domingo, 10 de abril de 2011

Tecnología CWDM

El ancho de banda de una conexión de fibra óptica, se puede incrementar transmitiendo datos más rápidamente o transmitiendo diversas longitudes de onda en una única fibra, tecnología conocida como WDM. El WDM se consigue usando un multiplexor para combinar longitudes de onda viajando por diferentes fibras hacia una sola fibra. Al final del enlace un demultiplexor separa las longitudes de onda y las dirige hacia diferentes fibras que finalizan en cada uno de los receptores. El espacio entre las longitudes de onda individuales transmitidas a través de la misma fibra, sirven de base para diferenciar DWDM del CWDM. Los sistemas DWDM usan típicamente separaciones de longitudes de onda de 200 GHz (1,6nm), 100 GHz (0,8nm) o 50 GHz (0,4nm). Las longitudes de onda operativas en sistemas DWDM están definidas según un grid de frecuencias estandarizado, desarrollado por la Unión Internacional de Telecomunicación. Los láser DBF se usan como fuentes en sistemas DWDM. La longitud de onda deriva aproximadamente 0,08nm/ºC con temperatura. Los láser DBF se enfrían para estabilizar la longitud de onda y evitar que varíe fuera de la banda de los filtros multiplexor y demultiplexor cuando la temperatura fluctúa en los sistemas DWDM. Los sistemas CWDM usan láser DBF sin cooler ni termistor. Son específicos para operar desde 0 hasta 70ºC con la longitud de onda del láser variando aproximadamente 6 nm sobre este rango. Esta longitud de onda varía acompañada de la variación de longitud de onda del láser hasta +/-3nm debido a los procesos de fabricación de éste, lo que produce una variación total de aproximadamente 12nm. El espaciado entre canales tiene que ser suficientemente ancho para acomodar la variación de ancho de portadora de los láser no refrigerados de los sistemas CWDM. El espaciado entre portadoras de estos sistemas es típicamente de 20 nm. El sistema CWDM ofrece algunas ventajas clave sobre los sistemas DWDM para aplicaciones que requieren hasta 18 o menos canales. Estos beneficios incluyen costes de hardware y costes operaciones y requerimientos de energía.

HARDWARE MÁS BARATO


La diferencia de coste entre los sistemas CWDM y los DWDM pueden ser atribuidos al hardware y a los costes operativos. A pesar de la superioridad en cuanto a coste de los láser DWDM con respeto a los CWDM, los láser DFB refrigerados proporcionan soluciones de coste efectivo para transportes de largo recorrido y grandes anillos metropolitanos que requieran gran capacidad. En ambas aplicaciones el coste de los sistemas DWDM queda amortizado por el gran número de clientes que se sirven de este sistema. Las redes de metro/acceso, por otro lado requieren sistemas de bajo coste y baja capacidad, para reunir las condiciones del mercado que están basadas en gran parte, en el nivel de predisposición del cliente a desembolsar recursos económicos por los servicios de banda ancha. El precio de los transceiver DWDM es superior que los de sus homólogos. Los altos costes del transceiver DWDM son atribuibles al gran numero de factores relacionados con los láser. Las tolerancias de longitud de onda típicas están en el orden de los +/-0,1nm; mientras que la tolerancia de fabricación de la longitud de onda de los láser CWDM está situada entre los +/-2-3nm, generando un aumento de los costes de los láser DWDM con respecto a los CWDM. Además el encapsulado de los láser DWDM, para la estabilización de la temperatura con un cooler y un termistor, es más costoso que un láser coaxial CWDM no refrigerado. La diferencia de coste entre los MUX/DMUX DWDM y CWDM, basado en una tecnología thin film también contribuyen a disminuir los costes generales en favor del CWDM. Los filtros de los CWDM son intrínsecamente más económicos en su construcción, debido al menor número de capas en el diseño del filtro. Típicamente son 150 capas para el diseño de un filtro de 100 GHz para ser usado en sistemas DWDM, mientras que en un filtro CWDM de 20nm hay aproximadamente 20 capas. El resultado es una fabricación más alta de filtros CWDM.

BAJO REQUERIMIENTO DE ENERGÍA

Los costes operativos de los sistemas de transporte óptico dependen del mantenimiento y de la energía. Mientras que los costes de mantenimiento son comparables para ambos sistemas CWDM y DWDM, los requerimientos de energía para el DWDM son significativamente más altos.

Por ejemplo, los láser DWDM estabilizan la temperatura a través de coolers integrados en los módulos de su encapsulado. Estos dispositivos junto con el PIN monitor asociado y el circuito de control consumen aproximadamente 4 W de energía por longitud de onda. Mientras que un transmisor láser CWDM no refrigerado consume aproximadamente 0,5 W. Los transmisores en un octavo canal del sistema CWDM consumen aproximadamente 4 W de potencia, mientras que la misma funcionalidad en un sistema DWDM puede llegar a consumir hasta 30 W. Como el número de longitudes de onda en los sistemas DWDM aumentan con la velocidad de transmisión, la energía y la administración térmica asociada con ellos se convierte en un tema crítico para los diseñadores. La baja energía requerida como resultado del uso de láser no refrigerados en los sistemas CWDM, tiene implicaciones financieras positivas para los operadores de sistema. Por ejemplo, el coste de la batería de backup es una consideración importante en la operación del transporte de equipos. Minimizando la energía necesaria para la explotación y los costes asociados con su backup incluido se reducen los costes operacionales.

ESTÁNDAR ITU G.694.2

Este estándar define un espectro óptico de 18 longitudes de onda entre 1.290nm y 1.610nm, aunque la mayoría de los sistemas CWDM están basados en un espaciado de 20nm de canal desde 1.470 hasta los 1.610nm, con un desarrollo en la ventana de 1.300 nm para 10 Gigabit Ethernet. Las longitudes de onda en la región de los 1.400 nm sufren una pérdida óptica mayor, debido al pico de absorción del agua residual que presenta la mayoría de fibra óptica fabricada hoy en día. Mientras esta pérdida adicional puede limitar la ejecución de conexiones más largas, no es un obstáculo para la utilización de CWDM en aplicaciones de redes de área metropolitana o redes de acceso. Una nueva fibra que elimina el pico de atenuación por agua, es ofrecida por lo menos por dos de los principales vendedores de fibra, para uso en conexiones metropolitanas a bajo presupuesto que permiten una atenuación menor en la fibra óptica



Wilmer J Sánchez V-19358601

CAF - Parcial 3

Link http://www.w-onesys.com/esp/aplicaciones.php?id=7

MICROSCOPÍA LÁSER CONFOCAL

1.- INTRODUCCIÓN

La microscopía láser confocal es una nueva técnica de observación microscópica que está logrando excelentes resultados en diversas ramas de la ciencia (medicina, biología, materiales, geología, etc.) Su éxito se debe a las indudables ventajas que ofrece frente a la microscopía óptica tradicional (imágenes de mayor nitidez y contraste, mayor resolución vertical y horizontal, etc.) y, sobre todo, a la posibilidad de obtener "secciones ópticas" de la muestra, lo que permite su estudio tridimensional.

Aunque el principio de la microscopía confocal fue patentado hace varios años (Minsk, 1957) y los primeros microscopios basados en esta técnica que demostraron su validez fueron descritos por Petran et al. en 1968, su gran aceptación y espectacular desarrollo no ha tenido lugar hasta hace unos pocos años con el desarrollo del láser y de los ordenadores personales.

La mayor parte de las muestras observadas con microscopía óptica son traslúcidas o, en el caso de ser opacas, su superficie de reflexión no se encuentra perfectamente pulida. En ambos casos la luz interacciona con la muestra a varias profundidades por lo que la imagen que llega al observador presenta áreas borrosas debidas a la luz procedente de zonas fuera del plano de enfoque, lo que produce una degradación en el contraste y resolución de la imagen (figura 1 A).


El principio de la microscopía confocal se basa en eliminar la luz reflejada o fluorescente procedente de los planos fuera de foco (figura 1 B). Para ello se ilumina una pequeña zona de la muestra y se toma el haz luminoso que proviene del plano focal, eliminándose los haces procedentes de los planos inferiores y superiores (Boyde, 1988).



2.- BASES INSTRUMENTALES

Parte de la luz procedente de la fuente de iluminación atraviesa un primer diafragma, es reflejada mediante un espejo dicroico y se enfoca en un punto del espécimen mediante la lente de un objetivo. La señal emitida por el punto iluminado (fluorescencia o luz reflejada) vuelve por el mismo camino óptico, pasa a través del espejo dicroico y es enfocada en un detector, un segundo diafragma o pinhole es colocado delante del detector para eliminar las señales procedentes de la zona fuera de foco (Figura 2).

El principio del funcionamiento del Microscopio Confocal se basa en la existencia de dos diafragmas (pinhole), uno entre la fuente de luz y el objetivo y el otro entre el objetivo y el detector. Ambos pinhole deben de estar perfectamente alineados de forma que el segundo de ellos únicamente deje llegar al detector la luz procedente del plano focal. La utilización de un láser como fuente de luz permite focalizar la iluminación en una región muy pequeña de la muestra y con una gran intensidad.

Dado que sólo se ilumina una pequeña zona de la muestra (punto), para poder visualizarla se necesita un sistema de barrido que permita muestrear todos los puntos y un sistema de formación de la imagen donde se recoja la información de cada uno de estos puntos. El sistema de barrido puede ser de dos tipos: que el haz del láser se desplace por la muestra (beam scanning) o que sea ésta la que se desplace, mientras el haz permanece inmóvil (stage scanning) (Wright, et al, 1993). El primer tipo es el más comúnmente empleado, tiene la ventaja de una mayor velocidad de barrido y por tanto de formación de la imagen, además el espécimen no necesita ser movido durante el muestreo por lo que no necesita ser fijado, lo que lo hace especialmente interesante para el estudio de células en vivo. El campo de barrido coincide con el campo de observación del objetivo permitiendo que la zona de estudio pueda ser localizada utilizando microscopía de fluorescencia convencional

La técnica de desplazamiento de la muestra (stage scanning) presenta comoprincipal ventaja el permitir la observación de una zona tan grande como se desee sin tener que ceñirse al campo visual del objetivo, además debido a que el haz permanece estacionario se tiene una iluminación axial constante.

La luz reflejada o fluorescencia emitida por la muestra es recogida en un fotomultiplicador donde se transforma en una señal de vídeo que se digitaliza y almacena en un ordenador, visualizándose a través de un monitor. La mayoría de los sistemas cuentan con varios fotomultiplicadores y un sistema óptico que permite recoger en cada uno de ellos diferentes longitudes de onda.

Este tipo de microscopio confocal en el que el haz del láser barre la muestra es denominado Confocal Láser Scanning Microscopy (CLSM). Debido a que el láser necesitaun tiempo para barrer la imagen, ésta no pueda ser visualizada de manera instantánea en el monitor.

El método de trabajo del microscopio confocal es por epiluminación, es decir con muestras que al incidir la luz sobre ellas reflejan toda o parte de la luz incidente (microscopía de reflexión), o emiten luz en una longitud de onda superior (microscopía de fluorescencia). El primer caso se suele utilizar con muestras opacas, principalmente en estudios de materiales, mientras que la fluorescencia se utiliza principalmente con muestras biológicas

3.- LA FLUORESCENCIA

Se denomina fluorescencia a la propiedad que tienen ciertas moléculas de, al absorber luz de una determinada longitud de onda, emitir luz en una longitud de onda superior. La fluorescencia puede darse de forma natural en determinadas sustancias (clorofila, algunos tejidos frescos, etc.), denominándose fluorescencia primaria o autofluorescencia. En otros casos para que la muestra que queremos observar tenga fluorescencia es preciso teñirla con un marcador fluorescente, denominado fluorocromo. En este caso hablaríamos de fluorescencia secundaria.



Existen una gran cantidad de fluorocromos que permiten marcar de forma selectiva la mayoría de los componentes celulares y tisulares, además podemos asociarlos a proteínas o anticuerpos para estudiar funciones celulares.Todos los fluorocromos vienen caracterizados por su espectro de excitación y su espectro de emisión (figura 3). El espectro de excitación es el rango de longitudes de onda en las que un fluorocromo absorbe luz, o lo que es el mismo es excitado. El espectro de emisión es el rango de longitudes de onda en las que un fluorocromo emite luz. Ambos espectros presentan dos picos que se corresponden con la máxima absorción y la máxima emisión

4.- FUNCIONAMIENTO DEL EQUIPO

En la Figura 4 se muestra el esquema de un microscopio láser confocal Leica TCS SP2 AOBS (Leica Microsistemas). Su funcionamiento es como sigue: De las distintas líneas de láser que tiene el equipo el selector de excitación AOTF nos permite seleccionar la que deseamos utilizar, el haz de láser atraviesa un filtro óptico acústico AOBS y atravesando el objetivo, ilumina un punto de la muestra. Un conjunto de espejos galvanométricos permite desplazar el láser por toda la zona de muestra. La señal luminosa emitida vuelve por el mismo camino óptico, atraviesa el filtro AOBS siguiendo un camino distinto al del haz incidente y llega a un sistema de detección espectral donde es dividida en función de sus longitudes de onda. Un diafragma delante del detector espectral permite seleccionar la luz procedente del plano focal. Esta luz incide en un fotomultiplicador donde es transformada en una señal eléctrica que se digitaliza mediante un convertidor analógico digital y se almacena en un ordenador. La imagen del espécimen es visualizada en la pantalla del ordenador a medida que el láser barre toda la zona de muestra. Una platina con enfoque motorizado permite variar de forma automática la posición del plano focal.


A la hora de adquirir imágenes con el microscopio confocal deberemos de ajustar los

siguientes parámetros:

- Línea de excitación e intensidad del láser. Normalmente un microscopio confocal viene con varios láser que tienen una o varias líneas de emisión: Argon (458, 476, 488, 496 y 514nm), Helio-Neón (543nm), Helio-Neón (633nm), Diodo azul (405 nm), etc. Un filtro óptico acústico (AOTF) permite seleccionar la línea o líneas de emisión que mejor se ajusten al espectro de excitación de los fluorocromos que tenemos en la muestra. Este filtro permite también regular la intensidad del láser. A mayor intensidad del láser tendremos mayor emisión de fluorescencia, pero también se nos producirá un mayor photobleaching (disminución de la fluorescencia con el tiempo).


- Apertura del pinhole (diafragma) de detección. Para cada objetivo existe una apertura óptima del diafragma de detección conocida como Airy 1 en la que el espesor de la sección que se obtiene es el mínimo lo que garantiza la máxima resolución en el eje Z. Cuando la intensidad de la fluorescencia es baja es posible que necesitemos aumentar la apertura de este diafragma para recoger más señal. En este caso estaremos aumentando el espesor de la sección y perdiendo resolución en Z.


- Ganancia del fotomultiplicador. Ajusta la amplificación de la señal eléctrica generada a partir de los fotones emitidos por la muestra. Si la intensidad de luz emitida por la muestra es débil deberemos de aumentar la ganancia para poder obtener la imagen. Un aumento excesivo de la ganancia se traduce en una

pérdida de calidad de la imagen debido al ruido electrónico que se genera.


- Velocidad de barrido del láser. Se define como el número de líneas por segundo que barre el láser. A menor velocidad de barrido mejor relación señal/ruido y por tanto más calidad de imagen.


- Tamaño de la imagen. Define el número de píxeles que tendrá la imagen. Cuanto mayor sea el tamaño de la imagen para un campo determinado mejor será la resolución de la imagen

5.- VENTAJAS DE LA MICROSCOPÍA CONFOCAL.

Las principales ventajas de la microscopía confocal frente a la microscopía óptica tradicional son las siguientes:

- Mayor resolución. Para un objetivo de inmersión en aceite con una apertura numérica de 1.4 y una longitud de onda de 442 nm es posible alcanzar resoluciones de 0.14 μm en horizontal y 0.23 μm en vertical (Wilson, 1990)

- Mayor contraste. Debido a que se elimina la luz procedente de las zonas fuera de foco.

- Posibilidad de realizar secciones ópticas. Variando el plano de enfoque el sistema es capaz de tomar imágenes a diferente profundidad. Lo que permite obtener información tridimensional de la muestra.

- Análisis de imágenes. Al obtenerse la imagen de modo electrónico es posible digitalizarla y aplicar sobre ella toda una serie de técnicas de análisis de imágenes como: realce de imágenes, para mejorar su calidad, combinación de imágenes para comparar cambios en el tiempo, medida de intensidades, medidas morfométricas, etc.

- Reconstrucción 3D. A partir de las secciones ópticas es posible aplicar técnicas de reconstrucción 3D que nos permitan visualizar las estructuras.

- Imágenes multidimensionales. El microscopio confocal nos permite estudiar imágenes en 2 y 3 dimensiones a lo largo del tiempo. Es posible programar el equipo para obtener imágenes durante un periodo de tiempo determinado.

- Imágenes Lambda. Si el equipo cuenta con un detector espectral podremos tomar imágenes a diferentes longitudes de onda (lambda scan) y a partir de ellas deducir el espectro de emisión de un fluorocromo determinado. El sistema de barrido punto a punto (scan) utilizado en los microscopios confocales de tipo CLSM comporta una serie de ventajas adicionales como son:

- Posibilidad de obtener imágenes perpendiculares al plano XY tomando la misma línea a diferentes profundidades.

- Fijar el láser sobre un punto o una pequeña zona de la muestra y tomar imágenes a diferentes tiempos para observar los efectos del láser sobre esa zona.

- Aumentar la resolución mediante zoom del área a barrer tomando mayor número de puntos en áreas más pequeñas

La velocidad de formación de la imagen depende también del número de puntos que tomemos por imagen, así es mayor en imágenes de 512 x 512 píxeles que en imágenes de 1024 x 1024 píxeles. Se denomina pixel (del inglés picture element) a cada uno de los puntos que forman la imagen


6.- PRESTACIONES DEL SISTEMA
Para una pequeña apertura del diafragma o pinhole el sistema trabaja como un verdadero microscopio confocal, limitando la información de la imagen a la proveniente de un único plano focal y posibilitando la obtención de secciones ópticas. Para una apertura grande del pinhole las prestaciones del microscopio son similares a las de un microscopio convencional de fluorescencia.

En la práctica las grandes aperturas se utilizan cuando se tiene una señal débil de fluorescencia, sacrificándose en este caso la confocalidad por una mayor intensidad de la fluorescencia en la imagen.

La resolución de la imagen es otro de los factores, como se ha visto anteriormente, que afectan a las prestaciones del sistema. Una mayor resolución de la imagen implica una menor velocidad en la formación de la misma, por lo que en aquellos casos en que sea necesaria una rápida adquisición de la imagen (por ejemplo, visualización de procesos dinámicos que cambian rápidamente con el tiempo) será necesario tomar imágenes de menor resolución, pero con un tiempo de formación mucho más rápido.

La resolución de la imagen esta condicionada también por las capacidades de proceso y almacenamiento del sistema informático del microscopio. Una imagen de 1024 x 1024 píxeles ocupa 1 Mbytes de información, esto significa que una serie compuesta de 36 secciones, con esta resolución, ocupará 36 Mbytes de información, necesitándose alta capacidad de almacenamiento en disco y alta velocidad de proceso para poder trabajar con estas imágenes.

7.- PROCESO DE IMÁGENES Y MICROSCOPÍA CONFOCAL

El hecho de que la mayoría de los microscopios láser confocal utilicen un sistema informático para digitalizar las imágenes facilita la aplicación de técnicas de proceso y análisis de imágenes.

La visualización de muestras con fluorescencia débil puede ser mejorada mediante la acumulación de un determinado número de imágenes. Un fondo con ruido debido a una alta amplificación de la señal puede ser corregido mediante promedio de varias imágenes. Otras técnicas, como realce de contornos, filtros, etc., pueden ser aplicadas a las imágenes de microscopía confocal para realzarlas. En estudios de cinética celular los cambios experimentados en un determinado componente (Ca++, por ejemplo) pueden visualizarse mediante sustracción de imágenes tomadas a diferentes tiempos.

Técnicas de análisis de imágenes como clasificación, operaciones morfológicas y cuantificación de componentes, pueden ser utilizadas para la realización de mediciones morfométricas y densitométricas de determinados parámetros presentes en la imagen; por ejemplo, contenido en DNA de núcleos teñidos con un determinado fluorocromo (Rigaut et al., 1991).
 
8.- APLICACIONES DE LA MICROSCOPÍA CONFOCAL
 
La microscopía confocal es muy útil para el estudio de muchos problemas en biología, permitiendo un nuevo conocimiento de la estructura celular y sus procesos. Entre otras aplicaciones la microscopía confocal se utiliza en: estudios de estructura celular y citoesqueleto, medida de actividad intracelular (pH e iones), producción de reconstrucciones tridimensionales, etc.

Para trabajar con microscopía de fluorescencia, ya sea convencional o confocal, se ha de tener en cuenta que la longitud de onda de la fuente de iluminación (el láser en el caso del confocal) se corresponda con la longitud de onda de excitación del fluorocromo utilizado. La eficiencia es máxima cuando la longitud de onda del láser coincide con el pico del espectro de excitación del fluorocromo (figura 5).


Por lo tanto antes de decidirnos a utilizar un fluorocromo determinado debemos de estar seguros de que alguna de las líneas de láser de nuestro microscopio confocal coincide con su espectro de excitación. La intensidad de la señal fluorescente será mayor cuanto más próxima esté la línea del láser al pico de excitación del fluorocromo.

8.1.- Imágenes teñidas con un marcador fluorescente (single labeling).
 
Imágenes de una muestra con autofluorescencia o que están teñidas con un único marcador fluorescente, visualizadas con microscopía confocal presentan una considerable mejora en relación a la misma imagen visualizada con microscopía de fluorescencia convencional. Esta mejora es más evidente cuanto mayor es el espesor de la muestra a estudiar. En muestras con espesores inferiores a 10 micras apenas hay diferencia entre unaimagen de fluorescencia y una imagen confocal, mientras que en una muestra de más de  20 micras la calidad de la imagen confocal es muy superior a la de la imagen de fluorescencia.

En la figura 6 puede verse una imagen de unas fibras de pasta de celulosa observadas con microscopía de fluorescencia tradicional y con microscopía láser confocal. Las fibras se observan más claras en la imagen confocal debido a su mayor resolución y a que la fluorescencia de los planos fuera de foco ha sido eliminada.



8.2.- Imágenes teñidas con varios marcadores fluorescentes (multiple labeling).

Múltiples estructuras de una célula o tejido pueden ser observadas simultáneamente tiñendo la muestra con dos o más marcadores fluorescentes, donde cada fluorocromo marca una determinada estructura o sirve como indicador de determinados procesos celulares.



El microscopio confocal suele venir equipado con uno o varios láser que emiten en diferentes longitudes de onda pudiendo utilizarse varias de ellas como fuente de iluminación de la muestra. Si tenemos una muestra con dos o tres marcadores fluorescentes podremos recoger simultáneamente su señal en diferentes fotomultiplicadores.

La figura 7 muestra la configuración del microscopio Leica TCS SP2 AOBS para observar una muestra de bacterias ( Streptomices Antibioticus) marcadas con SYTO13 y Ioduro de Propidio. Se han escogido como fuentes de iluminación las líneas de láser de 488 nm y 543 nm. La señal del primer marcador se recogerá en el fotomultiplicador 1 (PMT1) que se ha programado para recoger un rango de señal entre 490 y 535 nm. El fotomultiplicador 2 (PMT2) recogerá la señal del segundo marcador en un rango entre 580 y 700 nm. Como puede observarse los rangos de detección de ambos fotomultiplicadores se han ajustado para que coincidan con los espectros de emisión de los fluorocromos.

El marcador SYTO13 (verde) tiñe la pared celular de las bacterias mientras están vivas. Cuando mueren este marcador es reemplazado por el Ioduro de Propidio y las bacterias aparecen en color rojo (figura 8) (Manteca et al, 2005).



8.3.- Realización de secciones transversales (x-z).

Con el microscopio óptico siempre observamos la muestra en el plano X-Y. Una característica interesante del microscopio confocal es la posibilidad de realizar secciones transversales de la muestra que nos permiten observar como es su estructura interna sin necesidad de realizar complejas preparaciones.
Para realizar secciones transversales de calidad necesitamos contar con una platina motorizada de alta precisión que nos permita realizar desplazamientos verticales en intervalos muy pequeños, del orden de 0,2 micras. Fijando el haz de barrido del láser en el punto en el que queremos realizar la sección y desplazando la muestra verticalmente iremos obteniendo un corte transversal de esa zona.

En la figura 9 se muestra un esquema de las diferentes secciones que podemos estudiar con el confocal (x,y ) ó (x-z) y un ejemplo de secciones longitudinales y transversales de una fibra de pasta de celulosa (Gónzalez-Río et al 1997).



8.4.- Información tridimensional de la muestra.

Como se ha mencionado anteriormente una de las mayores ventajas de la microscopía confocal es la posibilidad de estudiar tridimensionalmente la muestra a partir de secciones ópticas de la misma. Para ello se fija la posición de barrido del microscopio en un extremo de la estructura a medir y se van tomando imágenes, correspondientes a diferentes secciones de la misma, hasta llegar al otro extremo. En la figura 10 puede observarse un conjunto de 30 secciones ópticas de un grano de polen. La distancia entre secciones es de 5 μm.



Integrando las imágenes tomadas en los diferentes planos focales, es posible obtener una imagen de la información tridimensional en foco (Figura 11). Matemáticamente esta imagen, denominada extended-focus, vendría dada por:

I EF (x, y)= ∫ I(x, y,z)dz


La construcción de una segunda imagen extended focus con un pequeño desplazamiento de las secciones permite obtener un par estereoscópico que visualizado adecuadamente proporciona una visión tridimensional de la muestra (figura 12).



8.5.- Reconstrucción tridimensional.

La imagen estereoscópica suministra información tridimensional de la muestra desde un punto de vista estático y en una determinada dirección. Un método mejor para analizar y estudiar las complejas relaciones espaciales es la realización de reconstrucciones tridimensionales donde el volumen de datos puede ser visualizado desde varios ángulos (figura 13).



8.6.- Estudios de actividad intracelular (ph e iones).

El desarrollo, durante los últimos 10 años, de indicadores fluorescentes que responden selectivamente a iones biológicos ha permitido a los investigadores medir el flujo de estos iones en células vivas. Indicadores fluorescentes han sido descritos para la mayoría de los más importantes iones biológicos, aunque los usados más ampliamente son los indicadores de PH y calcio intracelular (Haugland R.,1992).
 
La mayor resolución y contraste de la microscopía confocal permite obtener imágenes de actividad iónica o PH mucho más claras que las que se observan con microscopía de fluorescencia, además la posibilidad de programar el barrido del láser permite tomar imágenes del mismo plano focal a distintos tiempos, pudiendo estudiarse la propagación de un determinado Ion (por ejemplo la expansión de la ola de calcio después de aplicar un estímulo sobre la célula).

Debido al tiempo que se precisa para adquirir la imagen, en aquellos procesos en que los cambios en la actividad iónica son muy rápidos es preciso tomar imágenes de menor resolución o incluso captar únicamente unas pocas líneas por imagen para poder observar la evolución en tiempos muy cortos.

8.7.- Determinación de espectros de fluorescencia (lambda scan).

Si el sistema cuenta con un detector espectral es posible utilizarlo para obtener el espectro real de emisión del fluorocromo con que hemos marcado nuestra muestra. Aunque existen múltiples tablas de los espectros de emisión de los fluorocromos, hay ligeras variaciones entre el espectro teórico y el real debidas principalmente a variaciones en el PH al preparar la muestra o a variaciones de temperatura.

Para obtener el espectro de emisión definiremos un rango de valores de longitudes de onda dentro del cual vamos a tomar imágenes, a continuación definiremos el número de imágenes y finalmente el intervalo para cada imagen. Como resultado tendremos una serie de imágenes que nos muestran la intensidad de fluorescencia para cada intervalo. Si realizamos una gráfica de las intensidades obtendremos el espectro real de emisión de ese fluorocromo (figura 14). Este método es útil también para deducir espectros de autofluorescencia.



9.- NUEVOS DESARROLLOS.

Uno de las principales limitaciones de los microscopios confocales de barrido punto a punto es el tiempo de obtención de las imágenes (entre 2 y 3 imágenes por segundo). Esta lenta velocidad de adquisición supone un problema cuando se trata de observan organismos en movimiento (por ejemplo bacterias) o procesos de dinámica celular que ocurren en un corto intervalo de tiempo. En la actualidad ya existen equipos en los que el láser incide simultáneamente en toda una línea de la imagen en lugar de en un único punto obteniéndose velocidades superiores a 200 imágenes por segundo. Estos microscopios denominados Confocal Live, precisan de equipos informáticos con una gran capacidad de proceso y almacenamiento para poder manejar los cientos de imágenes que podemos obtener en unos pocos segundos.


Wilmer J Sánchez V-19358601

CAF - Parcial 3

Link: http://www.vet.unicen.edu.ar/html/Departamentos/Samp/Microbiologia/Microcopia%20de%20laser%20confocal%20PDF.pdf







Una investigadora diseña una serie de láseres para su aplicación en el ámbito de los sensores de fibra óptica

Rosa Ana Pérez Herrera, ingeniera de telecomunicación, ha diseñado y desarrollado una serie de láseres, que van desde varios centímetros de longitud hasta los 50 kilómetros, para su aplicación en el ámbito de los sensores de fibra óptica. El desarrollo de esta tecnología permite medir fácilmente parámetros como la temperatura o detectar diversos tipos de gases a distancias remotas. El trabajo, que ha constituido su tesis doctoral, ha obtenido la calificación de Sobresaliente cum laude con Mención europea en la UPNA, según ha informado el centro universitario en una nota.


La fibra óptica es un medio de transmisión empleado habitualmente en redes de datos consistente en un hilo muy fino de vidrio o materiales plásticos por el que se envían pulsos de luz (láser) que representan los datos transmitidos.


La autora de la tesis ha explicado que "los láseres de fibra óptica son una innovación tecnológica muy importante que está pasando rápidamente de los laboratorios de investigación a distintas aplicaciones en la industria".


Este tipo de láseres, que comenzaron a comercializarse en la década pasada, pueden encontrarse hoy en día en aplicaciones para campos tan dispares como la electrónica de consumo, las telecomunicaciones, los métodos de diagnóstico en medicina, la caracterización de componentes y materiales en ciencia, el mecanizado, la soldadura o los sistemas de corte en sectores industriales y militares.


La tesis doctoral, 'Diseño y caracterización de sistemas para la multiplexación en longitud de onda de sensores utilizando amplificación óptica', ha estado dirigida por el catedrático de Tecnología Electrónica Manuel López-Amo Sainz, del departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la UPNA.


INVESTIGACIÓN


En la investigación se han diseñado y demostrado experimentalmente una serie de láseres, para su aplicación en sensores de fibra óptica, que van desde los pocos centímetros de longitud hasta los 50 kilómetros. "De este modo, inyectando luz de nuestros láseres a los sensores de fibra óptica se puede medir fácilmente parámetros como la temperatura, tensión o detectar diversos tipos de gases, tanto a distancias próximas como remotas, y con una gran resolución", señala Pérez Herrera.


El principal objetivo de las diferentes configuraciones estudiadas fue reducir las fluctuaciones de la potencia de salida y mejorar así la calidad del láser multilínea de fibra. Los láseres desarrollados en esta investigación son aplicables tanto en telecomunicaciones como en redes de multiplexación de sensores.

En su trabajo de investigación, Rosa Ana Pérez, ha desarrollado también nuevas redes de multiplexación de sensores que hacen uso de la amplificación óptica.


Entre las diferentes configuraciones propuestas destaca el diseño de redes amplificadas capaces de restaurarse ante fallos de fibra óptica y técnicas de autorreferenciación, "para poder así distinguir entre las pérdidas inducidas por los sensores y las fluctuaciones indeseadas en el sistema, de modo que puedan obtenerse redes de sensores más seguras y robustas ante posibles inconvenientes en la red".


Rosa Ana Pérez Herrera obtuvo el título de Ingeniería de Telecomunicación en 2004 en la Universidad de Cantabria. En la actualidad es profesora ayudante en el departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la UPNA, institución a la que ha estado vinculada desde 2005, cuando recibió una beca predoctoral de Formación de Personal Investigador.


Ha realizado estancias de investigación en la Universidad de Oporto, en la Escuela de Ciencias Matemáticas e Ingeniería de la Universidad de Londres y en la Universidad de Parma. En su producción científica, ha realizado 18 contribuciones a congresos realizados en diversos países así como 12 publicaciones en revistas internacionales.


Wilmer J Sánchez V-19358601

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CARACTERIZACIÓN DE UNA CAVIDAD LÁSER DE FIBRA ÓPTICA EN CONFIGURACIÓN COMO UN SENSOR DE DOS PUNTOS

1. Introducción.


Las fibras ópticas han dado un mejoramiento al desarrollo de las telecomunicaciones desde las ultimas tres décadas. Debido a la necesidad de seguir obteniendo mayor aprovechamiento de sus características, se han creado dispositivos dentro de la fibra, es decir, dispositivos de fibras ópticas como acopladores WDM's (Wavelength Division Multiplexing), filtros, amplificadores, que han contribuido al desarrollo de sistemas de fibras ópticas debido a que son intrínsecamente de baja pérdida y pueden ser interconectados a otros sistemas de fibra que transportan señales complejas. Uno de los últimos dispositivos de fibra óptica son las denominadas "rejillas de Bragg de fibra óptica" las cuales pueden ser utilizadas para reflectar, filtrar ó dispersar luz sin abandonar el núcleo de la fibra, evitando la necesidad de utilizar espejos dieléctricos de volumen y rejillas de difracción, disminuyendo con esto, pérdidas de energía. Son ideales para un amplio rango de aplicaciones siendo un elemento clave en el campo de las comunicaciones ópticas y en sensores de fibra óptica, además de tener aplicaciones en láseres de fibra óptica. Una rejilla de Bragg consiste de una modulación periódica del índice de refracción del núcleo de una fibra óptica, por lo general monomodo, lo cual también puede verse como un arreglo periódico de placas o películas de 2 índices de refracción diferentes, denominados índice de refracción alto nH (~ 1.4563) e índice de refracción bajo nL (~ 1.456) .


2. Arreglo experimental y resultados.


En la figura 1 vemos una cavidad láser de fibra óptica con tres rejillas de Bragg actuando como espejos, un medio amplificador y un sistema de bombeo. Dos de las rejillas ( #3 y #2) funcionan como cabezas del sensor y una como referencia ( #6). Para monitoreo tenemos un monocromador con el cual podemos seleccionar ciertas longitudes de onda a las cuales la cavidad esta funcionando, en este caso seleccionaremos un ancho espectral que se encuentre dentro del ancho espectral de la fluorescencia de la fibra dopada y dentro de este ancho se encontraran las longitudes de onda de reflexión de las rejillas. Además, se observa un fotodetector conectado a un Lock-in y este hacia una PC. Por otra parte se observa un fotodetector conectado a un preamplificador y éste hacia un analizador de RF (radiofrecuencias). Con esto ultimo mediremos las frecuencias de separación intermodal que existen en la cavidad cuando hay un laseo. La punta final de la rejilla #6 se sumerge en glicerina (liquido acoplador de índices) para evitar las reflexiones y con esto la formación de sub-cavidades.




La figura 2 muestra parte del espectro de fluorescencia de la fibra dopada y 3 picos que corresponden a los picos de reflexión de las rejillas, esto se obtuvo conectando la terminal S3 al punto 1. Observando la figura 1, en la terminal S3 esperamos obtener únicamente los picos de reflexión de las rejillas #3 y #2, pero debido a la reflexión que existe en la terminal S1, aparece el pico de reflexión de la rejilla 6 lo cual eliminamos si sumergimos a esa terminal en glicerina.



Con lo observado en la grafica de la figura 2 encontramos la posibilidad de proponer a este arreglo como un sensor, ya que si cambiamos la temperatura ó si tensamos gradualmente a cualquiera de las rejillas #3 y/o #2, desplazaremos el pico de la rejilla hacia el pico de la rejilla 6, hasta que se alcance un laseo dentro de la cavidad (figura # 3) con lo cual sabremos que la longitud de onda de reflexión de la rejilla en cuestión se igualó a la de la rejilla # 6. La posibilidad de aplicar el anterior arreglo como un sensor se soporta con la teoría existente en la literatura acerca de las rejillas de fibra  en la cual, la longitud de onda de reflexión se desplazará aproximadamente 1.2 pm cuando se le aplique 1 με (micro tensión) a la rejilla y aproximadamente 13.7 pm por cada °C de aumento en temperatura, esto para rejillas con una longitud de onda de reflexión cercana a 1550 nm y dependiendo del tipo de rejilla.


En la figura 1, si colocamos la salida S3 en la posición 2 obtenemos lo que se observa en la gráfica de la figura 4. Aquí, existe un laseo en la cavidad, es decir, las longitudes de onda de reflexión de las rejillas que forman la cavidad son iguales. En este caso se tensó la rejilla # 2.



Se observan únicamente 4 modos o frecuencias de resonancias, debido a que el rango de medición del RF es hasta 100 KHz. En la figura 5 mostramos un análisis del modo o frecuencia numero 4 cuando se tensa cada rejilla (pico izquierdo: R #2 tensada, pico derecho: R #3 tensada) y cuando se tensan las dos simultáneamente (pico central). Conociendo la frecuencia del pico y el índice de refracción efectivo de la rejilla, podemos calcular la longitud de la cavidad mediante la siguiente ecuación.



en donde N es el numero de modo, ν la frecuencia, L la longitud de la cavidad, n el índice de refracción efectivo de la rejilla y C la velocidad de la luz en el vacío. Si una cabeza del sensor actúa, en el RF se observará el valor de la frecuencia y con un cálculo se conocerá la posición de esta cabeza (rejilla).


3. Conclusiones.


Dos formas de caracterizar la actividad de este sensor se presentaron. En la primera se analiza desplazamientos en longitud de onda y en la segunda los modos longitudinales. La primer forma es conocida en la literatura de los sensores de fibra óptica, pero no es así para la segunda. Las ventajas de este sistema en arreglo como sensor es la cantidad de rejillas que se pueden utilizar como cabezas del sensor, la distancia a la que se puede monitorear algún parámetro físico y la utilización de una rejilla de referencia, traducido a una temperatura o tensión de referencia.


Wilmer J Sánchez V-19358601

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Estabilización en longitud de onda de un laser semiconductor con aplicación en un amplificador de fibra óptica dopada con erbio

1 Introducción


Los amplificadores de fibra dopadas con tierra rara son de gran interés para una gran variedad de aplicaciones: comunicaciones ópticas, láseres de fibra y sensores. Los iones de tierras raras, tales como Erbio, Neodimio, Tulio, Praseodimio, Yterbio, son los más utilizados para dopar una fibra con el fin de lograr una amplificación en diferentes regiones de longitudes de onda cubriendo la región desde el visible hasta la región del infrarrojo (arriba de 2.8 μm). El desarrollo de los amplificadores de fibra generó una búsqueda de sistemas de configuraciones para llevar a cabo el acoplamiento de una fuente de bombeo óptica externa con la señal óptica que se amplifique1. Los amplificadores de fibra dopadas con  Erbio (Erbium Doped Fiber Amplifier, EDFA) son comúnmente usados en los sistemas de comunicaciones ópticas debido a su propiedad de amplificación en la región de 1.55 μm, ya que a esta longitud de onda la fibra óptica presenta mínima pérdida por transmisión de una señal, además, presentan mejores cualidades que otros amplificadores dopados con tierra rara.


Al diseñar un EDFA, hay que tener en cuenta el tipo de configuración que se va a utilizar, ya que este depende de la aplicación que se le da. Las configuraciones más comunes son: a) cuando el bombeo óptico se propaga en la misma dirección con la que viaja la señal (bombeo directo), b) cuando el bombeo óptico se propaga en dirección opuesta a la señal (bombeo inverso), c) cuando el bombeo óptico viaja en ambas direcciones (bombeo bidireccional).


El uso de una configuración de reflexión actualmente es una de las más atractivas para obtener una mayor amplificación, aprovechando que la señal viaja a través del mismo EDF dos veces2-5. La reflexión puede ser llevada a cabo por medio de varios dispositivos, tales como, rejillas de Bragg de fibra (Fiber Bragg Grating, FBG), espejos de fibra, espejo rotador de Faraday, etc .6-9 La reflexión en este tipo de configuración puede ser tanto en la señal como en el bombeo.


En el diseño de un EDFA existen factores que pueden degradar el desarrollo del amplificador, y uno de ellos es el ruido de Emisión Espontánea Amplificada (Amplified Spontaneous Emission, ASE). La ASE se genera mediante la desexcitación de los iones de Erbio del estado Metastable a un estado Base.


En este trabajo se presenta la estabilización de la longitud de onda de un láser semiconductor DFB (Distributed Feedback) que puede ser sintonizado alrededor de 1550 nm. La sintonización de este láser se lleva a cabo haciendo circular una corriente continua en un enfriador  y este a su vez ejerce un cambio de temperatura en el láser semiconductor. Sin embargo, el objetivo de estabilizar la longitud de onda del láser es debido a que en el EDFA se encuentra una rejilla de Bragg que refleja la señal. La amplificación obtenida por el amplificador es de 2500 veces la señal de entrada, es decir, 33 dB con una potencia de bombeo de 25 mW. Cabe mencionar, que el circuito propuesto es un diseño confiable y muy robusto, además, la facilidad de conseguir los componentes electrónicos, es muy barato para su construcción.


 2 Arreglo experimental


En la figura 1 se presenta una configuración de un amplificador de fibra óptica dopada con Erbio en configuración reflectiva. La reflexión es llevada a cabo solo en la señal a amplificar. La señal que viaja por ella se amplifica dos veces, uno cuando viaja por primera vez en la Fibra Dopada con Erbio (Erbium Doped Fiber, EDF) y la segunda vez, cuando es reflejada al final de la EDF. La reflexión de la señal, es llevada a cabo con una rejilla de Bragg. La rejilla de Bragg, aparte de que refleja la señal, elimina el ruido de emisión espontánea amplificada que se propaga con la señal hasta la salida del amplificador. La rejilla de Bragg refleja la longitud de onda central, dejando pasar el espectro de longitud de onda que no coincide con esta longitud de onda. El láser que genera la señal óptica es un láser DFB (Distributed Feedback). El cambio en longitud de onda se hace mediante el cambio de temperatura en el láser. La longitud de onda de emisión que se genera en este láser debe de coincidir con la longitud de onda de la rejilla de Bragg, en caso contrario, no habrá señal en la salida del amplificador. Este láser tiene una etapa de enfriamiento, para que se lleve a cabo la sintonización en longitud de onda.


 


En el amplificador se utilizó 10 m de fibra dopada con Erbio con una concentración de 1000 ppm. La longitud de onda central de la rejilla de Bragg es de 1549.1 nm con 100 % de reflexión. El láser que se utilizó fue un láser DFB sintonizable alrededor de 1550 nm, modelo ML976H6F. El enfriador tiene un termistor integrado que a 12 k , corresponde una temperatura de 26 oC en el enfriador y una longitud de onda de emisión del láser de 1551 nm. Para obtener una longitud de onda de 1549.1nm, se le hace circular una corriente de tal manera que en el termistor tenga un valor en su resistencia de 16 kW, que corresponde a una temperatura de 13 oC. En la figura 2, se muestra un esquema del enfriador en el cual el láser DFB está incorporado. El modelo del enfriador que se utilizó es el TCLDM9 de la compañía THORLABS



El diseño de esta fuente consta de una conversión de corriente alterna (ca) a una corriente directa (cd), además, proporciona un voltaje de cd regulado. Dentro del diseño, existe un circuito de control que provoca el cambio de voltaje en la salida del regulador LM317, en función del cambio de la resistencia del termistor del enfriador (figura 3).


El circuito de control contiene el termistor, además, también se encuentran comparadores de voltaje y una red de divisores de voltaje. El circuito LM317 es un regulador de voltaje variable, es decir, mediante un potenciómetro se cambia el voltaje de salida regulado. Entre la terminal de salida y la terminal de ajuste de este regulador, siempre hay una diferencia de voltaje de 1.2 V. Por lo que el mínimo voltaje que se obtiene con este regulador es de 1.2 V. El voltaje regulado de salida es entonces:


Vr = 1.2 + V (1)


donde, Vr es el voltaje regulado de salida y V es el voltaje en el potenciómetro y se puede determinar mediante la ley de Ohm. El capacitor c4 elimina los problemas causados por la existencia de terminales largas entre el rectificador y el LM317 y c5 elimina las pequeñas variaciones de voltaje que existen cuando el potenciómetro varía su resistencia. La resistencia R es de 10 kW al 1 % de precisión y P es una Resistencia Variable Multivuelta de Precisión (RVMP) de 20 k , todos del mismo valor. El termistor en la figura 4, debe de estar en un valor de resistencia en la cual la longitud de onda del láser DFB debe decoincidir con la longitud de onda de la rejilla de Bragg. La resistencia del termistor se encuentra en un rango de 15.9 kW y 17.1 kW, y es el rango donde la rejilla de Bragg presenta máxima reflexión. Con esta variación de resistencia se tiene una variación de temperatura de 0.3 oC.


De acuerdo a esto, las RVMP tienen valores de resistencia de 15.9 kW, 16.1 kW, 16.4 kW, 16.7 kW, 16.9 kW, 17.1 kW, cubriendo el rango en el cual se tiene la máxima reflexión. Cuando el termistor cambia su valor de resistencia, genera un cambio de voltaje en el punto g de la red de la figura 4.


En los puntos a-f se encuentran los voltajes de referencia que son conectados a un comparador de voltaje. Los valores puestos en las RVMP obedecen a que es el rango de resistencia del termistor en el cual la longitud de onda del láser coincide con la longitud de onda de la rejilla de Bragg.El LM339 es un circuito integrado que contiene cuatro comparadores de voltaje de precisión independientes que han sido diseñados especialmente para ser comparadores de voltaje flexibles. El máximo voltaje de alimentación

es de ±18 volts. Fueron diseñados específicamente para operar con alimentación de voltaje positiva.


Las terminales de entrada son diferenciales (Ed), es decir, si Ed es (+) el interruptor de salida estará abierto y si Ed es (-) el interruptor de salida estará cerrado. La salida de los voltajes de referencia van conectados a la entrada positiva de los comparadores y el voltaje que se genera en el termistor va conectado a la entrada negativa. Debido a que son una red de 6 divisores de voltaje, se necesitan 6 comparadores de voltaje, ya que con ello se obtiene una mayor sensibilidad en el cambio de corriente en el transistor Q1 de la figura 3. Cada una de las salidas de los comparadores son conectados a la base de los transistores que se muestran en la figura 5. La resistencia Rx es la que hace que el voltaje regulado de salida del LM317 sea máximo cuando todos los transistores se encuentran desactivados y por lo tanto habrá una corriente máxima de colector a emisor del transistor Q1 que circulará por el enfriador. Cuando un transistor es activado, la resistencia Rx se pone en paralelo con la resistencia de emisor del transistor que se activó y por consiguiente el LM317 experimentará una reducción en su voltaje de salida.



Conforme el voltaje del termistor vaya cambiando, los voltajes en la entrada (-) también cambiarán y por lo tanto activarán la salida del comparador e irán por consiguiente activando los transistores Q1-Q6. El enfriador es específicamente una montura que controla la temperatura de un diodo láser, la cual, puede ser operada con una gran precisión en el control de temperatura y así poder seleccionar la longitud de onda de un láser sintonizable. Este enfriador tiene la particularidad de que los diodos láseres pueden ser fácilmente montados en él.


4 Conclusiones


Se ha presentado paso a paso el diseño de un circuito que controla automáticamente un enfriador mediante el control de la corriente continua que circula por él. El diseño presentado es fácil de construir, es confiable y barato en su construcción, ya que puede ser construido a base de componentes electrónicos que se encuentran comúnmente en tiendas comerciales electrónicas. La ventaja al utilizarlo en un EDFA en configuración reflectiva, es que es fácilmente incorporable a un arreglo de fibra óptica. La amplificación obtenida por el amplificador es de 2500 veces la señal de entrada con 25 mW en la potencia de bombeo. El ruido de ASE máximo es de 1 mW a una potencia de bombeo de 25 mW.



Wilmer J Sánchez V-19358601

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link http://www.fisica.uh.cu/biblioteca/revcubfi/2010/vol.27-No.1/RCF27-1-2010-70.pdf

DFB laser diodes for sensing applications using photoacoustic spectroscopy

1. Introduction


Strong interest in remote gas sensing systems has emerged in the last few years. Typical sensitivities of laser based detection systems lie the range of ppm to ppb [1]. However, there is an ever growing need for even higher sensitivities and at the same time increased spectral selectivity. Photoacoustic spectroscopy is a valuable tool to achieve both high sensitivities and at the same time keep the costs and size for sensing systems at a relatively low level. The major key element of these modern gas sensing systems are distributed feedback laser diodes, which are used to excite rotational vibrational transitions of the gas species to be detected. Through a special technology based on lateral metal Bragg gratings incorporated in the laser structure [2] it is possible to fabricate semiconductor single mode emitting laser diodes in a broad spectral range starting from 760 nm wavelength (for e.g. oxygen sensing) up to wavelengths in the 3 ìm range, where many industrially and ecologically relevant gas species exhibit strong absorption features. As an example Fig. 1 shows the absorption of a some exemplary gases in the wavelength range mentioned above.



2. DFB laser diodes


The complex coupled DFB laser diodes described above work in cw operation at room temperature and exhibit output powers well above 20 mW, which make them ideally suited for photoacoustic sensing schemes. The laser diodes can be manufactured in such a way that the emission is close to energetic resonance with a prominent absorption line of the gas species under investigation. By applying a current ramp onto the DC laser current, one makes use of a current induced transient redshift of the laser wavelength. In this way the laser emission can be scanned across the spectral position of the absorption line to be detected. Alternatively, a well defined temperature change of the laser can be employed for coarse wavelength tuning. The fact that the emission linewidth of such a laser device is below 3 MHz, one can even resolve the fine structure of single absorption lines which typically exhibit linewidths on the order of a few GHz at room temperature. Therefore this technique even enables to resolve different gas isotopes, e.g. a discrimination between CO2(12) and CO2(13) is possible which will be shown in the next chapter. Fig. 2 shows the emission spectrum of a DFB laser diode emitting at 2043 nm wavelength. This emission wavelength is located right within the rotational-vibrational absorption band of CO2 (see Fig.1).



As can be seen in Fig. 2, the emission spectrum of such a DBF laser diodes is characterized by a

high side mode suppression ratio of > 35 dB which ensures a high spectral selectivity and guarantees

cross interference free measurements.


3. Applications


One major application of these laser diodes is their use for medical diagnostics, in particular for non-invasive breath tests employing photoacoustic spectroscopy. Among this class of diagnostic test schemes, the 13C-Urea Breath Test (UBT) for the detection of Helicobacter pylori infections in humans is the most well-known. Helicobacter pylori is a bacterium which infects up to 50% of the human population [3]. Some strains of this bacterium are pathogenic to humans as it is strongly associated with peptic ulcers, chronic gastritis, duodentitis and stomach cancer. For the UBC test procedure the patient orally receives a small amount of urea which is isotope marked with the 13C isotope. If the patent suffers from an Helicobacter pylori infection this isotope-marked substrate will be split by the bacterium's enzyme urease into isotope-marked 13CO2 and ammonia. This gas then diffuses into the lungs of the patient via the bloodstream and can be identified in the patient's breath via laser based photoacoustic sensors. The major advantage of this diagnostic test scheme is the fact that –in strong contrast to traditional methods which require surgery- it is non-invasive and free of side effects or risks for the patient. In the experiment the breath gas to be measured is guided into a gas cell and exposed to the tunable DFB laser source. Within the cell the laser light is absorbed by the molecules (12CO2 and 13CO2) and transferred into kinetic energy of the surrounding molecules via inelastic collisions. This in turn causes local pressure fluctuations within the sample cell, i.e. a sound wave is generated when the exciting laser source is modulated. This sound wave can be monitored using a microphone in combination with phase sensitive lock in detection schemes. For low modulation frequencies below 1 MHz, the photoacoustic signal is directly proportional to the absorption cross section of the molecular transition, the concentration of the absorbing molecules and the intensity of the laser source. Fig. 3 displays measurements on two samples of CO2 with different isotope concentration ratios. Sample 1 (dashed line) represents CO2 in natural abundance (12CO2: 98.42%; 13CO2: 1.10%) while sample 2 (solid line) contains slightly more 13CO2 (12CO2: ca. 98.46%; 13CO2: ca. 1.06%). Both measurements were performed under atmospheric conditions (1013 hPa, 20°C) using laser wavelength modulation with a modulation depth of +/-5%. The line strengths of the CO2 transitions are approximately inversely proportional to the natural abundances of the corresponding isotopes. Therefore both isotopes yield comparable signals of the same order of magnitude. Since there are no strong water absorption lines in the spectral window under investigation cross-sensitivity with water is excluded. As can be seen in Fig. 3 a difference of the 12CO2 signals for the chosen concentrations is not observable. This is well expected due to the major difference in abundance and hence the CO2 lines can be used for normalization purposes. In contrast, the difference in 13CO2 concentrations is clearly visible in the spectra. The ratio between the peak amplitudes of the 13CO2 signal therefore serves as a sensitive measure for medical diagnostics. With this test a maximum signal to noise ratio of S/N= 90 is achieved, which corresponds to a detection limit for 13CO2 of about 5 ppm. Hence, variations of the 13CO2 concentration of about 1%

are detectable.



4. Summary


Complex coupled DFB laser diodes offer a large potential for sensing applications in such various fields as environmental monitoring, process control or medical analytics, where a high level of precision is required. The superb spectral brilliance of these devices even enables a discrimination between different gas isotopes, which exhibit slightly different vibrational transitions (e.g. different carbon monoxide isotopes for the helicobacter pylori bacteria identification in the medical field). This demonstrates the high potential of these laser diodes in a wide variety of remote gas sensing applications based on photoacoustic spectroscopy.


Wilmer J Sánchez V-19358601

CAF - Parcial 3

Application of FPAA IC for Termostatting a DFB Laser Modules in Broadband Cable Communication Networks

1. INTRODUCTION


In present times Thermoelectrical elements of Peltier (TEP) are being used for cooling and hermostating of different fields in the science and techniques, where are set a strict requirements to the thermal regime of the elements and devices. Among them: microprocessor systems; HF, VHF, UHF and SHF amplifiers; CCD-detectors; optical receivers and emitting modules on the base of laser diodes [3, 5, 6, 10]. In the last group  of devices the TEP have found the widest-spreading, because it appears an opportunity for their integration in the emitting module and ensuring of highest accuracy at temperature stabilizing. This is very important for the high-speed systems transmitting data by wavelength division multiplexing (WDM), since the change of laser diode's temperature conduct an alternation in the length of the emitted wave. In systems of those type is important not only decreasing of the temperature of electric-optical system, but also for a precise control [1, 2, 7, 8]. The distance between frequency channels in lasers in multichannel module is in the order of several nanometers and the drift of the frequency during temperature changing, as a rule exceeds 0.1 nm/oC. For normal frequency dividing of channels is necessary to be ensured a stimulation of the laser with basic effective wavelength, which is impossible without precisely driving of the emitter's temperature.


2. STRUCTURE CIRCUITS AND CHARACTERISTICS OF THE SYSTEM FOR THERMO-ELECTRIC COOLERS (TEC) CONTROLLING


Simplified structure circuit for TEC controlling is shown on Fig.1. It contains: TEP, temperature detector, powerful linear or PWM-amplifier and controller, setting the function of regulation. For ensuring a thermostating TEP is used as a heater and as a cooler. That is achieved by an alternation in the polarity of the in it flowing current. As a rule the sensor (S) is assembled close to the most sensitive to temperature changes components. For S can be used thermocouples, platinum resistance temperature detectors (RTD), integral detectors and others. The standard thermoresistors in the examined application are rarely used, because they do not enough accuracy; have a big drift of resistance and nonlinear characteristic [4, 9].



Every circuit decision of the system for TEC controlling is realized on the one of the three methods: proportional (P), proportional-integral (PI) or proportional-integral- derivative (PID) controlling (Tab.1). From the signal received from the temperature sensor (S) by a feedback (FB) is brought out a setting signal uset, defining the system set point. The received signal of mistake ue is amplified and feed to the power amplifier (PA). He ensures the necessary value and polarity of the signal u(t) for controlling, defining the current through TEP.


Kp, Кi and Kd are coefficients of transferring respectively of the proportional, integral and the derivative channel. If the thermal inertness of TEC is bug, the speed of changing of the signal from the opposite connection will be relatively low and we can limit with using of a system for PI controlling.

Only a several producers offer completed solutions in the type of integral circuits for controlling of TEC. Among them are: Hytek Microsystems Inc. (HY-5640, HY5650 or HY56200), Analog Technologies Inc. (TEC-A1, TEC-4A, TEC6A101or ATEC24V10A1), MAXIM (MAX1637) and OKI (OLx109L-10), [12, 13, 14, 15]. Unfortunately they have some problems:


  • First one is that similar devices are oriented for solving of very tine circle of problems. Different characteristics of the used TEC are necessary in any case to be ensured unique electrical characteristics of the controller: accessible supply voltage; method for controlling the element of Peltier (continuous or PWM); admissible value of the pre-regulation; controller reaction rate; senescence of the temperature detectors; necessity of set point regulating; etc.

  • The second important problem, origin at using of ready controllers, is that most of them require a big number of outer discreet components, including a precise reference voltage unit and operational amplifiers.

  • Third is the problem of the controllers' prices. Because devices like those do not refer to the class of devices for mass usage, the expenses for developing and producing can not be compensated from the amount of sales. Besides more often TEC controllers are produced in a hybrid type, which increases its prime cost, too. Today the price of this controller for users is between 90 and 300 USA dollars [12, 13, 14]

  • Forth and most important is the problem related with the necessity of individual controllers adjustment. In every PID-controller is needed to be settled individual values for coefficients Kp. Ki, and Kd, to ensure not only the necessary speed of reaction, but also its stability in any conditions. In most of the traditional devices this is reached by a hand adjustment using potentiometers, which are put under a tear and senescence, decreasing the reliability and quality of the regulators.


3. TEC CONTROLLING SYSTEM ON THE FPAA BASE


A simplified electrical circuit diagram for TEC controlling is shown on Fig.2. By the FPAA IC1 is realized a regulator ensuring the necessary method for regulating. It is forming a reference voltage for supplying of the thermo sensor and setting an operation point, too. Giving data for the respective configuration is being realized by EEPROM using SPI – interface, such as AT25080A (Atmel). For controlling thermoelectrically element's current is used a powerful operational amplifier IC2. For FPAA synchronization is used a built in generator with outer quartz resonator with frequency 16 MHz [11]. The main requirement to the operational amplifier IC2 is ensuring of the necessary value of output current. As a rule for most of the examined applications could be used device from the OPA548 type (Texas Instruments).



Using of circuit with PWM as a power amplifier in the systems for thermostabilizating of the laser module is not expedient, because circuits like those appears to be source of powerful disturbances and exert a lot of influence on the emitter's stability of operating. Besides the TEP experiences an impulse overload which decreases its resource.


As a temperature detector is used thermoresistor. Despite its foibles, main of which appears to be the major nonlinearity, in the offered circuit its application is justified, for FPAA permits that linearizing its characteristics is performed. This well decreases the price of the device in comparison with using of other detectors. A temperature detector from the other type can be connected directly to FPAA in necessity though, changing its structure at a respective way.


Unique priority of the given circuit is that she stays the same (unchanged) at realizing of every regulating characteristic, when practically using of any types of temperature sensors and TEP. Each alternation is made by a program way.


For realizing and adjustment the company Anadigm offers software for automatic designing Anadigm Designer® 2. It contents special surroundings for synthesis of PIDcontrollers in any combination – P, PI, PD, PID. On Fig.3, Fig.4 and Fig.5 are shown the structures of FPAA for P, PI and PID modes.


Along with the automatically synthesized standard circuits of the controller, in the structure is added a Voltage Reference (VR) for feeding of thermo sensor and settling initial bias of the output power amplifier. The level of voltage reference is determined by amplifiers with programmable gains (from 0,01 to 100). Operating point is settled by a program with an input programmable VR. However, we can put a signal setting on the input lead of FPAA and to make a hand adjustment, for example using a potentiometer.



On the base of FPAA by using a dynamic reconfiguration can be created an adaptive circuit. In this case "instantly" can be changed not only the parameters of the controller, but also the regulation type. That could be very useful for adapting of the circuit at changing of the TEP operating direction. Since the operation efficiency of a thermoelectrical element in a regime of cooling is lower then that in a regime of heating, at realizing of thermostating appears possibility of alternation in the parameters of the controller in dependence of the temperature changing direction.


Operation of the system in a regime of dynamic reconfiguration is illustrated on Fig.6. Shown are the ambient temperature alternations Tamb and the temperature of the laser module Tmod. TEP is used as for a cooling, such as for heating, during which is made an adaptation of the controller using a dynamic reconfiguration. In the temporary interval from 0 to t1 is realized PI-method of regulating. In a moment t1 is made a reconfiguration of FPAA in a regime of P – controller. At next alternation of Tamb is observed a sharply reducing of the system, which appears to be absolutely expected result.



4. CONCLUSION

By using of Field Programmable Analog Arrays (FPAA) is possible to be removed every up mentioned problems origin at the development and exploitation of the examined circuits. The dynamic reconfiguration of FPAA permits a creating of adaptive systems ensuring high accuracy at a minimal loss.


Repeated increasing of the life cycle of the devices: changing of every component from the system (TEP, thermo sensor, DFB laser or a module as one) do not leads to an alternation in the controller's circuit. The process of adjustment is being simplified at the expense of the possibility to decline the application of the regulating potentiometers. The system can be easily adapted to new developments. It is possible entering of new functions, those like defense from overloading of the output amplifier, thermal defense

and others.


Of course the examined systems can be realized by digital signal processors (DSP), ADC and DAC. Is it needed to mention what extra complications and problems arise and how many times is being increasing the price of the development and the a finished device? The conclusion could be just one: analog control of analog processes – what could be more simple and logical?


Wilmer J Sanchez V-19358601

CAF - Parcial 3

Crean sensores ópticos que optimizan la detección de gases contaminantes

Una nueva generación de detectores de gases en base a diodos emisores de láser de semiconductor (VCSEL´s) han sido desarrollados por ingenieros y científicos del programa NEMIS de la Unión Europea. Los nuevos sensores permiten incrementar la rapidez y la efectividad de la detección de gases nocivos para el hombre, además de no requerir calibraciones manuales de ningún tipo y alcanzar una importante vida útil. Se prevé su uso a nivel industrial de aquí a dos años. Por Pablo Javier Piacente.




Los láseres VCSEL´s

aportarían un importante

avance en el desarrollo de

 dispositivos para la detección

 de gases contaminantes en i

ndustrias y hogares.

 Imagen: Direct Industry.



El empleo de nuevos sensores ópticos, en base a la tecnología de diodos emisores de láser de semiconductor (VCSEL´s), podría simplificar el proceso de detección e identificación de gases nocivos para la salud humana, como por ejemplo el monóxido de carbono. El desarrollo forma parte del trabajo de ingenieros y científicos del programa NEMIS de la Unión Europea.


Estos nuevos detectores de gases podrían ser más rápidos y efectivos para su uso en una amplia gama de aplicaciones de seguridad industrial e incluso a nivel doméstico. El avance es muy importante, más aún si se tiene en cuenta que hasta entrado el siglo XX persistieron los métodos biológicos para la detección de gases.


Mientras ahora se habla de sensores que aplican las nuevas tecnologías de láseres VCSEL´s, en aquel momento se empleaban canarios para detectar las acumulaciones mortales de monóxido de carbono en las minas y otros emprendimientos similares. Aunque esta metodología salvó muchas vidas, fue necesario darle lugar al progreso tecnológico.


Así nacieron los sensores electro-químicos, que aunque aportaron un gran avance en la detección de la acumulación de gases conforman una tecnología insuficiente en varios aspectos, además de conllevar un tiempo de trabajo con el que muchas veces no se cuenta. De esta manera, el proyecto de NEMIS marca una nueva etapa en esta cuestión.


Los diodos emisores de láser de semiconductor (VCSEL´s) permiten una rápida y eficaz detección de los gases, facilitando las posteriores medidas preventivas o correctoras y el accionar de las alarmas correspondientes. Financiado en el marco del 6th FWP (Sixth Framework Programme) de la UE, NEMIS tiene entre sus principales objetivos la aplicación en distintos campos de las nuevas tecnologías VCSEL´s.


Ventajas técnicas de los VCSEL´s




Foto: JR3 . Stock.Xchng



La investigación que condujo al descubrimiento de estos nuevos dispositivos de detección de gases contaminantes fue publicada en un artículo del portal ICT Results de Cordis.


Las ventajas de utilizar VCSEL´s en lugar de láseres convencionales son varias. En principio, permiten una mayor rentabilidad económica en el desarrollo y la actividad de los dispositivos detectores y, además, es posible beneficiarse con el aprovechamiento de una longitud de onda más amplia. Mientras un láser convencional solamente se puede ajustar en menos de un nanómetro, un VCSEL tiene la capacidad de sintonizar más de cinco nanómetros.


Esta condición, teniendo en cuenta que el sensor está en búsqueda de anomalías en las longitudes de onda para la detección de gases nocivos, resulta vital para optimizar la efectividad y la rapidez en los procesos de identificación. Por lo tanto, las nuevas tecnologías suponen un importante adelanto en este tipo de aplicaciones industriales y domésticas de seguridad.


Otro punto vital de los nuevos sensores desarrollados en el programa NEMIS es que son capaces de autocalibrarse. Esto facilita su uso efectivo sin intervención humana, pudiendo sellarse en contenedores resistentes o ubicarse en ambientes hostiles e instalaciones industriales de todo tipo y sin sufrir corrosión.


Aplicación industrial y doméstica


Logrado el desarrollo de láseres VCSEL´s adecuados para la detección óptica de gases y probados en distintas situaciones, los socios industriales del proyecto crearon un dispositivo capaz de detectar emisiones de CO NH3 (amoníaco). Asimismo, ya se encuentran en desarrollo sensores para otros gases como el dióxido de carbono (CO2) y el sulfuro de hidrógeno (H2S), entre otros.


Vale destacar que la organización de este trabajo estuvo a cargo de la Technische Universitaet Muenchen, en el marco del NEMIS. Y aunque serán necesarios muchos años para que esta nueva tecnología pueda convertirse en parte de nuestra vida cotidiana, se espera que sea más corto el plazo de tiempo requerido para su aplicación industrial.


Los sensores de VCSEL´s destinados a aplicaciones industriales y de seguridad podrían comenzar a comercializarse en un par de años. El valor podría ser de varios miles de euros, pero hay que tener en cuenta que no se necesita ninguna calibración manual y que los dispositivos podrán seguir trabajando de manera eficiente durante muchos años.


Sin embargo, hacia el futuro el campo de acción puede ser mucho más amplio, incluyendo el uso de sensores en la industria automovilística para controlar las emisiones del motor o en la aviación. Por último, los ingenieros e investigadores a cargo pronosticaron que cuando el dispositivo alcance un valor inferior a los 50 euros estará ubicado en todos los hogares, evitando accidentes derivados del escape de gases nocivos para el hombre.


Wilmer J Sánchez V-19358601

CAF - parcial 3