) bajo el control del microcontrolador (29).

6. Aparato transmisor láser según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende un circuito de prerregulación (20) previo a un conjunto de fuentes de alimentación de bajo ruido (35, 37, 38) dedicadas ad-hoc a elementos funcionales específicos del aparato transmisor (1).

7. Aparato transmisor láser según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende un circuito detector de umbral, conectado con el microcontrolador (29), encargado de generar una señal de alarma cuando el diodo láser supera una corriente de polarización límite.


 

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