Las redes troncales de la red de hoy ya no usan cables de cobre, sino que usan láseres para transmitir información. La luz láser generalmente se propaga en una fibra, pero si bien es conveniente, esto no es estrictamente necesario. También puede enviar la luz láser a través del aire en un haz colimado, como un puntero láser normal.

Porque esto suena bien, pensé que podría construir algo así. Aquí está el prototipo:

Esta es una forma económica y segura de enviar información sin transmisores RF o enlaces wifi. Además de otras ventajas:

• Operación de largo alcance libre de licencias (En constraste con las comunicaciones por radio)
• Funciona en espectro no regulado (internacionalmente, hasta 3 THz = 3000 GHz). Un laser infrarrojo (línea base) funciona a más de 340 THz
• No crea inteferencia radioeléctrica
• Inmune a la inteferencia radioeléctrica
• Difícil de hacerle “escucha escondida”
• Datos fluidos
• Full-duplex
• Bajo nivel de errores de bits

Las dificultades son:
• Límite de distancia (o pérdida completa de enlace) debido a:
-Potencia del láser
-Dispersión del haz
-Condiciones atmosféricas: lluvia, humo, neblina, polvo, temperatura ambiental, distorsión atmosférica
-En exteriores, movimiento inducido por el viento
-Otras fuentes de luz
• Difícil apuntar y mantener estable la línea luminosa. Se hace subceptible a desalinearse, interrupciones e interferencias.
• Mayores velocidades de red requieren circuitería más compleja.

Para mantener un entorno seguro para los ojos, los buenos sistemas FSO tienen una densidad de potencia del láser limitada y admiten clases de láser 1 o 1M. La atenuación atmosférica y de niebla, que son de naturaleza exponencial, limitan el alcance práctico de los dispositivos FSO a varios kilómetros. Sin embargo, la comunicación óptica de espacio libre, basada en una longitud de onda de 1550 nm , tiene una pérdida óptica considerablemente menor que utilizando una longitud de onda de 830 nm , en condiciones de niebla densa. Los sistemas FSO que usan una longitud de onda de 1550 nm son capaces de transmitir una potencia varias veces mayor que los sistemas con 850 nm y, al mismo tiempo, son seguros para el ojo humano (clase 1M). Además, algunas ópticas de espacio libre, como el SISTEMA EC, aseguran una mayor confiabilidad de la conexión en condiciones climáticas adversas al monitorear constantemente la calidad del enlace para regular la potencia de transmisión del diodo láser con el control automático de ganancia incorporado.

Concepto

Para simplificar, decidí limitar el alcance a 10 MBit/s ethernet. Este antiguo estándar es tanto conceptual como eléctricamente (frecuencias más bajas) más simple que los estándares más modernos de 100 MBit/s o 1000 MBit/s. Después de un poco de investigación, noté que no es necesario que el transceptor entienda algo sobre Ethernet; es suficiente simplemente proporcionar canales ópticos de envío y recepción, y convertir la señal eléctrica a intensidad óptica y viceversa.

La idea ahora es simplemente construir dos placas idénticas con un conector Ethernet RJ45 en un lado y un transceptor óptico de envío/recepción en el otro. Cuando se apuntan entre sí, las placas median la señal de Ethernet de un conector RJ45 al otro.

Teoría de operación

Cada placa consta de un canal de transmisión, un canal de recepción y algunos meta componentes (fuente de alimentación, fusible, etc.).

Canal de transmisión

La tarea del canal de transmisión es tomar la señal de Ethernet eléctrica transmitida por la computadora A y convertirla en una señal óptica variando el brillo de un diodo láser. El esquema se muestra a continuación. La parte con el amplificador operacional es simplemente una fuente de corriente constante, que establece un “brillo de compensación” para el diodo láser. La señal de TX real se agrega a este brillo de compensación a través del acoplamiento de CA (C23, C7 realiza el acoplamiento, R24, R6 establece la amplitud óptica y L1 y L3 aíslan la señal de alta frecuencia de la corriente de compensación de CC).

La corriente de polarización se selecciona de tal manera que, en el estado BAJO, el diodo láser aún está en modo láser (“brillando intensamente”). Con una amplitud de modulación de aproximadamente 4 mA y un umbral de láser de aproximadamente 12 mA para este tipo de diodo, establezco la corriente de polarización a 19 mA ajustando el potenciómetro RV1.

Con esto, ahora tenemos un diodo láser que cambia su brillo en sincronía con la señal eléctrica del cable de par trenzado de Ethernet.

(Un LED blanco de bajo costo (GaN-fósforo) se puede modular normalmente hasta 20 MHz)

Canal Receptor

El canal de recepción es un poco más complejo. Su propósito es detectar la señal óptica generada por su placa hermana, convertirla de nuevo en una señal eléctrica y conducir esa señal eléctrica al par de cables de recepción (RX) del cable Ethernet conectado.

Comienza con un amplificador de transimpedancia, que convierte la fotocorriente de un fotodiodo de polarización inversa (SFH203P) en una señal de potencia, con una ganancia de 1 kOhm. Aquí se cumple la necesidad de fotodiodos rápidos y de buena sensibilidad. Hay proyectos que incluso emplean fotodiodos de avalancha, pero esto lleva mucho más control de la corriente.

La alta tensión de polarización del fotodiodo, alrededor de 35 V en la práctica, reduce la capacitancia intrínseca del fotodiodo y, a través de ella, le permite responder más rápidamente. Esta tensión de polarización es generada por un amplificador de CC incorporado (MIC2605).

Después de esta etapa, la señal sigue siendo bastante débil y ruidosa, como se puede ver a continuación:


Señal recibida tras el amplificador de transimpedancia.

Para convertir esto en algo que pueda ser accionado en el cable Ethernet, se usa un comparador (LT1713). Convenientemente, ya proporciona una salida invertida y no invertida, lo que facilita la conducción de un par de cables diferenciales. Desafortunadamente, no es compatible con la corriente de salida alta que necesitamos (diferencial de 5 V a 100 ohmios), por lo que se utiliza un amplificador operacional doble adicional como un búfer (MAX4392).

Después del comparador, la señal se ve mucho mejor:

El esquema completo para KiCad está disponible aquí.
https://tecn.cubava.cu/files/2019/06/laserTR-board.rar

Montaje

Armado con este esquema, diseñé una placa de circuito impreso con componentes SMD en KiCad y la envié para su fabricación. Además de los canales de transmisión y recepción y el amplificador de CC, contiene un regulador lineal de 5 V, un fusible y una toma de entrada de 9 V CC.

Estas son las placas ya fabricadas (anverso y reverso):

Con el soldador y un poco de ayuda de la confiable pistola de aire caliente 858D+ china, monté el primer tablero paso a paso, probando las piezas individualmente. Además de un agujero de perforación mal colocado de 200 µm y un perno de “cierre de salida” confuso con “habilitación de salida” en U3 (ambos errores se resolvieron fácilmente) todo salió bien y esta es la placa final:



Tablero ensamblado final. El LED verde indica la presencia del suministro de 5 V, el amarillo es para el suministro de 35 V del amplificador de CC. Las partes al lado de la gran tapa amarilla de tantalio son el diodo láser (con cable rojo y azul) y el fotodiodo.

El diodo láser se fija con una simple atadura de cables. Los tornillos tienen resortes debajo de ellos para permitir algunos ajustes.

Pregunta privilegiada: si miras el esquema, con C3 = 3.3 pF, U1 oscila en algo así como 500 MHz. ¿Por qué? Se suponía que C3 filtraba el bucle de retroalimentación y estabilizaba U1, no al revés … con C3 no conectado, funciona bien. Cualquier información bienvenida. Tenga en cuenta que U1 es un indicador de realimentación de corriente, es decir, la entrada inversora es de baja impedancia. (Actualización: explicación aquí: http://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/compensating-current-feedback-amplifiers.html )

El siguiente paso simple después del ensamblaje de una placa es colocar un espejo delante de ella y ver si la señal transmitida es la misma que la recibida. Y de hecho, después de algunos ajustes, esto funcionó y mi laptop se confundió al verse en un espejo:

e1000e: el enlace NIC eno1 está a 10 Mbps Full Duplex, Control de flujo: Rx / Tx
IPv6: eno1: dirección duplicada de IPv6 fe80 :: d6be: d9ff: fe85: 330a detectado!

¡Esto se ve genial! Así que seguí y construí una segunda placa.

Resultados

Monté las dos tablas en un trozo de madera y alineé los rayos láser (no es sencillo, incluso para esta pequeña distancia, desafortunadamente):

Prueba de la sección de transmisión vista desde el lateral. Esto es aproximadamente 10 cm de aire entre las tablas (cada tabla mide 5 cm por 5 cm).

Arranqué mi Raspberry Pi como segunda computadora y la conecté con un cable Ethernet a una de las tarjetas, y mi computadora portátil a la otra. Y sin problema establecieron una conexión de inmediato:

e1000e: el enlace NIC eno1 está a 10 Mbps Full Duplex, Control de flujo: Rx / Tx

Afortunadamente, esto funciona incluso con la autonegociación habilitada (donde las dos computadoras deciden la velocidad de los datos por sí mismas). Esto no es trivial, porque ambas partes en este caso piensan que admiten 100 MBit/s, pero en la práctica solo 10 MBit/s funcionan. Pero para esos dos dispositivos, después de algunos intentos fallidos de conexión con 100 Mbit / s, cambian a 10 MBit/s automáticamente (si este no fuera el caso, sería fácil forzar ambos dispositivos al modo de 10 Mbit/s manualmente) .

También puedo hacer ping desde mi laptop:

»Ping -i 0.025 192.168.1.52
PING 192.168.1.52 (192.168.1.52) 56 (84) bytes de datos.
64 bytes desde 192.168.1.52: icmp_seq = 1 ttl = 64 tiempo = 0.843 ms

La transferencia de archivos a través de ssh también funciona, con una velocidad de datos esperada de aproximadamente 1.1 MegaByte/s. Si los láseres están alineados correctamente, no parece haber pérdida de paquetes, como lo prueba ping -f:

1799339 paquetes transmitidos, 1799338 recibidos, 0% de pérdida de paquetes, tiempo 1465837ms
rtt min / avg / max / mdev = 0.597 / 0.753 / 11.748 / 0.049 ms, ipg / ewma 0.814 /

Una manera de aumentar la sensibilidad, corriente generada y área de contacto en la recepción, cunado se enlaza a mayores distancias, es emplear varios fotodiodos en un grupo.

Incluso, luego este grupo de fotodiodos pueden instalarse en un reflector, para mayor área de recepción y concentrar la energía luminosa.

Esto ayuda también con la dificultad de alineación. Sin embargo, una de las condiciones que afectan el alcance, convenientemente se convierte en una ayuda para la colimación. Los láseres baratos, como los de los punteros, su óptica es imperfecta y junto con las párticulas ambientales, hacen que el haz se disperse y su “huella” aumente en la distancia. Si bien esto reduce la potencia recibida por área, facilita apuntar el láser, luego el cluster de diodos mostrado anteriormente, se encarga de mejorar la corriente generada para la energía lumínica recibida.

Tomado de

Homemade 10 Mbit/s Laser / optical Ethernet transceiver


con partes adicionales de otras páginas y Wikipedia

Próximamente, otro proyecto empleando LEDs, 10Mbps y un alcance de 1.4KM. O Wifi a más de 100 KMs con solo 100mW de potencia (no EIRP)

***********************************************
traslado esto desde los comentarios

puedes probar, toma un pntero laser (tengo uno viejo por aqui que era para un llavero) y de noche apuntalo cada vez mas lejos que veas el punto, a ver hasta donde llega o al menos hasta donde lo ves
y esos punteros son de 5mW de potencia. yo que recuerde una vez alumbre con ese que tengo y veia la mancha (el haz se dispersa en la distancia) como de 10-20cm (estimo a ojo, obvio no podia ir y medir, jejej) en la pared de un edifico como a 250m

una cosa importante es que los laser en pulsante dan mas energia, los normalitos casi el doble. es decir un puntero laser en modo pulsos (muy cortos, algo asim como cuando se transmiten datos a 10Mbps, serian unos 10Mhz) puede dar casi el doble de energia que en modo energia continua fija

pero si te da la idea, puedes usar el laser de un lector de DVD viejo. pero cuidado si es de un grabador, es muuucho mas potente, y si no se usa el fotodiodo de control de potencia que tiene incorporado, literalmente escupe todo lo que da y QUEMA pero quema. ojo! el laser de los CD es infrarrojo, no se ve, el de los DVD es rojo, si se ve

todo lo que tiene que ver con lasers requiere cuidado y medidas de proteccion, PARA LA VISTA en primer lugar. los lasers estan clasificados segun niveles de peligrosidad, por longitud de onda y potencia
por ejemplo, los diodos laser de los grabadores de CD se clasifican como IIIb, PELIGROSO PARA LA VISTA, REQUERIDA PROTECCION si hay posibilidad de que pueda dar en los ojos la luz, pues entre otras coasa pueden meter 0.5w de potencia laser, es decir 100 veces mas potente que el de un punterito. si miras en la unidad de disco, debe tener una etiqueta que dice que dentro hay LASER RADIATION, AVOID EXPOSURE TO BEAM, CLASS 3B LASER PRODUCT

los punteros normales son clase 1M, LASER RADIATION, DO NOT VIEW DIRECTLY WITH OPTICAL INSTRUMENTS, CLASS 1M LASER PRODUCT

CD-RW burners. Lasers in these drives tend to have a pulse output of about 100 – 250mW and continuous power 50 – 125mW and work in the infrared range at a wavelength of 780nm. Average operating current is about 100 to 150 mA, pulse up to 200mA. I used a supply of 100mA
– In DVD-RW drives there are 2 burning laser diodes: red for burning of DVD and infrared for burning of CD.
– The DVD-ROM drives (reading only) can only offer you a weak red diode like 1mW. they are good only to produce pointers or very faint laser-light show. They won’t burn or cut anything.
– In the CD-RW / DVD-ROM combos (drive that burns CD and only reads DVD) you can find burning infrared diode and weak red diode (as in DVD-ROM)
– Finally, the diodes from CD-ROM readers are completely useless :).
Warning! Laser diodes from CD-RW emit invisible laser radiation and they are very dangerous! Their light can permanently damage the eyes. You must never look into the working diode even without the lens or point it on a reflective surface. Laser beam can cause burns or fire. This is usually a Class IIIb laser. Everything you do at your own risk!!.
According to Sony’s product brochure for one of their high-power red laser diodes, SLD1236VL, the diode’s output power (CW or continuous power) will be somewhere along this list:
x4 speed recoding – 100mW
x8 speed recording – 140mW
x12 speed recording – 200mW
x16 speed recording – 250mW
x16 Dual Layer speed recording – 300mW
x24 Dual Layer speed recording – 400mW

Comparar esto con un punterito de 5mW


14 commentarios

eMoCore · 5 junio, 2019 a las 11:07 pm

no se esfuercen por gusto en inventar mas cosas si al final todo no los tumban

edigc65 · 5 junio, 2019 a las 5:36 pm

Saludos hermano, muy bueno el artículo, pero no pude descargar los ficheros desde el vínculo, me dice que están corructos o con formato desconocido.

    Maikel · 5 junio, 2019 a las 6:40 pm

    verifica, que esta bien, es un comprimido RAR
    hay otro archivo enlazado en el texto, un pdf, con parte del esquema

sescobary · 5 junio, 2019 a las 12:05 pm

Amigo podrias mandarme los esquemáticos completos para poder montarlos al correo escobaryero@gmail.com , estoy interesado en mejorar la “última milla” de conexion de mi ethernet. Está muuy bueno el aporte!!!!

seitoshi · 5 junio, 2019 a las 10:32 am

los archivos q estan en el .rar cons q sofware se abren… para ver los diagramas…

AleWiccan · 5 junio, 2019 a las 10:25 am

Le falto hacer la prueba de cuanta distancia real puede alcanzar con estos lacers baratos…

    seitoshi · 5 junio, 2019 a las 10:50 am

    te aseguro q no ha de ser mucha, quizas utilizando unos LED de mayor potencia pero quizas q haya q modificar el cir por la parte de alimentacion de los LED

    Maikel · 5 junio, 2019 a las 11:13 am

    puedes probar, toma un pntero laser (tengo uno viejo por aqui que era para un llavero) y de noche apuntalo cada vez mas lejos que veas el punto, a ver hasta donde llega o al menos hasta donde lo ves
    y esos punteros son de 5mW de potencia. yo que recuerde una vez alumbre con ese que tengo y veia la mancha (el haz se dispersa en la distancia) como de 10-20cm (estimo a ojo, obvio no podia ir y medir, jejej) en la pared de un edifico como a 250m

    una cosa importante es que los laser en pulsante dan mas energia, los normalitos casi el doble. es decir un puntero laser en modo pulsos (muy cortos, algo asim como cuando se transmiten datos a 10Mbps, serian unos 10Mhz) puede dar casi el doble de energia que en modo energia continua fija

    pero si te da la idea, puedes usar el laser de un lector de DVD viejo. pero cuidado si es de un grabador, es muuucho mas potente, y si no se usa el fotodiodo de control de potencia que tiene incorporado, literalmente escupe todo lo que da y QUEMA pero quema. ojo! el laser de los CD es infrarrojo, no se ve, el de los DVD es rojo, si se ve

    todo lo que tiene que ver con lasers requiere cuidado y medidas de proteccion, PARA LA VISTA en primer lugar. los lasers estan clasificados segun niveles de peligrosidad, por longitud de onda y potencia
    por ejemplo, los diodos laser de los grabadores de CD se clasifican como IIIb, PELIGROSO PARA LA VISTA, REQUERIDA PROTECCION si hay posibilidad de que pueda dar en los ojos la luz, pues entre otras coasa pueden meter 0.5w de potencia laser, es decir 100 veces mas potente que el de un punterito. si miras en la unidad de disco, debe tener una etiqueta que dice que dentro hay LASER RADIATION, AVOID EXPOSURE TO BEAM, CLASS 3B LASER PRODUCT

    los punteros normales son clase 1M, LASER RADIATION, DO NOT VIEW DIRECTLY WITH OPTICAL INSTRUMENTS, CLASS 1M LASER PRODUCT

    CD-RW burners. Lasers in these drives tend to have a pulse output of about 100 – 250mW and continuous power 50 – 125mW and work in the infrared range at a wavelength of 780nm. Average operating current is about 100 to 150 mA, pulse up to 200mA. I used a supply of 100mA
    – In DVD-RW drives there are 2 burning laser diodes: red for burning of DVD and infrared for burning of CD.
    – The DVD-ROM drives (reading only) can only offer you a weak red diode like 1mW. they are good only to produce pointers or very faint laser-light show. They won’t burn or cut anything.
    – In the CD-RW / DVD-ROM combos (drive that burns CD and only reads DVD) you can find burning infrared diode and weak red diode (as in DVD-ROM)
    – Finally, the diodes from CD-ROM readers are completely useless :).
    Warning! Laser diodes from CD-RW emit invisible laser radiation and they are very dangerous! Their light can permanently damage the eyes. You must never look into the working diode even without the lens or point it on a reflective surface. Laser beam can cause burns or fire. This is usually a Class IIIb laser. Everything you do at your own risk.
    According to Sony’s product brochure for one of their high-power red laser diodes, SLD1236VL, the diode’s output power (CW or continuous power) will be somewhere along this list:
    x4 speed recoding – 100mW
    x8 speed recording – 140mW
    x12 speed recording – 200mW
    x16 speed recording – 250mW
    x16 Dual Layer speed recording – 300mW
    x24 Dual Layer speed recording – 400mW
    compara esto con un punterito de 5mW

    Maikel · 5 junio, 2019 a las 11:43 am

    vi en una web unos que hiceron un tranceptor laser, pero para puerto serie (USB-SERIE) con un microcontrolador Atmega. dicen que lo tenian funcionado a 350m en la univ donde pertenecian

    el proximo que pongo es uno de unos suizos que tenian por distintas ciudades, los hacian con los leds de los focos de los carros. los tenian funcionando entre 1 y 1.5km, a 10 Mbps

      NicanorFCB · 6 junio, 2019 a las 8:54 am

      vaya, parece que tendremos que navegar en esa direccion, jaja.
      ya aca anuncianron la muerte de la red a partir del dia 29.

Maikel · 4 junio, 2019 a las 5:10 pm

me huele que si alguien hace uno de estos, o similar (ya vi otro), y lo prueba y OK la cosa, y da una buena distancia, tendrá tremenda demanda, jajaja.
tendria que montar una industria….

    Jose · 5 junio, 2019 a las 10:39 am

    jajaja ya tenemos que olvidar la wifi por las nuevas regulaciones asi que lo que nos toca ahora son las redes por laser jajaja

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