tesis moises

7/26/2019 Tesis Moises

1/99

UNIV

FA

Un especrpi

TESIS

MEST

(ESPECIALIDAD

NG.

DR. RA LDR. A

RSIDAD AUTONOMA DE

SAN LUIS POTOS

ULTAD DE CIENCIAS

rmetro para la medicia de fotorreflectancia

UE PARA OBTENER EL TITULO DE

IA EN CIENCIAS APLICADAS

N INSTRUMENTACI N ELECTRO- PT

PRESENTA:

MOISS GARCA MARTNEZ

ASESORES:

DUARDO BALDERAS NAVARROFONSO LASTRAS MART NEZ

San Luis Potos, S. L. P., Ag

n

ICA)

sto de 2010


2/99

Agradecimientos

ii

AGRADECIMIENTOS

Esta Tesis, si bien ha requerido de un gran esfuerzo y mucha dedicacin, no

hubiese sido posible su finalizacin sin la ayuda y cooperacin desinteresadade todas y cada una de las personas que a continuacin citar y muchas de las

cuales han sido un soporte muy fuerte en momentos de angustia y

desesperacin.

Primero y antes que nada, dar gracias a Diospor estar conmigo en cada paso

que doy; por fortalecer mi corazn e iluminar mi mente y por haber puesto en

mi camino a aquellas personas que han sido un soporte y compaa durante

todo el periodo de estudio.

Agradecer hoy y siempre a mi familia porque, a pesar de no estar presentes

fsicamente, est claro que si no fuese por el esfuerzo realizado por ellos, mis

estudios no hubiesen sido posibles. A mis padres Rosalio y Mara Teresa, mis

hermanos Emmanuel y Abraham y mi hermana Diana Karen.

A mi asesor de tesis, Dr. Ral Balderas Navarro, por su colaboracin,

paciencia y apoyo brindado desde siempre y por ser una persona con la que

siempre puedo contar; al Dr. Gustavo Ramrez Flores por su paciencia,

consejos y sobre todo por las facilidades prestadas en la obtencin del material

del laboratorio; al Dr. Alfonso Lastras por facilitar los dispositivos y elhardware usados en este trabajo y un reconocimiento por haber promovido el

rea de super-cmputo en el Instituto.


3/99

Agradecimientos

iii

Un agradecimiento especial a mis compaeros, Miguel Lastras Montao y

Alan Sustaita quienes dieron un aporte especial a esta tesis con sus consejos,

conocimientos y sobre todo su colaboracin, ya que sin ella parte de este

trabajo no hubiese podido ser concretado.

Tambin quiero agradecer a mis compaeros Ricardo Eliu Lozoya, Luis Javier

Ontan y Gerardo Mndez, por todo el nimo, toda la paciencia, por confiar

y creer en m, por ser como mis hermanos y sobre todo por su valiosa amistad

a lo largo de todos estos aos.

De igual manera a Diana Almaguer mi ms sincero agradecimiento porque en

su compaa las cosas malas se convierten en buenas, la tristeza se transforma

en alegra adems de haber demostrado ser una gran persona y sobre todo una

gran amiga con la que se que podre contar siempre. A mi gran amigo Omar

Aguilera por el apoyo y la confianza brindados desde siempre, adems de ser

mi compaero inseparable de aventuras extremas.

En general, quisiera agradecer a todas y cada una de las personas que han

vivido conmigo la realizacin de esta tesis, con sus altos y bajos y que no

necesito nombrar porque tanto ellas como yo sabemos que desde los ms

profundo de mi corazn les agradezco el haberme brindado todo el apoyo,

colaboracin, nimo y sobre todo cario y amistad.


4/99

Resumen

iv

Resumen

Se reporta el desarrollo de la fotorreflectancia (FR) basada en la operacin de

un espectrmetro en escalas de segundos dentro un rango de longitudes de

onda entre 400 nm a 1100 nm. Adicionalmente, debido a que se requiere el

manejo de un gran nmero de espectros medidos (decenas de miles) en

tiempos cortos, el uso de una computadora personal limita el tiempo de

procesado de stos y lo hace imprctico. En relacin a esto ltimo, una

particularidad de este trabajo es que se introduce el uso de sper cmputo en

paralelo, el cual ha tenido un avance significativo en los ltimos aos y escapaz de procesar enormes cantidades de informacin en tiempos

extremadamente cortos (unos cuantos milisegundos en sta ampliacin de

FR). El sper computo se realiza a travs de una GPU (Graphics Processor

Unit) que es una tarjeta de video y tiene como principal ventaja el uso de

pequeos procesadores en paralelo y, gracias a esto, algunas aplicaciones que

son cclicas pueden ejecutarse en poco tiempo; en nuestro caso operaciones

matemticas bsicas.

Se prueba la funcionalidad de este sistema con espectros de GaAs y una

estructura de Al0.30Ga0.0.7As/GaAs/In0.15Ga0.85As/GaAs/Al0.3Ga0.7As, en las

regiones de E1y E1+1y E0. Se comparan stos con mediciones realizadas con

el arreglo de FR convencional usando un amplificador Lock-in.


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ndice General

v

ndice General

Agradecimientos ii

Resumen ivndice v

CAPITULO UNO

1. Introduccin 1

CAPITULO DOS

2. Principios de la Fotorreflectancia 5

2.1. Descripcin detallada de la tcnica 7

2.2. Anlisis de la tcnica 9

2.3. Caractersticas y fuentes de ruido 10

CAPITULO TRES

3. Descripcin del montaje ptico 12

3.1. Elementos usados en la construccin del sistema 12

3.1.1. Laser 12

3.1.2. Chopper 12

3.1.3. Lmpara 14

3.1.4. Espectrmetro 173.1.5. BreakOut Box 19

3.2. Diseo y construccin del sistema 21

3.2.1. Construccin de la parte ptica 22

3.2.2. Diseo de la parte electrnica 24


6/99

ndice General

vi

CAPITULO CUATRO

4. Desarrollo de software 27

4.1. Interface para el usuario 27

4.1.1. Configuracin 284.1.2. Estado del software 29

4.1.3. Resultados 30

4.2. Desarrollo del cdigo 31

4.2.1. Inicializacin 32

4.2.2. Adquisicin 34

4.2.3. Procesado 36

4.2.4. Filtrado 38

4.2.5. Almacenamiento 40

CAPITULO CINCO

5. Anlisis de Resultados 41

5.1. Calibracin 41

5.2. Medicin del semiconductor GaAs 42

5.3. Medicin del semiconductor GaAsAl 45

CAPITULO SEIS

6. Conclusiones 47

Apndice A. Libreras para el espectrofotmetro HR4000A.1. Desarrollo de drivers 50

A.2. Desarrollo de libreras 52

A.2.1. Lectura y escritura 52


7/99

ndice General

vii

A.2.2. Set de instrucciones 53

A.3. Libreras extras 76

A.4. Diagrama general de subrutinas 80

Apndice B. Libreras de CUDA

B.1. Tarjeta de grficos (GPU) 82

B.2. Desarrollo de programacin 83

Referencias y Bibliografa 90


8/99

Introduccin

1

Capitulo Uno.

Introduccin.

En los ltimos aos ha sido enorme el avance tecnolgico en los

dispositivos y sistemas que conforman las computadoras, cmaras fotogrficas

y de video, telfonos celulares, lseres, sensores, etc., y un sinfn de elementos

relacionados con los que son fabricados. Dicho avance en los dispositivos

semiconductores radica en la exigencia de una mayor rapidez en elprocesamiento de datos, lo que est ntimamente relacionado con la

miniaturizacin de los componentes y su calidad estructural y es por esta

razn ha aumentado en forma radical la investigacin cientfica para contar

con tecnologa de sistemas electrnicos y opto-electrnicos integrados.1

Para crear dispositivos opto-microelectrnicos que sean confiables es

necesario que posean propiedades fsicas y qumicas deseables y que cumplan

con una calidad estricta, hasta el punto de demandar un control durante el

momento mismo de los procesos cruciales de fabricacin; es decir, in-situy en

tiempo real. Esto se ha llevado a cabo utilizando sondas electrnicas y

fotnicas.2 En el caso de stas ltimas, no se requiere un ambiente especial y

operan bajo casi cualquier condicin ya que usan como agente sensor un haz

de luz (usualmente proveniente de lmparas intensas o lseres).

En el caso de dispositivos semiconductores, una propiedad importante

es su campo elctrico superficial o interfacial, el cual modifica la respuesta

ptica de stos y a su vez provee informacin cuantitativa de los niveles de


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Introduccin

2

impurificacin de la estructura, entre otras propiedades. Para tal fin, las

espectroscopias pticas han sido las herramientas de preferencia en ambientes

industriales por ser no invasivas.2Por otro lado, dichas espectroscopias, para

ser operativas en un ambiente industrial y diagnstico en lnea, se requierenque sean funcionales en tiempo real, con una respuesta en el rango de

segundos y que provean resolucin espectral suficiente para su correcta

interpretacin y utilidad en la mejora de dispositivos va un sistema de control

retroalimentado.2

En esta Tesis nos enfocaremos en el desarrollo de la fotorreflectancia

(FR) ya que es una tcnica fotnica no destructiva y que es ampliamente

usada para el estudio de estructuras semiconductoras3,4,5. La particularidad de

la contribucin de ste trabajo de Tesis radica en que la operacin del

espectrmetro en la adquisicin de espectros de FR es en tiempos cortos, en

escalas de algunos segundos en un rango de longitudes de onda entre 400 nm a

1100 nm. Adicionalmente, debido a que se requiere el manejo de un gran

nmero de espectros (decenas de miles) en tiempos cortos, el uso de una

computadora personal limita el tiempo de procesado de stos y lo hace

imprctico. En relacin a esto ltimo, otra particularidad de este trabajo es que

se introduce el uso de sper cmputo en paralelo el cual ha tenido un avance

significativo en los ltimos aos y es capaz de procesar enormes cantidades de

informacin en tiempos extremadamente cortos.6,7,8 El sper computo se

realiza a travs de una GPU (Graphics Processor Unit) que es una tarjeta devideo y tiene como principal ventaja el uso de pequeos procesadores en

paralelo y gracias a esto, algunas aplicaciones que son cclicas pueden

ejecutarse en poco tiempo (en nuestro caso operaciones matemticas). En esta

tesis utilizamos la tarjeta GTX 280 de la compaa Nvidia.9 Es justo


10/99

Introduccin

3

mencionar que existe un compromiso con respecto al tiempo de medicin y

ruido. Tradicionalmente, en la mayora de las tcnicas de espectroscopia se

utilizan amplificadores Lock-In que toman alrededor de minutos para tomar

una medicin que est libre de ruido. El inters de este trabajo es poder tenermediciones en tiempos cortos y que contengan la menor cantidad de ruido.

Para poder realizar este trabajo se diseo e implemento un software en

la plataforma LabView de National Instruments ya que permite realizar mono

tareas y multitareas en tiempo real y as usar de forma eficiente la CPU y la

GPU. Es importante mencionar que la parte de sper computo se realiz en

lenguaje CUDA el cual fue desarrollado por Nvidia especialmente para sus

tarjetas graficas y una vez programada se llama por medio de una librera dlla

Labview.

Esta Tesis se organiza como sigue.

En el Captulo Dos se explicar con cierto detalle la tcnica de FR, as

como la base terica en la que se sustenta el montaje ptico requerido.

En el Tercer Captulo trata de la implementacin y desarrollo del

montaje ptico y los elementos que fueron requeridos. Un elemento esencial

en esta tesis es el espectrmetro comercial HR4000de Ocean Optics,con el

cual se puede realizar un barrido de intensidad en funcin de la longitud deonda en tiempo real utilizando un dispositivo CCD con 3648 pixeles. Para

poder manejar y manipular este espectrmetro se realizaron libreras de

control las cuales se detallan en el Apndice A.


11/99

Introduccin

4

En el Captulo Cuatro se aborda el desarrollo correspondiente al

software que controla tanto al montaje ptico como al sper cmputo,

haciendo uso de las libreras mostradas en el apndice A. En el Apndice B se

muestra a fondo la parte de sper cmputo realizada en CUDA. Por ltimomostraremos los resultados obtenidos de algunas muestras y se har una

comparativa con los resultados que existen en la literatura. Por lo que este

trabajo propone un prototipo para estudios cientficos y dinmicos en tiempo

real usando la tcnica de FR.

Finalmente, se dan listan las conclusiones obtenidas en este trabajo y se

discuten propuestas para mejora en trabajos futuros.


12/99

Principios de la Fotorreflectancia

5

Capitulo Dos.

Principios de la Fotorreflectancia.

Explicar y predecir las propiedades generales de los slidos a partir de

los tomos constituyentes es uno de los principales objetivos de la fsica del

estado slido y en general de la materia condensada. La implementacin y

avance de la instrumentacin electro-ptica ha sido una forma tradicional de

observar y estudiar las propiedades pticas y electrnicas de los

semiconductores y metales.4 Entre las principales maneras para caracterizar

experimentalmente los sistemas semiconductores pticamente, estn las

mediciones de transmisin y de absorcin que presentan dificultades

inherentes debidas la poca resolucin en energa en sus espectros. Por esta

razn se requiere de pelculas delgadas sobre sustratos. Por otra parte, las

mediciones de reflectividad son relativamente sencillas ya que en principio

solo exigen una fuente de luz, un monocromador y un detector, pero esto no es

suficiente para alterar el campo elctrico superficial de la muestra de manera

controlada; por esta razn se han desarrollado tcnicas de reflectividad

modulada como lo es la fotoreflectancia (FR) y electrorreflectancia (ER),

entre otras.4

La espectroscopia de (FR) es una forma de electromodulacin que norequiere contactos elctricos, a diferencia de la ER, la cual s necesita de dos

contactos en la muestra para pode modular el campo elctrico superficial.3,4,5

Dichas espectroscopias de electromodulacin presentan excelente sensibilidad

y son muy utilizadas para el estudio fundamental de transiciones pticas


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6

asociadas a estructuras electrnicas de estructuras semiconductoras. El mtodo

convencional de la FR consiste esencialmente en iluminar peridicamente la

superficie de la estructura con un haz monocromtico (usualmente un lser y

que se denota como el haz de bombeo) y, mediante tcnicas de amplificacinsensibles a la fase, se miden los cambios asociados a la modulacin de la

reflectividad.3 Dicho haz de bombeo debe tener una energa fotnica ms

grande que la mayor brecha energtica de la estructura a estudiar para as

poder modular los campos elctricos asociados a sta. Estos cambios por lo

general se analizan en funcin de un haz de prueba en un rango espectral de

energa del fotn. Para la mayora de los semiconductores estudiados, este

rango se encuentra entre el infrarrojo mediano hasta el ultravioleta cercano.

Esta forma de FR es la tradicional y toma alrededor de varios minutos para

poder obtener un espectro de calidad. Sin embargo, su uso est limitado a

investigacin bsica para la determinacin de parmetros fsicos3y en el caso

industrial, no se aplica para diagnostico en lnea en tiempo real.

Un mtodo alternativo, y que es el que se presenta en este trabajo, es

usar luz blanca como haz de prueba. El haz de bombeo es el mismo que el

usado en el arreglo convencional de FR. En la configuracin de ste trabajo de

Tesis se ilumina la superficie con luz proveniente de una lmpara sin ser

dispersada antes por un monocromador. Se usa una lmpara de xenn o

deuterio, para el caso de regiones en el visible-ultravioleta; y de tungsteno,

para regiones espectrales en el cercano infrarrojo. La luz blanca que se reflejapor la muestra se dispersa entonces con un espectrgrafo multicanal para su

posterior procesamiento en tiempo real.


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7

2.1. Descripcin detallada de la tcnica.

La FR es una tcnica muy poderosa para semiconductores ya que se

puede obtener informacin precisa de los niveles de energa en los puntoscrticos del semiconductor, por la razn de ser una espectroscopia asociada a

derivadas de la funcin dielctrica.3 Como habamos mencionado antes, se

requiere una fuente de luz que modificara el campo elctrico superficial de la

muestra, en este caso esta fuente de luz es un laser rojo (633nm) y es

modulada por medio de un recortador mecnico (chopper) a una frecuencia de

10 Hz para poder medir los cambios que sufre la muestra en su espectro de

reflectividad. De manera simultnea, la muestra es a su vez tambin iluminada

con luz blanca de tungsteno y con ayuda de un espectrmetro comercial, la luz

incidente es dispersada en su correspondiente espectro y as podemos observar

los cambios que sufre la muestra en funcin de la longitud de onda, o energa

del fotn, 1239.4/. Ms adelante explicaremos a detalle elfuncionamiento del espectrofotmetro HR4000 as como sus caractersticas

prcticas. La FR, adems de ser no destructiva, no requiere de contactos

elctricos ni componentes adicionales y se puede realizar a temperaturas bajas

o altas; razn por la cual se dice que puede ser una tcnica in situ. El

mecanismo fsico de la FR en superficies simples se describe a continuacin.

La FR es la modulacin del campo elctrico superficial o en la interfaz

por generacin de pares electrn-hueco.3

Cuando un semiconductor esexpuesto a condiciones ambientales, su superficie es atacada por el aire

formndose una capa de xidos, generando un conjunto complejo de estados

electrnicos localizados, o trampas superficiales, creando as una regin de

carga espacial responsable de la existencia de un campo elctrico intrnseco y


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8

estados dentro de la brecha prohibida, similar a como lo hacen las impurezas,

pero localizados espacialmente en la superficie generando as una densidad de

estados superficiales que son ocupados por electrones del interior del cristal.

Debido a la presencia de electrones en los estados superficiales se crea unabarrera de potencial para los otros electrones que llegan a la superficie,

haciendo que las bandas de conduccin y de valencia se curven cerca de la

superficie. La presencia de una alta densidad de estados superficiales hace que

se modifique el nivel de Fermi para mantenerlo constante en la interface

semiconductoraire, acercndolo a energas mayores (para tipo n) y a energas

menores (tipo p).

En FR se emplea un lser interrumpido mecnicamente como fuente de

modulacin de tal manera que cuando el obturador se interpone, es decir

cuando el lser no est incidiendo sobre la muestra, las bandas energticas

estn curvadas por la ocupacin de los estados superficiales que estn por

encima del nivel de Fermi. As, cuando el lser incide sobre la muestra con

energas mayores a la banda prohibida, se crean pares electrn-hueco

fotogenerados (Ver Fig. 2.1), que son separados por el campo elctrico interno

generado en la superficie; es decir, electrones de la banda de valencia se

excitan a la banda de conduccin y se difunden dentro del material. Los

huecos que quedan en la banda de conduccin neutralizan electrones de la

superficie haciendo que la barrera de potencial disminuya, tratando de aplanar

las bandas energticas en la regin de carga espacial, lo cual induce un cambioen la reflectividad.


16/99


9

Figura 2.1.Representacin esquemtica del efecto de la FR. Cambios foto-inducidos en lasbandas de energa en superficie para un semiconductor tipo n.

2.2. Obtencin de espectros de FR.

Al ser la FR una tcnica modulada tendremos esencialmente 2 seales

en el haz de prueba: una asociada cuando el laser est incidiendo sobre la

muestra (Rprendido) y otra cuando el lser no ndice sobre sta (Rapagado). La

diferencia de los 2 espectros es proporcional a los cambios de reflectancia,3,4,5

. (1)

La seal de foto-reflectancia se puede obtener tomando la Ec. 1 y

dividiendo entre el promedio de R,

. (2)

Para minimizar el ruido que se produce por ser adquiridas en tiempos

cortos, se puede tomar N mediciones y promediarlas; por lo que se tendra:

. (3)


17/99


10

. (4)

Combinando las ecuaciones 3 y 4 dentro de la ecuacin 2 tenemos

. (5)

2.3Caractersticas y fuentes de ruido.

En los espectrmetros que utilizan CCDs como elemento detector, el

ruido total est dado por:10,11 , en donde es elruido inducido por el efecto del barrido (lectura) de los pixeles asociados al

CCD; es el ruido negro (dark noise) y que est relacionado con laacumulacin de carga (electrones) parsita en los pixeles de los CCD y esel ruido estadstico asociado a los fotoelectrones (ruido 1/f). ydependen del instrumento y la electrnica asociada a ste, mientras que es independiente y est presente en todo instrumental que utilice luz y no se

puede eliminar y se debe a fluctuaciones estadsticas inherentes a la naturalezade la carga del electrn. En la Figura 2.2, se muestra el ruido asociado a la

lectura del los pixeles con una constante de tiempo tpica de 6 mili segundos.

La entrada del monocromador fue bloqueada.


18/99


11

200 400 600 800 1000

490

500

510

520

530

540

550

560

570

Intensidad(cuen

tas)

long de onda (nm)

ruido NR

Figura 2.2.Ruido asociado a la lectura de un espectro sin luz, tiempo de integracin 6 milisegundos.

Los ruidos NR y ND dependen de la intensidad de luz que entra al

sistema as como del tiempo de integracin. Existe un compromiso entre stas

situaciones. En el presente trabajo no se realiz en detalle un estudio para

optimizar los tiempos de integracin y la intensidad de luz entrante al

monocromador. Esto se debe de realizar a detalle en un trabajo a futuro. En

cada situacin experimental se especifican los tiempos de integracin

utilizados en cada situacin.


19/99

Descripcin del Montaje ptico

12

Capitulo Tres.

Descripcin del Montaje ptico.

3.1. Elementos usados en la construccin del sistema.

Antes de mostrar el montaje ptico que utilizamos en este trabajo

presentaremos las partes y los dispositivos que lo componen incluyendo sus

caractersticas ms relevantes a la tcnica de FR.

3.1.1. Laser.

Para realizar la excitacin de foto-portadores en la muestra se utiliz un

laser como haz de bombeo de la compaa JDS Uniphase modelo 1144P,

como. Su potencia media es de 35mW, a una de longitud de onda de 633 nm.

(Ver. Fig. 3.1 y Fig. 3.2).

Figura 3.1.Laser de la compaa JDS Uniphase usado como haz de bombeo.

3.1.2. Recortador de haz de bombeo (chopper).

Hay que recordar que la FR es una tcnica modulada por lo que es

necesario bloquear y permitir el paso del laser a cierta frecuencia. Por tal

razn se hace uso del chopper de la compaa Stanford Research Systems


20/99


13

Figura 3.2. Espectro del Laser.

modelo SR540 que cuenta con 6 aspas exteriores y 5 interiores. En este trabajo

se utilizaron las aspas exteriores. El chopper se puede observar en la figura

3.3.

Figura 3.3.Recortador mecnico utilizado para modular el Laser.

Este dispositivo tiene una frecuencia mxima de 4KHz y cuenta con 2

salidas digitales a 5 Volts. Una de estas salidas muestra la frecuencia de corte

del chopper y es la que usaremos para sincronizar el estado del dispositivo con

200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

Espectro del Laser

Longitud de Onda

Intensidad


21/99


14

la computadora personal, mientras que la otra salida muestra la frecuencia

multiplicada por 5.

3.1.3. Lmpara (haz de prueba).Para detectar los cambios en la muestra es necesario iluminarla con luz

blanca, para tener una gama ms amplia de resultados se utilizaron 4 tipos

diferentes de emisiones las cuales se describen a continuacin.

a) Lmpara de Tungsteno.

Figura 3.4.Lmpara de Tungsteno con salida de fibra ptica (conector SMA).

Esta lmpara pertenece a la compaa StellarNet y el modelo

correspondiente es Sl-1. En la Fig. 3.4 se aprecia una imagen de la lmpara y

en la Fig. 3.5 se muestra su espectro de emisin.


22/99


15

Figura 3.5. Emisin de la lmpara de tungsteno.

b) Lmpara de Halgeno y Deuterio.

Figura 3.6.Lmpara de Halgeno y Deuterio.

Esta fuente de luz tiene como principal caracterstica la posibilidad de

emitir luz de Halgeno y de Deuterio ya sea independiente o simultneamente.

Dicha lmpara es de la Ca. Avantes y el modelo es Avalight-DHS. La Fig. 3.6

200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

Espectro de lampara de Tungsteno

Longitud de onda (nm)

Intensidad


23/99


16

muestra una imagen de la lmpara, y en las siguientes figuras se muestra su

espectro de emisin.

Figura 3.7. Emisin de la lmpara de Halgeno.

Figura 3.8. Emisin de la lmpara de Deuterio.

0 200 400 600 800 1000 1200500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000Espectro de lampara de halogeno

Longitud de onda

Intensidad

200 300 400 500 600 700 800 900 1000 11000

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

Espectro de lampara de Deuterio


Intensidad


24/99


17

Figura 3.9. Emisin de las lmparas de Halgeno y Deuterio.

3.1.4. Espectrofotmetro.

Figura 3.10. Espectrmetro HR4000 de Ocean Optics

El espectrmetro HR4000 de la Ca. Ocean Optics es un

espectrofotmetro que tiene integrado un detector multicanal de tiempo real

con el cual se pueden determinar los rangos de emisin de cualquier fuente de

irradiacin. Entre sus principales aplicaciones se encuentran la caracterizacin

200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

Espectro de lampara de Halogeno-Deuterio

Intensidad



25/99


18

de lseres as como mediciones de absorcin en gases. Cuenta con un arreglo

lineal de 3648 CCDs y su respuesta espectral va desde los 196 nm hasta 1118

nm. En la Fig. 3.10. se muestra una imagen del espectrmetro. Para

comprender mejor su funcionamiento en la Fig. 3.11. se muestra su diagramainterno.

Figura 3.11. Funcionamiento interno del espectrmetro HR4000. (1,2,3) entrada deconector SMA para fibra ptica. (4,6) son espejos y (5) es la rejilla de difraccin. (7-10) es

el chip detector CCD con la correspondiente electrnica e interface USB para lacomputadora.

Se puede observar que incide luz blanca (proveniente y reflejada por la

muestra) y por medio de una rejilla de difraccin interna, se obtiene el

espectro en todas sus componentes (luz monocromtica) la cual es dirigida

hacia el arreglo de CCDs y posteriormente digitalizada por medio del

convertidor A/D de 14 bits de resolucin y finalmente se enva por el puerto

deseado. El espectrmetro cuenta con un puerto USB que permite

comunicacin en USB 1.1 y USB 2.0, adems de contar con un puerto

expandible de 30 pines en el cual se puede conectar un dispositivo de


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19

complemento del cual haremos uso y explicaremos a detalle ms adelante. En

la Tabla 3.1. se muestran las principales caractersticas del HR4000.

Caracterstica Especificacin

Frecuencia de muestreo 1 MHzConvertidor A/D 14 Bits

Tiempos de Integracin 3.4 ms a 10 s

Interface USB 1.1, USB 2.0

Resolucin ptica 0.03 nm 1.0 nm

Puerto de expansin 30 Bits

Alimentacin 5 VoltsTabla 3.1. Principales caractersticas del HR4000.

3.1.5. El BreakOut Box.

Figura 3.12.BreakOut Box.

Una parte crucial en este montaje es la sincronizacin entre el chopper y

la computadora, ya que al ser una tcnica modulada, necesitamos un

dispositivo que se haga cargo del proceso de sincronizacin; por esta razn

hacemos uso del BreakOut Box el cual se conecta al puerto expandible del

espectrmetro y con esto tenemos ms puertos de entrada/salida disponibles.


27/99

En la Fig. 3.12. se muestr

muestran las principales c

Caracterst

Puertos DigCanales An

Interface

Puerto GPI

Trigger Ext

Alimentaci

Voltaje de pTabla 3.2. P

Figura

El puerto de entra

localiza por dentro del

ubicacin, el cual tiene s

del chopper est regulada

se utiliza el regulador de

Fig. 3.14 se muestra una i

Descripcin del Mon

a una imagen del BreakOut Box y en la

aractersticas del mismo.

ca Especificacin

tales E/S 6lgicos E/S 2

SPI, I2C, RS-232

10 Bits

rno Disponible

n 5 Volts

uertos Digitales 3.3 Voltsrincipales caractersticas del BreakOut Box.

3.13. Puerto GPIO del BreakOut Box.

da que usamos en este trabajo es el

BreakOut Box. En la Fig. 3.13. se

porte para 3.3 Volts hay que recordar

a 5 Volts, por lo que para lograr acopla

voltaje MCP1700 de la compaa Micr

magen del regulador.

taje ptico

20

abla 3.2. se

PIO que se

muestra su

ue la salida

r las seales

Chip. En la


28/99

Fig

Una vez que la seal del

sta al puerto GPIO y e

medio de software. En la

Figura

3.2. Diseo y construcci

El arreglo ptico q

es relativamente sencillo

Un diagrama general se

Para dar una mejor

en la primera parte exp

pticos y mostraremos

mostraremos la instrume

Descripcin del Mon

ra 3.14.Regulador de 3.3 Volts MCP1700.

chopper pasa a travs del MCP1700 se

ste poder sincronizar la adquisicin

ig. 3.15. se muestra la seal regulada.

3.15. Seal del chopper regulada a 3.3 Volts.

n del sistema.

e se utilizo en el desarrollo de este trab

ya que no requiere un gran nmero de c

uestra en la Fig. 3.16.

explicacin del montaje se ha dividido

icaremos la disposicin fsica de los i

imgenes del sistema. En la se

tacin electrnica, los dispositivos usad

taje ptico

21

puede enva

e datos por

jo de Tesis,

mponentes.

en 2 partes:

nstrumentos

unda parte

s y la forma


29/99


22

en que estn interconectados para ser capaces de censar y sincronizar el estado

del chopper con la PC.

Figura 3.16.Diagrama general del arreglo ptico para la fotorreflectancia rpida.

3.2.1. Construccin de la etapa ptica.

De la figura anterior se puede observar que la muestra es iluminada con

luz blanca de Tungsteno/Halgeno/Deuterio. Dicha luz es guiada por mediode fibra ptica y con la ayuda de una lente convergente es enfocada hasta la

muestra. En la Fig. 3.17. se muestra este paso. Posteriormente la luz que es

refleja por la muestra es nuevamente enfocada y guiada por una segunda fibra

ptica hasta la entrada del espectrmetro HR4000. En la Fig. 3.18. se puede

observar este procedimiento.


30/99

Figura 3.17. (1)La luz inci

Figura 3.18. (1)La luz refleja

por

Por otra parte tene

producir los cambios enbombeo es modulado a u

Fig. 3.19. se puede apre

mencionar que para cens

3

Descripcin del Mon

ente es guiada por medio de fibra ptica y(2) e

una lente, (3) hasta la muestra.

da por la muestra, (2) es enfocada por una lent

ibra ptica hasta el espectrmetro.

os el bombeo que es realizado con el l

el campo elctrico superficial de la m a frecuencia de 10 Hz por medio del ch

ciar el funcionamiento del chopper. E

r los cambios en el campo elctrico sup

taje ptico

23

nfocada por

e y (3) guiada

aser, el cual

estra; dichoopper. En la

importante

erficial de la


31/99


24

muestra, el tamao de la luz blanca (spot) tambin debe coincidir con el

tamao del spot del laser y en la misma posicin.

Figura 3.19. A) Chopper bloqueando el paso del laser B) Chopper sin bloquear el paso dellaser.

3.2.2. Diseo e implementacin de la parte electrnica.

El dispositivo principal de esta parte es el espectrmetro ya que se

encarga de separar la luz que incide sobre su arreglo lineal de CCDs y, una

vez que digitaliza la informacin, ste la organiza y la enva a la computadora

en turno. Adems ste debe enviar informacin acerca del estado del chopper,la cual proviene del BreakOut Box. En la Fig. 3.20. se observa cmo estn

comunicados estos 2 dispositivos.

El estado del chopper viene desde del control de frecuencia el cual,

antes de ser enviado al BreakOut Box, debe pasar por una etapa de control en

donde se regula su nivel de voltaje de 0-5Volts a 0-3.3Volts. Esta etapa se

puede observar en las Fig. 3.21a, mientras que en la Fig. 3.21b se muestra

completa la parte electrnica del sistema.


32/99


25

Figura 3.20. Conexin entre el BreakOut Box y el espectrmetro.

Figura 3.21. A) Etapa para regular voltaje, B) Sistema electrnico.

Antes de finalizar con este Captulo, mostramos en la Fig. 3.22 una

imagen en donde se aprecian las 2 partes del montaje, la parte ptica y la parte

electrnica.


33/99


26

Figura 3.22.Montaje completo del sistema.


34/99

Desarrollo del Software

27

Captulo Cuatro.

Desarrollo del Software.

Este Captulo tiene como objetivo describir el desarrollo del software

del sistema para el espectrmetro de FR rpida. Para tal fin, se muestra su

funcionamiento y su estructura por medio de diagramas de flujo. Una parte del

software fue desarrollado en la plataforma LabView versin 8.6 de National

Instruments, la cual es una herramienta muy potente y fcil de usar ya que esun lenguaje de programacin grfico (lenguaje G). Por otro lado tenemos la

parte de sper cmputo en paralelo, la cual se desarroll por medio de CUDA,

que es una arquitectura de clculo en paralelo desarrollado por NVidia. Esta

arquitectura aprovecha el potencial de la GPU (Unidad de Procesamiento

Grafico) y permite realizar operaciones matemticas extremadamente masivas

en poco tiempo (rdenes de milisegundos).6-9Por lo tanto este software hace

uso de la CPU y de la GPU logrando un flujo de informacin en tiempo real.

La explicacin del software se divide en 2 bloques, en el primer bloque se

habla acerca del despliegue de la informacin y en el segundo bloque se

detalla el cdigo fuente.

4.1. Interface para el usuario.

El programa est dividido en tres campos principales, los cuales son:

Configuracin

Estado del software

Resultados


35/99


28

4.1.1. Configuracin.

En esta pestaa se le permite al usuario configurar algunos parmetros

que son necesarios antes de comenzar la adquisicin de datos. En dicha

pestaa se solicita informacin acerca del espectrmetro: se selecciona elpuerto en el que se encuentra el espectrmetro, as como el tiempo de

integracin deseado que por default es de 6 mili segundos; adems de esto, se

puede especificar la regin espectral en nanmetros en la que se desea estudiar

la muestra, la cual depende del espectrmetro y en este caso puede ser de 196

nanmetros hasta 1118 nanmetros. En la ltima subdivisin se pide

informacin acerca del almacenamiento que, por default, todas las mediciones

que se realicen sern guardadas en el directorio C:\Mediciones\ con el nombre

especificado. Por ejemplo, una medicin seria C: \Mediciones\AsGa.txt. Las

mediciones se almacenan en archivos de texto para que puedan abrirse de

forma universal con programas comerciales como Origin, Excel, Block de

notas (notepad), etc.

Si se desea realizar varias mediciones, el programa es capaz de hacerlo

de forma automtica; por ejemplo, si la medicin tiene por nombre AsGa y

se requieren 10 mediciones, automticamente se agregara AsGa_1 a la

primera medicin y AsGa_10 a la ltima medicin. Es importante sealar que

cada medicin es un promedio de varias adquisiciones. Esta pestaa de

configuracin se puede ver en la Fig. 4.1.


36/99


29

Figura 4.1. Pestaa de Configuracin.

4.1.2. Estado del Software.

En esta pestaa, como su nombre lo indica, se puede conocer el estado

de algunas variables del programa mientras ste se est ejecutando. La primera

variable que se puede observar es un led,el cual indica el estado del chopper ysaber si est bloqueando el paso del laser o s lo deja pasar. Las siguientes

variables que se pueden visualizar muestran el numero de adquisiciones que se

han ledo en una medicin con el laser bloqueado y con el laser sin bloquear;

un ejemplo seria si realizamos 500 adquisiciones estos contadores deberan

mostrar cada uno el valor de 250. La ltima variable que se visualiza muestra

el nmero de medicin actual en la que se encuentra el programa. En la Fig.4.2. se muestra esta pestaa.


37/99


30

Figura 4.2. Pestaa de estado del software.

4.1.3. Resultados.

La ltima pestaa con la que cuenta el programa es la de resultados.

Esta contiene 2 grficas en las que se despliegan la seal de FR que es tratada

por medio de filtros digitales. En la primera grfica se muestra el caso en elque la seal es tratada con un filtro de tipo exponencial y en la segunda grafica

es tratada con un filtro de tipo gaussiano triangular. Adems, en esta pestaa

se muestra el tiempo requerido por la GPU para realizar el procesamiento de

FR y por lo tanto en este tiempo no se incluye el procesado de los filtros, ya

que este es realizado por la CPU. Otro punto muy importante es poder

diferenciar el tiempo de procesamiento al tiempo de adquisicin: el tiempo deprocesamiento de la GPU es en promedio de 30 milisegundos, mientras que el

tiempo de adquisicin depende del nmero de adquisiciones que se deseen. En

la Fig. 4.3. se muestra una imagen de esta pestaa.


38/99


31

Figura 4.3. Pestaa de resultados.

4.2. Desarrollo del cdigo.

En esta seccin se muestra y se explica detalladamente el programa de

FR. Es importante sealar que para lograr crear este programa se realizaron

con anterioridad las libreras, as como los drivers necesarios para elfuncionamiento del espectrmetro. La explicacin y cdigo fuente de las

libreras se encuentran en el Apndice A. En la Fig. 4.4. se muestra un

diagrama de bloques con la partes principales del sistema y para dar una mejor

explicacin del cdigo fuente del programa principal, ste se ha divido en las

siguientes partes;

Inicializacin Adquisicin

Procesado

Filtrado

Almacenamiento


39/99


32

A continuacin se describen cada una de ellas.

4.2.1. Inicializacin.

En la inicializacin del sistema no solo se incluye la inicializacin devariables y del espectrmetro, sino que se realizan una serie de pasos ms

complejos. En la Fig. 4.5. se puede observar un diagrama de flujo de la

inicializacin y a continuacin se entra a detallar cada paso de este proceso.

Figura 4.4.Diagrama de flujo con las partes principales del programa.

Inicio Inicializacin Adquisicin de

Procesamiento yfiltrado de la

Secompleto# de adq.

Almacenamiento

Secompleto el

# de

mediciones.

No

No


40/99


33

Figura 4.5.Diagrama de flujo de la inicializacin.

Al llamar la inicializacin del sistema, lo primero que se produce es la

inicializacin (reset) de las variables; es decir igualar a cero las variables y as

evitar tomar valores que pudieran estar almacenados con anterioridad. A

continuacin se inicializa el espectrmetro y se define el tiempo de

integracin. En el Apndice A se explica a detalle cmo llevar a cabo estos

pasos. Recordemos que el espectrmetro trabaja con pixeles (3648 pixeles en

total); por lo tanto para poder saber que longitud de onda le corresponde a

cada pixel, es necesario leer los coeficientes de calibracin internos del

espectrmetro y, de acuerdo a la Ec 4.1, podemos obtener la correspondencia

pixel-longitud de onda. Este proceso se realiza pixel por pixel por lo que

podemos aprovechar este paso para encontrar los pixeles inicial y final de la

regin a estudiar y as minimizar los tiempos de ejecucin.

(4.1)

InicioInicializacinde variables

Encuentraespectrmetro y se

inicializa

Se define tiempode integracin

Se leen coeficientes de calibracin, se creaarreglo de longitudes de onda y arreglo deenerga (eV), se encuentra pixel inicial y final deregin a estudiar


41/99


34

En la Fig. 4.6 se muestra el cdigo de Labview para inicializacin haciendo

uso de las libreras.

Figura 4.6.Inicializacin del sistema.

4.2.2. Adquisicin de espectros.

Una vez que el sistema se inicializa, ste se encuentra listo para iniciar

la adquisicin de datos. En este bloque de programacin es en donde se

sincroniza el estado del chopper con el programa. Una medicin es el

promedio de N de adquisiciones, por lo que este bloque es un ciclo que se

ejecuta N veces. En la Fig. 4.7. se observa su correspondiente diagrama de

flujo.


42/99


35

Figura 4.7.Diagrama de flujo de la adquisicin de datos.

En este ciclo se hace uso de 2 contadores con el fin de saber la cantidad

exacta de adquisiciones que se realizan en cada estado del chopper; esto es,

realizamos N adquisiciones por lo que en el caso ideal se tendran N/2 lecturas

con el laser bloqueado y N/2 lecturas sin bloquear el laser; pero esto es en

caso ideal. En la prctica no es as y por esta razn hacemos uso de los

contadores y de esta forma obtener un correcto promedio. Finalmente despus

de realizar todas las adquisiciones se cierra el puerto USB en el que se

encuentra conectado el espectrmetro. En la Fig. 4.8. se muestra el cdigo en

Labview nuevamente usando las libreras del apndice A.

Estado delchopper

Laserobstruido

Leerespectro

Leerespectro

Increment.Contador

Increment.Contador

Se completo# de

adquisicione

Si

No

No


43/99


36

Figura 4.8.Adquisicin de datos.

4.2.3. Procesamiento de informacin.

Una vez que se han adquirido los datos se hace el procesamiento de los

mismos por medio de CUDA o sper-computo, ya que es una cantidad tan

grande de informacin que a la CPU le tomara demasiado tiempo procesarla.

En este paso la informacin se trata como matrices y a la salida nos arroja un

vector de resultados. En la Fig. 4.9. se muestra un diagrama de flujo de este

bloque.

Al iniciar este bloque se tiene la informacin dividida en 2 matrices. Enuna se encuentran los espectros adquiridos con el laser bloqueado y en la otra

matriz con el laser sin bloquear. Idealmente estas matrices deberan de ser de

N/2 X M, donde N/2 es la mitad de las N adquisiciones y M el nmero de

pixeles en la regin a estudiar.


44/99


37

Figura 4.9.Diagrama de flujo del procesamiento de datos.

El primer paso en este bloque es reducir las matrices a vectores. Esto se

logra promediando las N/2 adquisiciones y despus de aplica el principio de

FR con lo que el resultado final es un vector de M pixeles. En el programa

principal todo el sper computo se incluye en una subrutina. En la Fig. 4.10 se

muestra el cono y su cdigo correspondiente en Labview y en el Apndice B

se muestra la programacin correspondiente.

Matriz RonNa Adquisiciones

M Pixeles

Matriz RoffNb Adquisiciones

M Pixeles

1

1

Vector Rson

M Pixeles

Vector Rsoff

M Pixeles

Vector R

M Pixeles


45/99


38

Figura 4.10. Programacin de sper computo.

4.2.4. Filtrado.

Despus de haber promediado las seales y obtener la seal de FR

aplicamos 2 diferentes filtros digitales tipo smoothing, con el fin de obtener

una seal ms limpia. Labview ya cuenta con este tipo de filtros (ver Fig.

4.11.).

Figura 4.11. Filtros digitales tipo smoothing.

Este tipo de filtro al ser tipo smoothing no tienen frecuencia de corte.

El tipo exponencial tiene una constante de atenuacin con la que se eliminan

los picos de la seal y el tipo triangular requiere de una constante de vecinos

con la cual para obtener la siguiente muestra hace un promedio de los vecinos


46/99


39

anteriores y de igual forma elimina los picos de la seal. En la Fig. 4.12. se

muestra una seal de FR de un sustrato de GaAs sin dopar, adquirida con el

sistema y tambin se muestra la misma seal despus de ser procesada con el

filtro exponencial.12

Figura 4.12. Seal procesada con filtro exponencial.

En la Fig. 4.13. se muestra una seal de FR adquirida con el sistema yadems se muestra la misma seal procesada con el filtro triangular.12

Figura 4.13. Seal procesada con filtro Triangular.

1.39 1.4 1.41 1.42 1.43 1.44 1.45

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

x 10-6 Filtro Exponencial

Energia (Ev)

Intensidad

Seal sin Filtrar

Seal Filtrada

2.8 2.85 2.9 2.95 3 3.05 3.1 3.15 3.2

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

x 10-4

Energia (Ev)

Intensidad(Cuentas

Filtro Triangular

Seal Filtrada

Seal sin Filtrar


47/99


40

4.2.5. Almacenamiento de Datos

La informacin que llega a este punto se encuentra almacenada en la

memoria RAM de la computadora y en este paso la informacin se almacena

en el disco duro. Dicha seal se almacena en 3 archivos diferentes: en elprimero se almacena la seal sin ningn tipo de filtro, en el segundo y tercero

se almacena con el filtro triangular y exponencial, respectivamente. Para

almacenar los datos se utiliza una subrutina la cual se muestra en el Apndice

A y en la Fig. 4.14 se muestra la parte del programa en la cual se guardan los

datos.

Figura 4.14.Almacenamiento de datos.


48/99

Anlisis de Resultados

41

Captulo Cinco.

Anlisis de Resultados.

5.1. Calibracin.

Antes de comenzar con la captura de espectros de FR, se realizaron

varias adquisiciones del espectro de una lmpara de mercurio con la finalidad

de corroborar la calibracin del espectrmetro. Se emple una lmpara de

mercurio ya que tiene un espectro caracterstico que nos permite ubicardistintas longitudes de onda y se obtuvo una total concordancia tanto con los

datos del fabricante de la lmpara; as como con el software original del

espectrmetro. En la Fig. 5.1. se muestra el espectro de emisin de la lmpara

de mercurio.

Figura 5.1. Espectro de emisin de lmpara de Mercurio.

200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

2400

Longitud de onda

Intensidad(Cuentas)

Lampara de Mercurio


49/99


42

5.2 Medicin del semiconductor GaAs.

Se presentan los resultados obtenidos en alta energa para una muestra

de n-GaAs en la Fig. 5.2. Con color negro se muestra el resultado de la

literatura (medida con el arreglo convencional usando un amplificador Lock-In) y en rojo la curva que se obtiene con nuestro sistema. sta captura se

realiz antes de limpiar la muestra por lo que contiene oxido. Se puede

observar que ambas posen la misma forma pero la roja se observa ms angosta

y corrida asimtricamente en referencia a 3.05 eV. Para esta captura se utiliz

un tiempo de integracin de 6ms, promediando 100 adquisiciones, y utilizando

un filtro triangular, esta medicin tomo 4 segundos. El proceso de filtrado

distorsiona el espectro.

2,7 2,8 2,9 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4-0,0004

-0,0003

-0,0002

-0,0001

0,0000

0,0001

0,0002

0,0003

0,0004

0,0005

E1+

1

R/R

Energa (eV)

FR convencional

n-GaAs

T=300 K

E1

Figura 5.2. Captura de n-GaAs con oxido. El espectro rojo fue adquirido con el sistema

propuesto en este trabajo.

Despus de realizar un decapado con cido sulfrico y perxido de

hidrgeno con agua desionizada (1:5:1), se volvi a medir la muestra y se

observan los resultados en la Fig. 5.3. La captura se llev a cabo con los


50/99


43

siguientes parmetros: tiempo de integracin de 6ms, promediando 300

adquisiciones, y utilizando un filtro triangular. Esta medicin tom 10

segundos.

2,7 2,8 2,9 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4-0,0004

-0,0003

-0,0002

-0,0001

0,0000

0,0001

0,0002

0,0003

E1+

1

R/R

Energa (eV)

FR convencional

n-GaAs

T=300 K

E1

Figura 5.3. Captura de FR de GaAs. El espectro rojo es de FR convencional usando un

amplificador Lock-In.

Tambin se realizaron capturas de FR en la brecha fundamental con la

misma muestra de GaAs. En la fig. 5.4. se muestra el espectro obtenido con

los siguientes parmetros: tiempo de integracin de 6ms, promediando 400

adquisiciones y utilizando un filtro triangular. Dicha medicin tom

aproximadamente en 10 segundos. En la figura 5.5. se muestra el resultado

para el mismo punto pero con los siguientes parmetros: tiempo de integracin6ms, promediando 700 adquisiciones, utilizando un filtro exponencial y un

laser verde.


51/99


44

1,36 1,37 1,38 1,39 1,40 1,41 1,42 1,43 1,44 1,45 1,46

-10

-5

0

5

10

15

20

25

104

FR

Energa (eV)

Eo

GaAs

T=300 K

convencional

Figura 5.4. Captura de FR alrededor de la brecha fundamental de GaAs usando un lser

rojo como haz de bombeo. La lnea azul corresponde a un espectro de FR obtenido con elarreglo convencional empleando un amplificador Lock-In.

1,36 1,37 1,38 1,39 1,40 1,41 1,42 1,43 1,44 1,45

-10

-5

0

5

10

15

20

25

104

FR

Energa (eV)

Eo

GaAs

T=300 K

convencional

Figura 5.5. Captura de FR alrededor de la brecha fundamental de GaAs usando un lser

verde como haz de bombeo. La lnea azul corresponde a un espectro de FR obtenido con elarreglo convencional empleando un amplificador Lock-In.


52/99


45

5.3 Medicin del semiconductor AlGaAs.

De igual forma se realizaron mediciones de FR de una estructura lser

de un pozo cuntico de InGaAs. Las barreras son de Al0.3Ga0.7As y las guas

de onda son de GaAs. En este caso no se tienen mediciones de esta muestracon la FR convencional, pero se realiza un comparativo de capturas realizadas

con la FR convencional a una pelcula de AlGaAs (color azul en la grfica).

En la figura 5.6. se muestra la captura con nuestro sistema con los siguientes

parmetros: tiempo de integracin 6ms, promediando 600 adquisiciones,

utilizando un filtro exponencial. Esta medicin tomo un lapso aproximado de

20 segundos. En la Fig. 5.7. se muestra el espectro de FR para la capa tipo

p++ en la superficie del laser.

1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 2,1

0

10

InGaAs

105

R/R

Energa del Fotn (eV)

Al0.35

Ga0.65

As

GaAs

estructura Lser de AlGaAs/GaAs/InGaAsT= 300 K

AlGaAs

FR, convencional

Figura 5.6. Medicin de FR rpida de una estructura lser de un pozo cuntico de InGaAs.Las barreras son de Al0.30Ga0.70As y las guas de onda son de GaAs. El espectro con lneaazul corresponde a la medicin de FR convencional de una pelcula de AlGaAs (al 30%)

sobre GaAs.


53/99


46

2,7 2,8 2,9 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4-0,0004

-0,0003

-0,0002

-0,0001

0,0000

0,0001

0,0002

0,0003

R/R

Energa (eV)

estrcutura lser

AlGaAs/GaAscapping p+

FR convencional

Figura 5.7. Lnea azul: medicin de FR de una estructura lser de un pozo cuntico

alrededor de E1. Esta componente se asocia a la pelcula capping p++ en la superficie de laestructura lser. La lnea negra es de una muestra de GaAs dopada tipo n obtenida por el

mtodo convencional de FR.


54/99

Conclusiones

47

Capitulo Seis.

Conclusiones.

En la actualidad existen un nmero de tcnicas de espectroscopias

pticas las cuales son usadas en un amplio rango de aplicaciones. Una de las

principales diferencias de los sistemas utilizados actualmente y el presente

desarrollado en esta Tesis, es que el implementado tiene la posibilidad de

medir simultneamente un amplio rango de espectro y no solo una longitud deonda por medicin requiriendo un tiempo relativamente pequeo.

Es importante mencionar que los espectros comparativos obtenidos de

la literatura se midieron utilizando diferentes tcnicas de espectroscopia en las

cuales se ilumina la superficie con una sola longitud de onda a la vez y el

tiempo que toma una de estas mediciones puede llegar hasta minutos. Esto

contrasta enormemente con el desempeo del sistema desarrollado en esta

tesis. Otro punto que es importante mencionar es que el tiempo que se toma en

realizar una medicin depende nicamente del numero de adquisiciones ya

que al utilizar tcnicas se sper computo el tiempo que se toma en realizar el

procesado es de milisegundos. Por lo que el tiempo final depender de las

necesidades especificas del experimento.

En la mayora de las mediciones obtenidas se puede observar un

corrimiento de la seal al comparar nuestros resultados con los que existen

usando la FR convencional. Esto se debe a varios factores. Uno de ellos es el


55/99

Conclusiones

48

tipo de filtros que se usan; ya que para eliminar los picos y el ruido se toman

como referencia N muestras, al tomar ms muestras se obtiene una seal

resultante con menos ruido pero presenta ms corrimiento. Otro factor que

produce corrimiento es la resolucin del espectrmetro, entre menosresolucin se tenga ms corrimiento se presenta en los resultados. Por lo tanto

debe existir un compromiso entre el tiempo de captura y resolucin del

espectrmetro.

Podemos resumir de manera general los resultados de este trabajo de

tesis como siguen:

Se dise y se implement un sistema de medicin que permite ser

usado para espectroscopia por fotorreflectancia seleccionando la regin

que se desea estudiar.

Se desarroll un software en entorno de programacin grafica

(Labview) para la captura de datos de un detector multicanal de la

compaa Ocean Optics, logrando un rango de captura espectral que va

de los 200 a los 1100 nanmetros.

Se probo el sistema con diferentes tipos de procesamiento hasta llegar al

sper computo as como varios tipos de filtrado.

El tiempo que requiere el sistema para llevar a cabo una medicin

depende de la calidad que se requiera en la captura, el tiempo ms corto

que se registro fue de 1 segundo. Por otra parte, sin embargo, se observque para mediciones con ms de 1000 adquisiciones se tiene un total en

tiempo de procesado de aproximadamente 40 segundos y no presentan

gran modificacin en la forma de la curva.


56/99

Conclusiones

49

An se pueden realizar muchas mejoras en los tiempos de adquisicin:

recordemos que la frecuencia del chopper se fij a 10 Hz debido a que

el BreakOut Box es muy lento en las operaciones del GPIO, y

cambiando de puerto la sincronizacin sera mucho ms rpida, peroesto conlleva a una electrnica ms complicada adems de nueva

programacin en el software.

Este software est optimizado para mediciones de espectroscopia por

foto reflectancia y es importante mencionar que el haberlo realizado en

Labview lo hace sumamente transportable y de manejo simple; as

como una gran facilidad en el cdigo fuente en el caso de que deba sermodificado.

Finalmente, podemos concluir que se puede realizar la captura de espectros

en mltiples longitudes de onda y en base a esto poder hacer mediciones de

espectroscopia en tiempo real, adems de que es posible obtener mejoras en la

velocidad de muestreo ya que se cre un software que interacta directamentecon el circuito integrado del espectrmetro por lo que se tiene un control total

sobre el mismo. Esto es una gran ventaja ya que no existen limitaciones por

parte del espectrmetro. Se propone como trabajo a futuro mejorar el sistema

ptico, el filtrado de la seal, alineacin automtica y emplear una variedad de

muestras; as como el uso de un espectrmetro multicanal de mayor resolucin

(tamao en distancia focal). Se espera que con ste trabajo, se introduzca el

empleo de tcnicas de supercmputo en paralelo aplicado a las

espectroscopias moduladas.


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Apndice A

50

Apndice A.

A.1. Desarrollo de drivers.

Los drivers son necesarios para poder comunicar cualquier dispositivo

con el CPU. La compaa Ocean Optics ofrece drivers de manera gratuita pero

estos solo funcionan con su software de propiedad (p. ej. Spectra Suite). Por

esta razn es necesario programar nuestros drivers; esto se logra mediante la

aplicacinDriver Wizard de National Instruments.

Esta aplicacin nos programa los drivers de cualquier dispositivo y solo

necesita de cierta informacin como son: Bus del dispositivo, Vendor ID,

Product ID, etc. Toda esta informacin es proporcionada por el fabricante (en

este caso Ocean Optics) y est disponible en su hoja tcnica de datos.

En las siguientes figuras se muestra el desarrollo de los drivers.

Figura A.1. Se especifica el Bus del dispositivo.


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Apndice A

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La compaa Ocean Optics nos proporciona la siguiente informacin:

Bus del dispositivo: USB (High Speed y Full Speed)

Vendor ID: 0x2457

Product ID: 0x1012 Modelo: HR4000

Figura A.2.Informacin especfica del dispositivo.

Con dicha informacin quedan listos los nuevos drivers los cuales

usaremos para el desarrollo de esta Tesis. En la siguiente figura se muestra la

diferencia que hay al instalar los drivers originales y los de National

Instruments Driver Wizard.

Figura A.3.Drivers de Ocean Optics y de NI Driver Wizard.


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Apndice A

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A.2. Desarrollo de libreras.

Las libreras son las que hacen posible la manipulacin del

espectrmetro. Estas libreras se programaron en base a la hoja tcnica y se

mostraran fragmentos de la misma para una mejor comprensin de laprogramacin.

El HR4000 cuenta con un conjunto de 22 instrucciones previamente

definidas por el fabricante. Se mostrara a detalle el funcionamiento de cada

comando as como la programacin en Labview. Anlogamente, para escribir

comandos, se debe utilizar el mtodo bulk outy para leer el bulk in, tambin

conocidos como End Point Out y End Point In; esto es por ser comunicacin

USB.

A.2.1. Lectura y Escritura.

El HR4000 cuenta con 4 diferentes tipos de End Point (EP) para la

comunicacin de estos, 3 son de lectura y 1 de escritura.

Tabla A.1. Tabla de End Point del HR4000.

El fabricante nos especifica el uso de cada uno de estos EP de la

siguiente forma.

Todos los comandos son enviados a travs del EP1 Out (0x01).

El espectro es adquirido mediante EP2 In (0x82) y EP6 In (0x86).

Otras opciones se realizan por medio de EP1 In (0x81).


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Apndice A

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A.2.2. Set de Instrucciones.

A continuacin se mostrara la lista completa de comandos aceptados

por el HR4000 as como una descripcin detallada de cada una de las

instrucciones.

Tabla A.2. Set de instruccin del HR4000.


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Apndice A

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Inicializar HR4000 (0x01).

Inicializa los parmetros predeterminados en el HR4000 y fija un

conjunto de variables internas dependiendo de la velocidad a la que funciona

el dispositivo. Este comando debe ser llamado al comienzo de cada sesin. Sinembargo, si no es llamado, ste se ejecutar en el primer comando de solicitud

de escaneo. Este comando no regresa informacin alguna.

La forma de enviar el comando es:

En cuanto a la programacion de este comando, por ser el primero en

ejecutarse, se deben de asignar los End Point correspondientes y estos

quedaran fijos para el resto de los comandos a menos que se reasignen los End

Point. Para la correcta ejecuacion de esta instruccin, se debe ejecutar el

comando (0xFE), Informacin del estado actual del espectrmetro (ms

adelante se explica a detalle su funcionamiento), la cual nos proporciona la

velocidad a la cual funciona el espectrmetro. En la Fig. A.4. se muestra la

programacin del comando Inicializar.

Figura A.4.Inicializar el espectrmetro HR4000.


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Apndice A

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Tiempo de Integracin (0x02).

Establece el tiempo de integracin del HR4000 en microsegundos. El

valor es un dato de 32 bits cuyo rango aceptable es de 10 - 65.535.000 s.

Para tiempos de integracin menores de 655.000 s, se tiene una resolucin de10us. Para tiempos de integracin mayores, se tiene una resolucin de 1 ms.

Este comando no regresa informacin alguna.


El formato de este comando exige que el dato a enviar tenga el orden

invertido esto se puede observar en la siguiente figura que muestra el cdigo

de programacin de esta instruccin.

Figura A.5. Configurar el tiempo de integracin.

Habilitar el Estado del Strobe (0x03).

Habilita el estado de la lnea Strobe (J2 pin 4). Con esta instruccin solo

se configura el estado de la lmpara ms adelante veremos cmo configurar

los modos de funcionamiento. Se puede habilitar como single strobeo como


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Apndice A

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continuos strobe. Este comando no regresa informacin. La forma de enviar el

comando es:

Esta instruccin solo puede tener un valor 1 o 0, a continuacin se

muestra el cdigo de programacin.

Figura A.6. Configuracin del Strobe.

Habilitar modo de bajo consumo (0x04).

Cuando se habilita el modo de bajo consumo el microcontrolador (FX2)

sigue funcionando pero sus funciones son deshabilitadas excepto la

comunicacin I2C. En este modo el consumo se reduce a 250mA. Este

comando no regresa informacin.



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Apndice A

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Consultar informacin (0x05).

Consulta cualquiera de las 20 variables de configuracin almacenadas

en el espectrmetro. Este comando regresa informacin y se recibe a travs

del EP1 In. El orden de las variables se muestra a continuacin.

Tabla A.3. Variables almacenadas en el espectrmetro.


La forma en la que se reciben los datos es de la siguiente forma y

terminan con un 7.


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Apndice A

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Todas estas variables se encuentran en la memoria EEPROM del

espectrmetro por lo que es necesario especificar la direccin que se desea

leer, el siguiente programa muestra como leer una direccin especfica de la

memoria.

Figura A.7.Leer una localidad de la memoria EEPROM.

El siguiente cdigo muestra cmo obtener los 4 coeficientes de

calibracin que estn almacenados en la memoria EEPROM en las

localidades: 1, 2, 3, 4.

Figura A.8. Obtener los coeficientes de calibracin.


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Apndice A

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Tambin podemos obtener los coeficientes de correccin no lineal que

estn en las localidades 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 de la memoria EEPROM a

continuacin se muestra el cdigo correspondiente.

Figura A.9. Obtener los coeficientes de correccin no lineal.

Escribir Informacin (0x06).

Escribe en cualquiera de las 19 variables de configuracin almacenados

en la EEPROM del espectrmetro. Las 19 variables de configuracin tienen el

mismo ndice como se describe en la consulta de informacin. Este comando

no regresa informacin.

La forma de enviar el comando es

Todas estas variables se encuentran en la memoria EEPROM del

espectrmetro por lo que es necesario especificar la direccin que se desea

escribir, el siguiente programa muestra cmo escribir una direccin especfica

de la memoria.


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Apndice A

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Figura A.10. Escribir en una localidad de la memoria EEPROM

Ya hemos mostrado como se leen los coeficientes de calibracin pero

estos tambin pueden ser cambiados. A continuacin se muestra como escribir

nuevos coeficientes de calibracin. Hay que recordar que estos coeficientes seencuentran en las localidades: 1, 2, 3, 4.

Figura A.11. Escribir nuevos coeficientes de calibracin.

Entre las variables almacenadas en la memoria EEPROM se encuentra

la constante de luz difusa. El siguiente cdigo muestra como cambiar esta

constante que se encuentra en la localidad 5 de la EEPROM.

Figura A.12.Nueva constante de luz Difusa.


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Apndice A

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Solicitud de espectro (0x09).

Con este comando el HR400 adquiere el espectro completo (3840

valores). Los datos son regresados por medio de transferencia bulk a travs del

End Point 2 y End Point 6 dependiendo de la velocidad de comunicacin.La forma de enviar el comando es

La informacin que regresa este comando depende de la velocidad de la

comunicacin esta puede ser: High Speed (480 Mbps) o Full Speed (12 Mbps)

en ambos casos cada pixel contiene 16 bits que estn organizados de bit

menos significativo (LSB) a ms significativo (MSB) adems al final se

manda un paquete de sincronizacin que se utiliza como bandera para

asegurar la correcta sincronizacin entre el HR4000 y la PC.

Formato de transmisin en High Speed (480 Mbps)

En este modo los primeros 2K de informacin se leen por medio del End

Point 6 In y el resto se lee por medio de End Point 2 In. A continuacin se

describe el formato completo.


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Apndice A

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Tabla A.4.Relacin numero de paquete-Pixel en High Speed.

La informacin que regresa este comando tiene el siguiente formato

Y el paquete adicional para la sincronizacin

En la siguiente figura se muestra el cdigo para adquirir el espectro a

una velocidad de 480 Mbs, es importante mencionar que los primeros 4

paquetes se reciben a travs de End Point 6 In, los siguientes 11 paquetes conEnd Point 2 In y finalmente se vuelve a asignar End Point 1 In para que acepte

cualquier comando.


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Apndice A

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Figura A.13.Adquirir Espectro en High Speed (480Mbs).

Adems hay que recordar que el espectrmetro cuenta con 3648 pixeles

y se adquieren 3840 por lo que hay que reordenar esta informacin y borrar

los pixeles que no se usan.

Formato de transmisin en Full Speed (12 Mbps)

En este modo los toda la informacin se lee a travs de End Point 2 In. A

continuacin se describe el formato completo.

Tabla A.5.Relacin numero de paquete-Pixel en Full Speed.

La informacin que regresa este comando tiene el siguiente formato


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Apndice A

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Y el paquete adicional para la sincronizacin.

Cuando se trabaja a una velocidad de 12 Mbs todos los paquetes se

reciben con el End Point 2 In y despus hay que cambar a End Point 1 In. De

igual forma hay que borrar los pixeles que no se utilizan a continuacin se

muestra el cdigo.

Figura A.14.Adquirir Espectro en Full Speed (12 Mbs).

Modo de disparo (0x0A).

Establece el modo de disparo en el HR4000 existen 4 tipos de disparos. Normal

En este modo el HR4000 utiliza el tiempo de integracin definido por el

usuario y realiza un escaneo continuo del arreglo de CCD.

Disparo externo por software

En este modo el HR4000 utiliza el tiempo de integracin definido por elusuario sin embargo el convertidor A/D es obligado a esperar hasta que la

seal de entrada pasa a ALTO antes de que adquiera los datos en el siguiente

perodo de integracin. Este es un modo de disparo asincrnico que permite al

usuario definir un perodo de integracin a travs de software.


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Apndice A

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Disparo externo por hardware

En este modo el HR4000 utiliza un flanco de subida de una seal TTL

externa para comenzar un ciclo de integracin.

Disparo por sincronizacin externa

En este modo el HR4000 el tiempo de integracin es esencialmente la

entrada del espectrmetro, esto permite que el espectrmetro sea sincronizado

con otro dispositivo. La seal debe ser de tipo TTL con un rango de 5ms a

60s.


La siguiente figura muestra el cdigo (0x0A) para configurar el tipo de

disparo (Trigger) pero adems usa el comando correspondiente al cdigo

0x6A28 la cual se explicara ms adelante y se usa para escribir en un registro

del HR4000.


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Apndice A

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Figura A.15. Configurar el tipo de disparo.

Numero de accesorios conectados (0x0B).

Determina los accesorios que estn conectados al momento de encender

el HR4000 y cada vez que se envi este comando.La forma de enviar el comando es:

La informacin que regresa este comando tiene la siguiente forma y

termina con un 7:

Informacin de accesorios conectados (0x0C).

Este comando regresa 7 bytes con el ltimo byte siempre en cero. Cada

uno de los 6 primeros bytes corresponde a dispositivos compatibles con el

HR4000 que respondieron de manera adecuada a la comunicacin I2C con

direcciones de 2 a 7. Las direcciones estn reservadas para diversas categoras

de dispositivos y el valor de cada categora se muestra ms adelante. Las


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Apndice A

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direcciones 0-1 son reservadas para cargar el programa desde la memoria

EEPROM.

La forma de enviar el comando es.

La informacin que regresa este comando tiene la siguiente forma y

termina con un 7

Detectar accesorios conectados (0x0D).

Lee todos los accesorios que estn conectados al bus I2C. Este comando

no regresa informacin.


El siguiente cdigo hace uso de las instrucciones: Detectar accesorios

conectados (0x0D), Numero de accesorios conectados (0x0B), Informacin de

accesorios conectados (0x0C).

Figura A.16. Comunicacin con dispositivos externos.


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Apndice A

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Lectura del bus I2C (0x60).

Realiza una lectura de propsito general en los pines del I2C para hacer

interface con los perifricos conectados. El tiempo para completar el comando

se determina por la cantidad de datos transferidos y el tiempo de respuesta delos perifricos. El bus I2C corre a 400KHz. El nmero mximo de bytes que se

puede leer es de 61.


La informacin que regresa este comando tiene la siguiente forma

Tabla A.6. Cdigo de resultados al comunicarse por medio de I2C.


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Apndice A

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Escritura del bus I2C (0x61).

Realiza una escritura de propsito general en los pines I2C para hacer

interface con los perifricos conectados. El tiempo para completar el comando

se determina por la cantidad de datos transferidos y el tiempo de respuesta delos perifricos. El bus I2C corre a 400KHz. Los cdigos de los resultados son

los mismos que en la lectura citados ya anteriormente.



El siguiente programa muestra como comunicar el espectrmetro con

algn otro dispositivo por medio de la comunicacin I2C.

Figura A.17. Comunicacin I2C.


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Apndice A

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SPI Lectura/Escritura (0x62).

Este comando realiza una lectura y escritura en el bus SPI. El tiempo

para completar este comando se determina por la cantidad de datos

transferidos y el tiempo de respuesta de los perifricos. El bus SPI se ejecuta a~25KHz. El nmero mximo de bytes que pueden ser escritos o ledos es de

61. Durante la transferencia de informacin el pin de Chip Select pasa a

estado lgico bajo.



El cdigo que a continuacin se muestra implementa una comunicacin

de tipo SPI con algn dispositivo que est conectado al HR4000.

Figura A.18. Comunicacin SPI.


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Apndice A

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Escribir en el registro de informacin (0x6A).

La mayora de los parmetros controlables del HR4000 son accesados a

travs de este comando. Se presenta una lista completa de estos parmetros.

Todos los datos transmitidos son de 16 bits primero se enva el bit mssignificativo (MSB) y al final el bit menos significativo (LSB). Este comando

requiere al menos 100ms para completarse. Este comando no regresa

informacin.

La forma de enviar este comando es

Tabla A.7. Parmetros accesibles por medio de la instruccin 0x6A.


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Apndice A

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El siguiente cdigo configura el tiempo del strobe esto se logra

mediante el comando 0x6A por medio de los registros 0x08, 0x0C, 0x38,

0x3C mostrados en la tabla anterior.

Figura A.19. Configuracin del Strobe.

Leer el registro de informacin (0x6B).

Con este comando se puede leer el valor de cualquiera de los registros

anteriores.



A continuacin se muestra un programa en el cual se configuran lospines del puerto GPIO, se configuran las entradas y salidas del GPIO y por

ltimo se hace una lectura y escritura del mismo.


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Apndice A

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Figura A.20. Configuracin de puerto GPIO.

Leer la temperatura del circuito impreso (0x6C).

El HR4000 contiene un sensor de temperatura (DS1721) que est

montado en la parte inferior del circuito impreso (PCB). El valor que regresa

es el resultado del A/D y es un valor de 16 bits con signo.La temperatura se puede obtener de la siguiente forma:

Temperatura (C)=0.003906 * Valor de A/D.

Este comando se enva de la siguiente forma.


Si la operacin fue exitosa, el resultado de la lectura debe ser 0x08.

Todos los dems valores indican la operacin no tuvo xito.

El siguiente cdigo lee la temperatura del circuito impreso (PCB) por

medio de la instruccin 0x6C y adems hace la conversin a grados Celsius.


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Apndice A

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Figura A21. Temperatura del Circuito Impreso.

Leer factores de irradiacin (0x6D).

Con este comando se leen 60 bytes que se utilizaran para la calibracin

de la irradiacin. Esta informacin es leda desde la memoria EEPROM.

Este comando se enva de la siguiente forma.


Escribir factores de irradiacin (0x6E).

Con este comando se escriben 60 bytes que se utilizan para la

calibracin de la irradiacin, esta informacin es almacenada en la memoria

EEPROM. Este comando no regresa informacin.


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Apndice A

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Este comando se enva de la siguiente forma

Informacin del estado actual del espectrmetro (0xFE).

Regresa un paquete de informacin que contiene el estado de la

operacin actual. La estructura de este paquete se muestra a continuacin

Tabla A.8.Relacin numero de Byte-Descripcin del resultado.



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Apndice A

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El siguiente cdigo muestra el estado actual de 6 variables de las 12

disponibles en el espectrmetro.

Figura A.22. Estado actual del espectrmetro.

A.3. Libreras extras.

Adems del set de instrucciones del espectrmetro se programaron ms

subrutinas con la finalidad de poder manipular todas las opciones del HR400.

El espectrmetro tiene la capacidad de procesar la seal adquirida en

diferentes formas de las que se uso en esta tesis entre las cuales son:

Absorcin, Transmisin e Irradiancia relativa.

El espectro de absorcin generalmente es utilizado para medir en una

escala logartmica la cantidad de luz de una fuente que es absorbida por una


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Apndice A

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superficie, lquido o gas. En la figura A.23 se muestra la programacin de este

tipo de espectros.

Figura A.23. Procesamiento para obtener el espectro de absorcin.

El espectro de transmisin es una medicin que se utiliza para calcular

la cantidad de luz que se transmite a travs de una materia determinada y por

lo general se mide como un porcentaje. La programacin de esteprocesamiento se muestra en la Fig. A.24.

El espectro de irradiancia relativa normalmente corrige la forma de un

espectro para mostrar las deficiencias en la ptica y en el detector del

espectrmetro. La forma es alterada para ajustarse a la de un cuerpo negro

ideal. Bsicamente cualquier cosa que se caliente lo suficiente comenzara a

emitir energa, algunos de los cuales pueden ser luz visible. Utilizando una

fuente de luz que est cerca de un cuerpo negro ideal en sus emisiones reales,

la forma de su espectro se ha corregido para que coincida con la forma terica


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Apndice A

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de un cuerpo negro a la misma temperatura. En la figura A.25 se muestra la

programacin de este procesamiento.

Figura A.24. Procesamiento para obtener el espectro de absorcin.

Figura A.25. Procesamiento para obtener el espectro de irradiancia relativa.

Como habamos mencionado en el Captulo 4 se realizo una subrutina

que calcula la relacin entre pixeles y longitud de onda de acuerdo a la


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Apndice A

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ecuacin (4.1), adems de encontrar los pixeles inicial y final de la regin a

estudiar. Esta subrutina se muestra en la figura A.26.

Figura A.26. Conversin de pixeles a longitud de onda.

De igual forma en el Capitulo 4 usamos una librera para almacenar losdatos en el disco duro. El cdigo de esta se presenta en la Fig. A.27. En esta

rutina se puede modificar la ruta en la que se guardan los archivos, la cual esta

pre-definida en C:\Mediciones\; adems de que se puede definir qu hacer en

caso de que se presente un archivo existente (sobre-escribir o continuar).


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Apndice A

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Figura A.27.Almacenamiento de los datos en el disco duro.

Por ltimo se realiza una subrutina en la que se cierra el puerto decomunicacin y as queda libre tanto el puerto como el espectrmetro y

memoria.

Figura A.28. Cerrar puerto USB y finalizar espectrmetro.

A.4. Diagrama general de subrutinas.

En la Fig. A.29. se muestran todas las subrutinas que son necesarias

para tener un control total sobre el espectrmetro y en donde se han

clasificado a las subrutinas para tener una visin ms clara acerca de su uso.


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Apndice A

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Figura A.29. Conjunto de rutinas del HR4000.


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Apndice B

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Apndice B.

B.1. Tarjeta grafica (GPU).

Como ya hemos mencionado la parte de sper computo consiste en

realizar toda la parte matemtica por medio de la GPU (Tarjeta grafica). Esta

tcnica de procesamiento a tenido un avance exponencial en los ltimos aos

y la programacin se desarrolla en CUDA por sus siglas en ingles (Compute

Unified Device Architecture), que consiste en una arquitectura de cmputo en

paralelo desarrollado por NVidia, la cual presenta un alto desempeo y

adems es accesible a todos los desarrolladores a travs de lenguaje C con

extensiones de NVidia.

Se ha demostrado que por medio de la GPU se pueden acelerar procesos

de todo tipo de forma radical7como son: simulaciones de electromagnetismo,

procesamiento de imgenes, simulaciones en MatLab etc. logrando reducir

hasta en 18 veces los tiempos de procesamiento.

Un punto importante en esta tcnica es que si bien se debe de programar

en CUDA los procesos a agilizar una vez que estos son compilados pueden ser

transportados con facilidad a un gran nmero de lenguajes comerciales para

desarrollo como son MatLab y LabView, esto es una gran ventaja ya que sepuede acoplar a cualquier tipo de lenguaje de programacin y aprovechar el

uso de la CPU y de la GPU.


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Apndice B

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La tarjeta que se uso en este trabajo de tesis es la GTX 280 de NVidia y

se muestra en la figura B.1.

Figura B.1. Tarjeta GTX 280 de NVidia.

Esta tarjeta se conecta directamente al puerto PCI Express de la

computadora y tiene una memoria con una capacidad de 1Gb con velocidad

DDR3 y su principal caracterstica es que cuenta con 240 ncleos en paralelo

que son los que nos permiten realizar operaciones de computo masivas en

tiempos extremadamente cortos.

Por otra parte es importante mencionar que no todas las aplicaciones sepueden gestionar con CUDA, estas deben de cumplir con el requerimiento de

de ser iterativas. Adems otro punto importante es que CUDA maneja

precisin en enteros y en punto flotante por lo que esta tcnica es totalmente

verstil.

B.2. Desarrollo de programacin.Para programar la GPU utilizamos Visual Basic Studio versin 2005. Se

crea un proyecto nuevo y la programacin se divide en 2 archivos a los cuales

hemos llamado templatey template_kernel. En la Fig. B.2. podemos ver una


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Apndice B

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imagen del proyecto creado. A continuacin se explicara el contenido del

archivo template.

Figura B.2. Proyecto en Visual Studio para programar la GPU.

Uno de los requisitos que exige CUDA es definir desde un principio la

cantidad de memoria que se va a utilizar y cuanta de esta ser usada para

entrada y cuanta para salida, as como la precisin en la que sern declaradas

las variables estn pueden ser enteras, de punto flotante, dobles, etc.

Una vez que se tiene la memoria reservada es necesario copiar los datos

que estn involucrados en el proceso desde la CPU hacia la GPU. A esteproceso tambin se le conoce como copy host memory to device y es

despus de este punto cuando se ejecutan to

tesis moises

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