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Resumen Este trabajo muestra el anlisis de tres sistemas
de control para diodos lser que cuentan con compensacin
trmica. El control consiste en la compensacin de la disminucin
de corriente suministrada al diodo, debido a las variaciones
producidas por cambios de temperatura ambiental y temperatura
de operacin, para que pueda trabajar dentro de un intervalo de
temperaturas determinado. Se hace notar la limitacin que
presentan diodos lser que incluyen un fotodiodo para controlar
la potencia ptica de emisin y la importancia de utilizar
dispositivos que se encuentran unidos fsicamente con el diodo
lser para captacin de energa trmica, que cambie sus
caractersticas elctricas y permita mantener la salida constante
a diferentes temperaturas. Se indica la aplicacin y el
funcionamiento de cada uno de los sistemas.
Palabras Clave compensacin trmica, controlador lser,
diodo lser.
I. INTRODUCCIN
A utilizacin de los lseres semiconductores ha venido en
aumento en los ltimos aos, esto debido principalmente a
que son de tamao reducido, tienen un alto rendimiento
comparado con otros tipos de lseres (ms del 30% de la
energa que consume es transformada en energa ptica),
tienen un tiempo de vida promedio de 15 000 horas, tienen
bajo costo y son alimentados con tensiones y corrientes
relativamente bajas [1]. Los diodos lser (LD) tienen un
amplio campo de aplicacin. Entre las reas principales en que
son requeridos se encuentran las telecomunicaciones,
aplicaciones mdicas, radiacin de sistemas biolgicos, en la
industria militar y de manufactura, entre otras [2].
Estas aplicaciones requieren que el LD funcione
adecuadamente, principalmente se necesita que la potencia
ptica de salida sea constante, pero existen factores como la
temperatura y el envejecimiento del dispositivo que provocan
efectos no deseados en los resultados de su utilizacin.
En la actualidad los LD pueden incluir dentro del mismo
empaque un fotodiodo (PD) que es utilizado para el control
mediante retroalimentacin de la potencia ptica emitida, sin
1 E. Neria Xicotencatl pertenece a la Seccin de Estudios de Posgrado e
Investigacin de la ESIME Zacatenco, Instituto Politcnico Nacional, Ciudad
de Mxico, Mxico. (e-mail: [email protected] 2 A. Michtchenko forma parte del personal de investigacin del Instituto
Politcnico Nacional en la Seccin de Estudios de Posgrado e Investigacin
de la ESIME Zacatenco, Ciudad de Mxico, Mxico, desde 1998 hasta la
fecha. (e-mail: [email protected]) 3 J. B. Pascual Francisco es estudiante de maestra de las seccin de
estudios de posgrado de la ESIME-Zacatenco del Instituto Politcnico
Nacional (e-mail: [email protected])
embargo, no todos los fabricantes agregan este PD. Adems,
los PD tienen uso limitado en aplicaciones que requieren
dispositivos con alta resistencia a la radiacin
electromagntica debido a que pueden alterar su
funcionamiento.
En ste caso, se pueden utilizar circuitos de control de
temperatura que utilizan elementos termoelctricos que son
colocados cerca del LD para que mediante conduccin trmica
reciban los cambios de temperatura y as cambiar sus
propiedades elctricas de resistencia, tensin y corriente[3].
II. CIRCUITO CONTROLADOR PARA COMUNICACIONES
Los diodos lser (LD) son utilizados en el rea de
telecomunicaciones para sistemas de trasmisin de
informacin de banda ancha mediante fibra ptica a grandes
distancias, ya que proporcionan mayor rapidez y ms potencia
que los LED [3]. La mayora de estos equipos son colocados
en lugares con condiciones ambientales hostiles, donde existen
factores, como la temperatura de trabajo, que pueden reducir
su rendimiento y alterar las caractersticas de operacin del
dispositivo si no son controlados adecuadamente. En
ocasiones es necesaria su operacin en temperaturas de varios
grados centgrados bajo cero, como puede ser el caso de
lugares con clima glido o en caso contrario, en los lugares de
clima caluroso donde las temperaturas pueden superar
fcilmente los cincuenta grados centgrados.
La curva caracterstica del LD es la misma que la de los
diodos convencionales con unin p-n, aunque en ocasiones
presenta algunas variaciones. Fig. 1.
Fig. 1. Curva caracterstica del LD.
E. Neria1, A. Michtchenko
2, J. B. Pascual
3
Anlisis de circuitos de control para diodos
lser.
L
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De manera general, los LD presentan una variacin de la
corriente de operacin con respecto a la temperatura del
dispositivo como la que se muestra en la fig. 1 [3].
Fig. 2. Corriente de operacin y potencia ptica del diodo lser a diferentes
temperaturas.
Como se observa en la fig. 2 para mantener la potencia
ptica de salida constante, a pesar del cambio de temperatura,
es necesario aumentar la corriente de operacin del LD.
ste efecto est relacionado con la ecuacin (1), donde Ith es
la corriente de umbral del LD y que es tpica de cada diodo.
Ith0 es la corriente de umbral para una temperatura de
referencia, Tj es la variacin de temperatura de la unin p-n
del LD y T0 es la temperatura caracterstica de operacin del
LD.
0
exp0 T
jT
thI
thI (1)
En la fig. 3 se muestra el circuito controlador que tiene
principal aplicacin en telecomunicaciones. Presenta
compensacin de corriente debido a los cambios de
temperatura y genera pulsos de alta frecuencia y estabilidad.
Fig. 3. Circuito con compensacin de temperatura utilizado en
telecomunicaciones [5].
El circuito de la fig. 3 incluye un generador de tensin de
referencia (V1) y un generador de tensin de control (V2),
dirigidos a la entrada no inversora e inversora del amplificador
operacional (A) respectivamente. Debido a la relacin entre el
diodo D y el termistor Rth, la tensin V2 tiene un coeficiente
de temperatura negativo de aproximadamente -2 mV/C. El
amplificador operacional produce una seal de salida
amplificada (Vo) producto de la diferencia entre la tensin de
referencia y la de control, generando una corriente de control.
La seal de salida del amplificador (Vo) es utilizada como
base de un transistor de unin bipolar, llamado de ahora en
adelante BJT, (T3). En la parte superior del circuito se muestra
el ctodo del LD conectado a la alimentacin de corriente
directa (VCC) y el nodo del mismo dirigido al colector del
BJT (T2). A las bases de los dos transistores BJT (T1 y T2) se
aplica una seal pulsada diferencial. Estos transistores tienen
una configuracin de amplificador diferencial para polarizar al
LD, y estn conectados en emisor comn con el colector del
transistor T3. Cuando el T2 permanece activado el T1 se
encuentra desactivado y viceversa dependiendo la polaridad de
la seal de entrada en la base de cada uno.
La tensin de salida del transistor T3 (VE) puede ser
expresada mediante la ecuacin (2), debido a que depende de
la diferencia de tensiones (V1 y V2) que son aplicadas al
amplificador operacional A.
)21(4
1 VVRth
RVVE (2)
La ecuacin (3) define el valor de la corriente Iop cuando el
LD se polariza, ya que est en funcin de de VE y el resistor
R5.
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3
5
)21(4
1
5 R
VVRth
RV
R
VEIop
(3)
Tambin es posible definir el valor del termistor Rth a
diferentes temperaturas (4).
1
11exp0
TTBRRth (4)
Donde R0 es la resistencia del termistor a una temperatura
de referencia T1 y B es una constante inherente al termistor. Si
se sustituye (4) en (3) es posible observar que Iop cambia
exponencialmente cuando Rth recibe un cambio de
temperatura [5].
III. CIRCUITO CONTROLADOR RESISTENTE A LA RADIACIN
El circuito que se analizara a continuacin tiene aplicacin
militar para la fijacin de objetivos de misiles dirigidos de
largo alcance. Por el lugar donde se utilizan, estos equipos
estn expuestos a radiaciones tales como son los rayos UV,
rayos gamma y la luz visible. Los fotodiodos presentan alta
sensibilidad a diversos tipos de radiacin que alteran su
funcionamiento adecuado. En ste caso, no es recomendable
la utilizacin del fotodiodo de control para regular la potencia
ptica de salida de los LD. La temperatura del lugar donde se
utiliza los dispositivos tambin tiene relevancia en esta
aplicacin, y es conocido el comportamiento de la corriente de
operacin del LD con respecto a la variacin de temperatura.
Fig. 2.
En la fig. 4 se muestra la polarizacin del LD con un
transistor BJT (T4) que tiene en la base una cadena de diodos
(D1, D2,,DN). Los diodos se encuentran colocados cerca
del LD para recibir la temperatura del mismo y cambiar la
corriente de la base del transistor.
Fig. 4. Polarizacin del LD utilizando una cadena de diodos.
La configuracin de la fig. 4 es bastante utilizada para
compensar las variaciones de temperatura de operacin de los
BJT y es denominada compensacin por diodo. En ese caso se
utiliza un diodo que tenga caractersticas de temperatura
similares a las del transistor. Como las respuestas a la
temperatura del diodo y la de la unin base-emisor del
transistor son casi iguales, se reducen los efectos de la
variacin de la tensin entre la base y el emisor [4].
Al agregar ms diodos, se aumenta la capacidad de
controlar tanto los cambios de temperatura en el transistor T1
como los del LD.
Fig. 5. Dependencia de la corriente de umbral del LD con respecto a la
temperatura con la cadena de diodos.
Cuando la temperatura aumenta, la tensin de alimentacin
(VCC) se distribuye de diferente manera en la resistencia RA y
los diodos. Cuanto mayor sea la temperatura, mayor es la
resistencia de los diodos, por lo tanto, se agrega ms corriente
al LD. ste cambio cualitativo en la cantidad de corriente en el
colector del transistor T4, que tiene que ver con el aumento de
la corriente del LD, est en funcin de la temperatura y
coincide con los puntos graficados en la fig. 5. La pendiente de
la recta se determina por el nmero de diodos en cadena
incluidos en el circuito. Al seleccionar el nmero adecuado de
diodos, la corriente y la potencia ptica del LD pueden
depender de la temperatura como se muestra en la fig. 6.
Fig. 6. Dependencia de la corriente consumida por el LD con respecto a la
temperatura ambiente con una potencia de salida fija.
Se observa en la fig. 6 que la potencia permanece casi
constante en el intervalo de temperaturas que va de -20C a
+60C, lo que indica la estabilidad del sistema [7].
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IV. CIRCUITO CONTROLADOR DE LA RESPUESTA A LA
FRECUENCIA.
Los LD muestran un retardo de tiempo desde la inyeccin
de energa elctrica en la regin activa del mismo, para la
emisin de la luz coherente, que corresponde a la frecuencia
de resonancia del diodo lser. En consecuencia, cuando el LD
se acciona con una seal de alta frecuencia, la interferencia
puede ocurrir entre los datos debido a la resonancia de la seal
aplicada en el mismo y el retardo de tiempo del LD. El
controlador mostrado en la fig. 7 es utilizado para compensar
la respuesta de frecuencia con un circuito conectado en
paralelo con el LD para absorber las seales de alta frecuencia
producidas por la corriente que consume.
Fig. 7. Circuito controlador de la respuesta a la frecuencia [6].
El circuito est diseado para su instalacin dentro de un
transmisor ptico que tiene aplicacin en telecomunicaciones
con el objetivo de reducir la degradacin de la calidad en la
seal ptica de salida. El filtro est formado por un conjunto
de elementos conectados en serie: un capacitor (C1) que
tpicamente tiene un valor de 1000 pF, el resistor del filtro (Rf)
y un diodo de capacitancia variable dependiente de la tensin,
tambin denominado varicap (Df), cuya dependencia de la
tensin aplicada cuando se polariza inversamente se muestra
en la fig. 8.
Fig. 8. Relacin entre la capacitancia y la tensin de polarizacin inversa del
diodo varicap (Df).
El controlador (CT) es el encargado de ajustar la frecuencia
caracterstica de del filtro encerrado con la lnea punteada,
mediante la variacin de la tensin suministrada al diodo Df.
Por ejemplo, si la salida del controlador CT es de -0.8V y la
tensin del LD es de 1.5V, la tensin de polarizacin inversa
del diodo Df ser cercana a 0.7V con una capacitancia
aproximada de 17 pF, fig. 8. El generador de la seal de
referencia (SG) genera pulsos de corriente de alta frecuencia
que pueden ser de fase normal u opuesta a la frecuencia del
diodo lser, segn se requiera.
El sensor TS, es un termistor que monitorea la temperatura
del LD y enva la seal al controlador CT para variar la
tensin de polarizacin inversa del diodo Df, y as las
caractersticas del filtro sean dependientes de la temperatura
del LD. Como se puede observar de la fig. 8 y fig. 9, el diodo
tendra una capacitancia aproximada de 15 pF a -10C y 18
pF a 65C, lo que permite la estabilidad del LD en un amplio
intervalo de temperaturas [6].
Fig. 9. Dependencia de la temperatura de la tensin de polarizacin inversa
en el diodo varicap (Df).
V. CONCLUSIONES
La mayora de los dispositivos diseados para controlar el
funcionamiento de los diodos lser mediante compensacin
trmica toman en cuenta una potencia baja de operacin, de
entre 2mW y 10mW, en consideracin con los diodos lser
que se fabrican en la actualidad, los cuales, en algunos casos,
superan los 200mw de potencia ptica. Estos dispositivos
presentan un mayor calentamiento durante su operacin y
resulta ms difcil mantenerlos estables, ya que al variar la
corriente suministrada, habr un incremento de temperatura
muy por encima de la mxima permitida, que puede resultar en
la reduccin del tiempo de vida o el dao permanente del
diodo. Es necesario tomar en cuenta para los prximos diseos
de controladores de ste tipo que tambin los elementos que
forman el circuito se ven expuestos a condiciones no
favorables para su correcta operacin, as que el anlisis de la
estabilidad de todos los elementos presentes conducir a la
optimizacin del dispositivo.
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VI. REFERENCIAS
[1] E. Kannatey-Asibu, Principles of laser materials processing, John Wiley
& Sons, 2009, p. 174.
[2] J. Tur Terrasa, M. R. Martnez Jimnez, Tecnologa y practica del lser,
Marcombo, 1987, p. 231-238.
[3] H. Jardn Aguilar, Sistemas de comunicaciones por fibras pticas,
Alfaomega, 1995, p.65-68.
[4] C. J. Savant, Jr., Diseo electrnico: Circuitos y sistemas, 2da ed.,
Addison Wesley Iberoamericana, 1992, p. 17, 18, 235, 238.
[5] H. Oono y M. Yokomizo "Laser-diode driving circuit with temperature
compensation", U.S. Patent 5 761 230, Junio 2, 1988.
[6] N. Nishiyama, "Laser driver circuit able to compensate a temperature
dependence of the laser diode", U.S. Patent 7 711 021 B2, Mayo 4,
2010.
[7] V. K. Kiselev1, G. N. Sem'in, A. N. Trufanov, S. V. Obolensky, " The radiation-hard circuit for the laser diode feed providing stability to the
ambient temperature change," in Proc. NATO 2002, Semiconductors
2nd Workshop.
VII. BIOGRAFAS
Emmanuel Neria Xicotencatl. Naci en la Ciudad
de Mxico, Mxico. Se gradu de la ESIME
Zacatenco del Instituto Politcnico Nacional,
obteniendo el grado de Ingeniero en Control y
Automatizacin. Su trabajo de titulacin estuvo
dirigido a la aplicacin de la tecnologa lser para la
deteccin de movimientos telricos y de estructuras.
Ha participado en el Programa Institucional de
Formacin de Investigadores del IPN durante ms de
un ao colaborando con la elaboracin de
controladores de diodos lser para diferentes aplicaciones. Actualmente est
inscrito en el programa de la Maestra en Ciencias en Ingeniera Mecnica de
la SEPI-ESIME Zacatenco del Instituto Politcnico Nacional.
Alexandre Michtchenko. Obtuvo el grado de
Maestro en Ciencias en el Moscow Institute of
Physics and Technology/MFTI/ y el grado de PhD
en el N. N. Semenovs Institute of Chemical
Physics en la Academy of Science and Moscow
Institute of Physics and Technology de Rusia en
1980. Form parte como investigador del N.N.
Semenovs Institute of Chemical Physics de 1981 a
1998, en Mosc, Rusia. Fue profesor invitado del
Instituto de Qumica de la Universidad Nacional
Autnoma de Mxico de 1992 a 1998. Forma parte del personal de
investigacin del Instituto Politcnico Nacional en Mxico desde 1998 hasta
ahora. Su rea de investigacin es en el campo de los lseres y sus
aplicaciones en la tecnologa. Incluido en el libro "Quin es quin en el
mundo" (Whos who in the world) en 2010, 2011.
Juan Benito Pascual Francisco. Originario del
Estado de Chiapas. Se gradu en la carrera de
Ingeniera Mecnica Agrcola en la Universidad
Autnoma Chapingo en el ao 2011. Se titul con
el tema de diseo y construccin de un biodigestor
en la granja experimental de Chapingo. Obtuvo el
segundo lugar en la convocatoria: identidad y
cultura popular e indgena 18 de julio, 2004/2005.
Categora memoria histrica, Chapingo estado de
Mxico, Trabajo que fue publicado ese mismo ao.
Durante sus estudios universitarios fue miembro de la Rondalla irrigacin de
la Universidad Autnoma Chapingo. Es estudiante de maestra en la seccin
de posgrados de la ESIME-Zacatenco del Instituto Politcnico Nacional.