Transmisores y Receptores Opticos

6.5 TRANSMISORES Y RECEPTORES OPTICOS Introducción En las comunicaciones a través de fibras ópticas los transmisores y receptores ópticos son los dispositivos encargados de tomar la señal eléctrica en forma de voltaje o corriente y convertirla en una señal luminosa con el objetivo de transportar información a través de la fibra. La complejidad del transmisor y receptor depende del tipo de señal o información que se quiere enviar, si es análoga o digital, el tipo de codificación, y de la clase de fuente luminosa que se va a modular. Básicamente, el detector es un dispositivo que convierte fotones en electrones, un receptor se compone de un detector y de los circuitos necesarios asociados que lo capaciten para funcionar en un sistema de comunicaciones ópticas, transformando señales de frecuencias ópticas a frecuencias inferiores, con la mínima adición de ruido indeseable y con un ancho de banda suficiente para no distorsionar la información contenida en la señal (analógica o digital).

Transmisores Ópticos Los transmisores ópticos son elementos que dentro del diseño de un sistema de transmisión de fibra óptica que cumplen la función de convertir las señales eléctricas en señales ópticas (en formas de pulsos de luz) para ser transmitidas por la fibra, para enviar los rayos de luz se utilizan principalmente los diodos LED y los diodos Láser, los cuales se utilizan según los requerimientos técnicos, dependiendo de sus fortalezas y debilidades y la forma como se realice el diseño del sistema. Son dispositivos encargados de realizar la conversión electro-óptica de la señal para introducirla en el canal de información, es decir el cable de Fibra óptica, están compuestos por un modulador y una fuente de luz principalmente. Generalmente se espera que el transmisor que introduzca una potencia óptica adecuada, tamaño y forma adecuadas a la fibra, una longitud de onda que permita atenuación y dispersión mínima para el canal, una anchura espectral pequeña y que sea capaz de trabajar a muy alta frecuencia Dentro de los transmisores se realiza el acoplamiento de la luz, el cual depende principalmente de la fuente de luz (diodo LED o láser). En general, el transmisor óptico de un sistema de comunicación por fibra óptica es compuesto por un modulador y una fuente de luz asociada con suyo circuito driver. Una fuente de información genera la señal que se desea transmitir y lo envía para ser adaptado para transmisión en el modulador. La fuente de información, llamada de generador de señales, define el tipo de información a ser transmitida. Para el caso de una señal digital, la señal es representada por un conjunto de valores, que en general, en comunicación óptica, es binarios. En el caso de una señal analógica, generalmente ella es

representada por una combinación de senoides, con varias frecuencias, amplitudes y fases. La figura 6.5.1 presenta una representación típica de señales digitales y señales analógicas.

Fig. 6.5.1- Típica representación de señal digital y señal analógica. En realidad, la información a ser transmitida, es imprevisible, debiendo ser caracterizada por valores aleatorios, pero es común utilizar valores determinísticos, para la evaluación del desempeño del sistema de comunicación. En el caso que se quiera transmitir varias señales simultaneas, analógicas o/y digitales, el transmisor se encarga de hacer una multiplexación eléctrica o óptica, de todas las fuentes de información que se quiera transmitir.

Características Básicas de los Transmisores Ópticos Las características más importantes de un transmisor óptico son la potencia óptica emitida, el espectro de radiación de la fuente óptica y la forma de onda de la señal óptica en la salida del transmisor, que depende de la respuesta en frecuencia del dispositivo. La potencia óptica emitida por el LED es, con una buena aproximación, proporcional a la corriente inyectada, aunque para altos niveles de corriente ella satura, debido a efectos térmicos. La radiación emitida por el LED es incoherente y cubre un amplio espectro de ancho de banda óptico. La figura 6.5.2 presenta las características fundamentales dos LEDs para aplicaciones en comunicaciones.

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Fig. 6.5.2- Características de transmisión de los LEDs (a)- curva potencia óptica versus corriente inyectada. (b)Espectro de emisión. (c)Respuesta en frecuencia.

El comportamiento del láser es más complejo, él es un dispositivo de umbral. Abajo de la corriente umbral, la radiación es producida de la misma forma que en el LED, sin embargo, arriba el corriente umbral, el láser actúa como un oscilador y hay un cambio en la característica de la radiación emitida, ella se hace más direccional, más coherente y el espectro se hace más delgado. Tanto la corriente umbral, cuanto el espectro de radiación son sensibles a la temperatura y pueden variar con las condiciones ambientales y altas potencias. La figura 6.5.3 presenta las características fundamentales dos diodos láseres para aplicaciones en comunicaciones.

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Fig. 6.5.3- Características de transmisión de los diodos láseres (a)curva potencia óptica versus corriente inyectada, (b)Respuesta en frecuencia. (c)Espectro de emisión: láser multimodo y láser monomodo Receptor Óptico Una configuración básica es el receptor de detección directa, el foto detector convierte el flujo de los fotones incidentes en un flujo de electrones. Después esta corriente es amplificada y procesada. Existen dos tipos de fotodiodos usuales para recepción óptica, fotodiodo PIN y fotodiodo de avalancha APD.

Modelos de un típico receptor óptico con detección directa En la práctica, para los receptores de detección directa con fotodiodos PIN, el factor limitante de la sensibilidad del receptor es el ruido térmico, generado en la salida del fotodiodo. Existe dos alternativas para superar esta limitación, una es el uso de fotodiodo de avalancha APD, donde el mecanismo de multiplicación de la corriente foto generada en el fotodiodo amplifica la señal foto detectado. La segunda alternativa es la utilización de un pre-amplificador óptico antes del foto detector, para amplificar la señal óptica antes de la detección.

Modelo de un típico receptor óptico con detección directa utilizando un preamplificador óptico Una configuración mas compleja de receptor óptico es el empleo de los receptores de detección coherente, con el nivel de potencia del oscilador local tan alto que el ruido térmico se hace mucho menor que el producto del batimento entre la señal del oscilador local y la señal recibida. La figura presenta el esquema simplificado de detección coherente.

Modelo de un típico receptor óptico con detección coherente En el caso del esquema coherente, la señal detectada posee una frecuencia intermediaria dada por:

Donde: fFI es la frecuencia intermediaria, fS es la frecuencia de la señal recibida y f LO es la frecuencia del oscilador local. En los sistemas homodinos, la frecuencia intermediaria es igual a cero y, en los heterodinos, ella es diferente de cero, o sea, el espectro está simplemente trasladado de la frecuencia óptica para la frecuencia intermediaria. Por su parte, en el sistema homodino, como la frecuencia intermediaria es nula, ocurre una concentración de las energías de las dos bandas laterales en la única banda existente. Debemos considerar los mismos parámetros básicos para diferenciar las características de los receptores analógicos y digitales. Los parámetros de los receptores analógicos son la linealidad o distorsión y el ancho de banda, mientras que para receptores digitales la linealidad no es importante y el ancho de banda se reemplaza por la máxima velocidad de transmisión. La potencia de ruido equivalente de un receptor es generalmente mayor que en la de un foto detector sólo. Otras consideraciones son la relación señal/ruido para los receptores analógicos y la tasa de errores (número de bits equivocados recibidos) para receptores digitales. Se debe notar que la fuente principal de ruido en el receptor es la etapa amplificadora que sigue al foto detector. Debemos considerar las características eléctricas de salida (codificación para transmisores digitales y nivel e impedancia de salida para las analógicas). Muchos receptores tienen circuitos de control automático de ganancia (CAG) para mantener el mismo nivel de salida cualquiera sea el nivel de entrada. Dado que el rango del nivel de entrada esta limitado por el foto detector, hay una potencia máxima sobre la cual se satura y una potencia mínima que representa la mínima detectable. Esta última es importante para determinar la máxima longitud de fibra que se puede usar sin repetidores. Otras características ópticas de los foto detectores tales como el rango de longitudes de onda de trabajo y el tipo de encapsulado deben ser considerados al elegir. Los receptores ópticos actuales se basan en uno de los dos tipos de detectores: el fotodiodo de avalancha APD y el diodo PIN seguido por un preamplificador de entrada FET (Transistor de Efecto de Campo). Para señales digitales binarias, el caso más común basta con 22dB de relación señal/ruido. Un APD de calidad (de bajo ruido) podría

dar una sensibilidad superior. Las relaciones señal eficaz de portadora/ruido eficaz en señales analógicas han de estar entre los 30dB y los 65dB. Si las señales están moduladas en intensidad, el ruido dominante es el granular (shot) asociado a la corriente media de la señal, para relaciones portadora/ruido mayores de unos 40dB. En estos casos la mejor opción son los receptores PIN-FET. Ruido en los receptores ópticos La capacidad de un receptor óptico para detectar señales de luz débiles depende de su sensibilidad y en particular del ruido propio. Los agentes causantes del ruido son la señal óptica, el diodo en sí y el circuito eléctrico que le sigue. El límite en cuanto a detección se da cuando la suma de todas las corrientes de ruido (cuántico, de la corriente de oscuridad, granular, térmico) iguala a la corriente de la señal a la salida del receptor. Esta potencia equivalente al ruido suele ser sin embargo menos importante que la potencia óptica (mínima) requerida para garantizar la deseada relación señal/ruido o tasa de error. Pueden presentarse alguna o todas las fuentes de ruido siguientes: - Ruido granular en la corriente media de la señal. - Exceso de ruido granular en la corriente media de la señal, debido al ruido en la multiplicación de avalancha. - Ruido creado por la corriente de oscuridad del detector. - Ruido procedente del amplificador. Incluso con un APD perfecto, hay un límite fundamental en el cual el rendimiento sólo depende del ruido granular en la corriente media de la señal. Corrientemente se le denomina límite cuántico, ya que los electrones de la corriente de señal están relacionados directamente con los fotones ópticos. Se puede demostrar que deben recibirse al menos 21 fotones para un “l” si se quiere obtener una tasa de error de 10-9 en sistemas digitales.

6.6 COMUNICACIÓN CON INFRAROJOS Las redes por infrarrojos nos permiten la comunicación entre dos nodos, usando una serie de LED´s infrarrojos para ello. Se trata de emisores/receptores de las ondas infrarrojas entre ambos dispositivos, cada dispositivo necesita al otro para realizar la comunicación por ello es escasa su utilización a gran escala. DEFINICION DE INFRARROJO: La radiación infrarroja o radiación térmica es un tipo de radiación electromagnética de mayor longitud de onda que la luz visible, pero menor que la de las microondas. Consecuentemente, tiene menor frecuencia que la luz visible y mayor que las microondas. El nombre de infrarrojo, que significa "por debajo del rojo", proviene de que fue observada por primera vez al dividir la luz solar en diferentes colores por medio de un prisma que separaba la luz en su espectro de manera que a ambos extremos aparecen visibles las componentes del rojo al violeta (en ambos extremos). Aunque estas experiencias habían sido realizadas anteriormente por Isaac Newton, William Herschel observó en el año 1800 que se recibía radiación debajo del rojo al situar medidores de calor en las diferentes zonas no visiblemente irradiadas por el espectro. Su longitud de onda, entre 700 nanómetros y un milímetro, es la siguiente en longitud al rojo, el color de longitud de onda más larga de la luz visible.

Al hablar de comunicación inalámbrica lo primero que se piensa es en señales de radio. Sin embargo, olvidamos que nos comunicamos habitualmente con equipos electrónicos utilizando una tecnología que se ha vuelto muy común, extremadamente sofisticada y eficaz: las comunicaciones mediante infrarrojos. Como por ejemplo cuando se opera un control remoto, lo que uno hace es comunicarse por medio de luz en la gama de los infrarrojos Un enlace de este tipo puede servir, por ejemplo, para enviar datos a un robot desde sensores, establecer y detectar balizas en el entorno, comunicar varios robots entre sí, o para que una persona dé órdenes utilizando un aparato convencional de control remoto (como el de su TV).

Características de los Sistemas Infrarrojos de Comunicaciones. En general los sistemas de comunicaciones infrarrojos ofrecen ventajas significativas respecto a los sistemas de radio frecuencia. Al utilizar luz, los sistemas Infrarrojos de

comunicaciones cuentan con un canal cuyo potencial de ancho de banda es muy grande y no están regulados en ninguna parte del planeta. Además, los sistemas infrarrojos de comunicaciones son inmunes a interferencias y ruido de tipo radioeléctrico. Como la luz infrarroja no puede atravesar paredes, es posible (en comunicaciones interiores) operar al menos un enlace (celda) en cada cuarto de un edificio sin interferencia con los demás, permitiendo así una alta densidad de recurso del sistema, obteniéndose una gran capacidad por unidad de área. El comportamiento de las señales infrarrojas hace difícil que escuchas clandestinos las puedan captar. La única manera de que las señales infrarrojas se pudieran captar sin permiso, es a través de las ventanas, pero si estas se cubren con persianas o cortinas se evitaría tal situación de inseguridad, sin la necesidad de los complicados algoritmos de cifrado utilizados en los sistemas de RF

Clasificación de los sistemas infrarrojos. En general, los sistemas IR se pueden clasificar de acuerdo a dos criterios. El primer criterio es el grado de direccionalidad del transmisor y del receptor, así podemos encontrar enlaces dirigidos y enlaces no dirigidos. Los enlaces dirigidos emplean transmisores y receptores altamente direccionales, los cuales deben apuntar uno al otro o hacia un área común (generalmente en el techo) para establecer el enlace. Los enlaces no dirigidos en ellos se emplean transmisores y receptores de gran ángulo, disminuyendo así la necesidad de tal apuntamiento. En los enlaces directos se maximiza la eficiencia de potencia, ya que esta se dirige en un rango muy pequeño de direcciones, y por lo mismo se minimizan las pérdidas de propagación y la recepción de ruido causado por la luz ambiental. Al ser mínima la necesidad de apuntamiento, en un enlace no dirigido se facilita su reconfiguración. El segundo criterio de clasificación está relacionado con la existencia o no de una línea de vista entre el transmisor y el receptor. En los enlaces de línea de vista, la luz emitida por el transmisor llega directamente al receptor. En los enlaces sin línea de vista, la luz que sale del transmisor llega al receptor generalmente después de haberse reflejado difusamente en una o varias superficies. En un enlace de línea de vista, se utiliza con mayor eficiencia la potencia de las señales y se minimiza la distorsión por multitrayectorias. Y con un enlace sin línea de vista, se obtiene una mayor facilidad de uso, mayor movilidad, y robustez, o sea que el sistema

sigue operando aun cuando existan obstrucciones causadas por personas u objetos que se interpongan entre el transmisor y el receptor. Dispositivos Receptores de infrarrojos Los receptores de infrarrojos codificados integran en un chip el elemento sensible al infrarrojo, una lente, un filtro de espectro y toda la lógica necesaria para distinguir señales moduladas a una determinada frecuencia. Ejemplo: Receptor de infrarrojos IRM8601S

El receptor está disponible en una cápsula similar a los transistores TIP y, como los transistores, también tiene tres patas. Existe también una cápsula con cobertura metálica. La conexión es muy simple: una de las patas es la alimentación de 5V, la otra la señal de salida y la tercera es el común o tierra.

Diagrama lógico del IRM8601S

Circuito de aplicación del IRM8601S

Hoja de datos lista las siguientes características: 

Inmunidad contra interferencias electromagnéticas.

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Disponible en cápsula metálica.

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Lente elíptico que mejora la recepción

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Bajo voltaje y bajo consumo

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Alta inmunidad a la luz ambiente

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Fotodiodo con circuito integrado

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Compatible con TTL y CMOS

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Recepción a larga distancia

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Elevada sensibilidad

Otros receptores de tipo similar:  Vishay TSOP 1738 

Vishay TSOP 1838

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Vishay TSOP 11.. series

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Siemens SFH 506 (discontinuado)

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Siemens SFH 5110 (sucesor del SFH 506)

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Radio Shack 276-0137

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Everlight IRM 8100-3-M (Radio Shack part no. 276-0137B)

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Mitsumi IR Preamp KEY-COOSV (0924G)

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TOSHIBA TK19 444 TFMS 5360

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TEMIC TFMS 5380 Por Telefunken Semiconductors

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Sharp IS1U60 (Disponible como RS)

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Sony SBX 1620-12

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Sharp GP1U271R

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Kodenshi PIC-12043S

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Daewoo DHR-38 C 28

Emisores de infrarrojo La otra parte del sistema, la emisión, se puede solucionar con un control remoto universal. Los receptores como el que describimos están ajustados para estos emisores de infrarrojos para electrodomésticos. Si de todos modos se desea implementar un circuito, se puede utilizar, por ejemplo, el integrado codificador HT12E, que codifica 12 entradas (8 de dirección y 4 de datos, o comandos) en una señal en serie (para decodificarlas se utilizaría su hermanito, el HT12D).

Módulos de transceptor para enlace infrarrojo Bien, también existe esta opción: se puede contar con unos módulos ya armados que permiten una comunicación bidireccional por infrarrojos. Son unas pequeñas plaquetitas, cosa que se observa en la imagen.

Modos de transmisión A la hora de transmitir, las estaciones infrarrojas pueden usar tres tipos de métodos para ello: punto a punto, casi-difuso y difuso.

Sistemas IR punto a punto. En un enlace punto a punto, el transmisor concentra su potencia en una pequeña región del espacio, por lo cual, para una potencia dada, este sistema es el que mayor distancia puede alcanzar. De una manera parecida, el receptor capta luz infrarroja solo de una pequeña región del espacio, produciéndose así un mínimo de distorsión por multitrayectorias y de ruido causado por las fuentes de luz ambiental. La combinación de estas características da como resultado altas razones de transmisión y grandes alcances. Además de esto, los sistemas punto a punto son relativamente baratos y simples. Un buen ejemplo de sistemas infrarrojos punto a punto son los enlaces intersatelitales, en donde las condiciones ambientales (vacío) permiten que con relativamente pequeña potencia se tengan alcances y razones de transmisión muy grandes (cientos o miles de km y varios Gbps). Aunado a esto, el reducido espacio y poco peso de un sistema IR, cuestiones importantes en los satélites, le dan una gran ventaja respecto a los sistemas de RF en este tipo de aplicaciones.

Sistema IR casi -difuso En el modo casi-difuso, el tipo de emisión es radial; esto es, la emisión se produce en todas direcciones, al contrario que en el modo punto a punto. Para conseguir esto, lo que se hace es transmitir hacia distintas superficies reflectantes, las cuales redirigirán el haz de luz hacia la/s estación/es receptora/s. De esta forma, se rompe la limitación impuesta en el modo punto a punto de la direccionalidad del enlace. En función de cómo sea esta superficie reflectante, podemos distinguir dos tipos de reflexión: pasiva y activa. En la reflexión pasiva, la superficie reflectante simplemente refleja la señal, debido a las cualidades reflexivas del material. En la reflexión activa, por el contrario, el medio reflectante no sólo refleja la señal, sino que además la amplifica. En este caso, el medio reflectante se conoce como satélite. Destacar que, mientras la reflexión pasiva es más flexible y barata, requiere de una mayor potencia de emisión por parte de las estaciones, debido al hecho de no contar con etapa repetidora. Sistemas IR difusos. Como se analizó anteriormente, entre todos los tipos de sistemas IR, los sistemas IR difusos son los más fáciles de utilizar y también los más robustos, no se requiere apuntar tanto al transmisor como al receptor, ni se requiere que haya línea de vista entre estos. Sin embargo, los sistemas IR difusos tienen más altas perdidas de propagación que sus contrapartes de línea de vista, requiriendo altas potencias de transmisión y un receptor que tenga una gran área de colección de luz. Transmisores difusos típicos emplean varios

LEDs, los cuales son orientados en diferentes direcciones, para proveer una diversidad de trayectorias de propagación. Cuando transmiten, típicamente emiten una potencia óptica promedio en el intervalo de 100 a 500 mW, esto causa un consumo de potencia eléctrica más alto que el de un transmisor típico IrDA. Los receptores difusos típicos emplean como detectores diodos pin de silicio encapsulado en lentes hemisféricos, los cuales concentran la luz y tienen un amplio campo visual.