Kuliah_3_4
advertisement
Bab 2 Sumber Cahaya Sistem Komunikasi Optik Tujuan Bab Bab ini akan memberi penjelasan tentang struktur fisis dari sumber cahaya yang digunakan pada system komunikasi optic, yaitu LED, dan Laser. Bab ini juga menjelaskan tentang properti dari sumber cahaya bersangkutan. Setelah mempelajari bab ini dan mengerjakan soal-soal yang tersedia, mahasiswa diharapkan mampu mengevaluasi spesifikasi LED dan Laser untuk menentukan spesifikasi sumber cahaya yang sesuai dengan aplikasi yang dirancang. Bab ini juga menjelaskan tentang berbagai rangkaian pengendali (driver circuit) dan beberapa parameter perancangannya. 2.1. Karakteristik Umum Sumber cahaya yang digunakan dalam system komunikasi optic umumnya harus memiliki beberapa fitur berikut: 1. Intensitas cahaya (daya keluaran optic) harus cukup tinggi untuk memungkinkan komunikasi jarak jauh 2. Strukutur fisis sumber cahaya harus memungkinkan terjadinya penggandengan sumber cahaya dengan serat optic secara mudah 3. Panjang gelombang sumber cahaya harus sesuai dengan panjang gelombang yang umumnya digunakan, yaitu 1,55 m. Panjang gelombang lain yang lazim digunakan antara lain: 0,82 m dan 1,3 m.. 4. Lebar garis spectral (spectral line width) harus sempit, hal ini untuk memungkinkan pengiriman data dengan laju bit yang tinggi. 5. Waktu tanggapannya (response time) harus pendek untuk menghasilkan lebarpita besar dan memungkinkan mengirimakan data dengan laju bit tinggi. Dalam hal ini ranagkaian pengendali sumber cahaya harus sesederhana mungkin. Sumber Cahaya Sistem Komunikasi Optik 1 6. Peranti sumber cahaya harus menghasilkan cahaya dengan daya yang stabil dan tidak bergantung pada suhu peranti atau kondisi lain. Sumber cahaya harus memiliki keandalan yang tinggi. 2.1.1. Daya dan Efisiensi Untuk tujuan diskusi sub bab ini, pertama anggap bahwa Sinyal yang dikirim melalui kabel serat optic agar diterima oleh penerima secara baik, daya yang harus sampai pada penerima minimal harus memiliki level PR sekitar 100 nwatt. Untuk memudah perhitungan level ini diubah kedalam satuan dBm, yaitu -40dBm (0 dBm = 1 mwatt dan PdBm = 10 log(PR/10-3), sehingga PdBm = 10 log (100×10-9/10-3) = - 40 dBm. Selanjutnya anggap bahwa rugi-rugi sepanjang perjalanan sebesar 30 dB ( sebesar 1,2 dB/Km sepanjang serat 20 Km dan rugi-rugi karena factor lain sebesar 6 dB). Hal ini berarti daya pada sumber adalah – 40 dBm + 30 dB = -10 dBm. Level cahaya yang keluar dari sumber cahaya harus 30 dB lebih besar dari level cahaya yang diterima di penerima. Jadi cahaya yang digandengkan ke serat optic harus memiliki daya minimal sebesar – 10 dBm (0.1 mwatt), dengan catatan efisiensi penggandengan harus 100%. Level daya yang dihasilkan oleh sumber cahaya Laser tipkal adalah beberapa milli wartt saja, sementara level daya yang dihasilkan oleh LED tidak lebih dari 1 mwatt Sebagaimana yang akan diketahui bahwa dalam penggandengan sumber cahaya dengan kabel optik akan terjadi rugi-rugi akibat penggandengan, maka hal ini kebutuhan minimal daya -10 dBm harus menyertakan persyaratan efisiensi penggandengan sumber cahaya dengan kabel optik yang tinggi. Karena level daya optik secara relative bernilai kecil (hanya beberapa milliwatt saja) sementara efisiensi penggandengan umumnya juga bernilai kecil, maka kondisi ini akan menjadi pertimbangan yang serius. Efisiensi dapat definisikan dalam hal jumlah photon cahaya yang dibangkitkan oleh setiap elektron, yang lazim dinamakan efisiensi kuantum (Q ) Q = Photon cahaya yang dihasilkan/elektron yang disuntikkan … 2.1. Sumber Cahaya Sistem Komunikasi Optik 2 dimana Q adalah efisiensi kuantum yang lazim disebut sebagai efisiensi internal. Efisiensi eksternal atau juga disebut sebagai efisiensi daya, T didefinisikan sebagai: PT = Pout/Pel … 2.2. dimana Pout adalah daya optik yang diradiasikan dan Pel daya listrik yang dimasukkan ke dalam sumber cahaya. PT ini berbeda dengan T yang merupakan efisiensi total yang menyatakan efisiensi dari system. Sebagai tambahan pada PT,harus dipertimbangkan efisiensi penggandengan C, yaitu nisbah (ratio) antara daya optik yang digandengkan kedalam serat optik terhadapa daya optik yang keluar dari peranti sumber cahaya: C = PF/Pout … 2.3. dimana PF adalah daya optik yang masuk kedalam serat optik. Karenanya efisiensi total T adalah: T = PT / C = PF/Pel … 2.4. Efisiensi penggandengan ini merupakan fungsi dari struktur peranti sumber cahaya dan distribusi dari intensitas cahaya yang dihasilkan, juga merupakan fungsi dari ukuran dan numerical aperture (NA) serat optik. 2.1.2. Numerical Aperture, Luas Area aktif, dan Distribusi Intensitas Efisieansi internal dan eksternal secara subtansial berbeda antara LED dan Laser. Secara umum efisiensi penggandengan memiliki sifat yang secara umum berlaku untuk seluruh jenis sumber cahaya. Efisiensi penggandengan memiliki hubungan erat dengan area aktif, distribusi intensitas sumber cahaya, penampang lintang serat optik, dan numerical aperture serat optik (NA). Untuk menyederhanakan pembicaraan, dapat dilakukan penganggapan sebagai berikut: Sumber Cahaya Sistem Komunikasi Optik 3 1. Luas area aktif dari sumber cahaya (permukaan yang menghasilkan cahaya) secara substansial lebih kecil dibanding dengan luas penampang lintang serat optik. 2. Berkas sinar dari sumber cahaya melingkupi inti serat optik. 3. Distribusi berkas cahaya adalah Lambertian. Asumsi ke dua dan ke tiga dapat dilihat pada Gambar 2.1 berikut: I Imax I = Imax cos() (a) Inti serat optik Sumber Cahaya 2a Cladding (b) Gambar 2.1. Profil sumber cahaya dan penggandengan ke kabel serat optik (a) profil distribusi Lambertian (b) Penggandengan sumber cahaya Dimana 2a adalah batasr sudut luncur berkas sinar ke dalam serat agar berkas sinar terjebak di dalamnya. Berkas sinar yang berasal dari sumber dibatasi oleh sudut ini. Jelaslah, bahwa ada bagian berkas sinar yang dikeluarkan oleh sumber cahaya diluar sudut ini. Distribusi intensitas cahaya yang dihasilkan oleh sumber cahaya dapat dilihat pada Gambar 2.1. Intensitas berkas cahaya pada arah merupakan fungsi dari cos() kali Imax, yaitu intensitas cahaya dengan arah tegak lurus permukaan sumber cahaya. Pada Sumber Cahaya Sistem Komunikasi Optik 4 arah sekitar 60oC, besar intensitasnya adalah 0.50 Imax. Efisiensi penggandengan untuk kasus ini diberikan oleh persamaan: C = sin2(a) = (NA)2 … 2.5 Contoh 2.1. Suatu sumber cahaya dengan distribusi intensitas berprofil Lambertian. Daya total yang dihasilkan sebesar 1,2 mwatt digandengkan ke kabel serat optik. Anggap bahwa luas area aktif sumber cahaya lebih kecil disbanding dengan luas area inti serat optik. Temukan daya optik yang masuk ke dalam serat optik dengan (1) NA = 0,2 dan (2) NA = 0,4. JawabPertama dihitung efisiensi penggandengan, C kemudian dihitung daya yang masuk ke dalam serat optik, PF. 1. C = (NA)2 = 0,22 = 0,04 atau 4% C =PF/Pout PF = 0,04 1,2 mwatt = 48 watt. 2. C = (NA)2 = 0,42 = 0,16 atau 16 % C =PF/Pout PF = 0,16 1,2 mwatt = 192 watt. Seperti terlihat pada contoh 2.1. bahwa semakin besar nilai numerical aperture (NA) suatu serat optik, semakin besar daya optik yang dapat digandengankan ke dalamnya. Namun demikian bahwa semakin besar numerical aperture suatu serat optik akan menyebabkan dispersi yang makin besar sehingga laju data akan semakin mengecil. Dengan mengenalkan serat mode tunggal dengan diameter inti antara 3 s/d 10 mm, maka sumber cahaya dengan intensitas tinggi dan luas area rendah dikembangkan. Dalam hal sinar laser dengan lebar berkas yang sempit dapat memungkinkan digandengkan ke kabel serat dengan efisiensi yang tinggi. Berkas ini juga memiliki lebar garis spektral sempit, Sumber Cahaya Sistem Komunikasi Optik 5 hal ini memungkinkan untuk memperbaiki kinerja dari pengiriman data melalui serat optik mode tunggal. 2.1.3. Panjang Gelombang dan Lebar Garis Spektral Banyak dijelaskan dibeberapa buku serat optik acuan bahwa panjang gelombang cahaya pada generasi pertama yang digunakan adalah 820 m sampai dengan 850 m. Rentang ini bersesuaian dengan jendela transmisi pertama. Generasi berikutnya panjang gelombang cahaya bergeser ke nilai 1,3 m, dimana pada panjang gelombang ini dispersi sinar pada serat mode tunggal minimal dan daerah ini bersesuaian dengan jendela transmisi ke dua. Dengan memperkenalkan serat optik dispersion shifted fiber yang beroperasi dengan menggunakan sumber cahaya 1,5 m. Panjang gelombang ini bersesuaian dengan jendela transmisi ke tiga. Pada panjang gelombang ini rugi rugi daya optik mendekati angka batas teoritis yang dinyatakan oleh hamburan Rayleigh, yaitu sekitar 0,2 dB/Km. Untuk mengoperasikan pada panjang gelombang beda, maka bahan dan struktur peranti harus dipilih secara hati hati. Serat optik mode tunggal memerlukan berkas sinar yang memiliki lebar garis spektral sempit. Semakin kecil labar garis spektral () akan menghasilkan lebar pit (BW ) yang lebar dan selanjutnya menghasilkan laju data yang tinggi. Dalam kontek ini laju data transmisi berkisar pada tingkat 100 sampai 1000 GHz. 2.1.4. Modulasi dan Waktu Respon Dalam sekema modulasi intensitas, dalam aplikasi komersial sekema modulasi ini yang banyak digunakan untuk memodulasi data, yaitu data dinyatakan dalam variasi intensitas (daya optik keluaran) sumber. Pengiriman data digital dilakukan dengan merubah sumber cahaya “on” dan “off” yang secara berturutan menyatakan data “1” dan “0”.Satu hal yang diperlukan dalam hal ini adalah suatu sumber cahaya yang dapat di “on” dan di “off”kan secara cepat. Sumber Cahaya Sistem Komunikasi Optik 6 Hal yang perlu diperhatikan untuk melihat waktu respon adalah waktu naik (rise time),tr. dan waktu jatu (fall time), tf, yang didefinisikan sama dengan teori pulsa listrik. Gambar 2.2. menunjukkan pulsa masukan ideal yang menghasilkan “on” dan “off” sumber cahaya. tr adalah waktu dimana sumber cahaya menghasilkan pulsa cahaya naik dari 10% menuju level 90% dari level maksimalnya, sedangkan tf didefinisikan sebagai waktu yang diperlukan untuk jatuh dari level 90% menuju level 10% dari level maksimalnya. Gambar 2.2. waktu naik dan waktu jatuh Untuk laju data tinggi, peranti harus memiliki nilai tr dan tf yang kecil. Nilai ini biasanya dispesifikasikan oleh pembuat peranti dan dicantumkan pada data sheet peranti. Hubungan antara lebarpita optik, BW, dan waktu naik (juga waktu turun) diberikan oleh: BW =0.35/tr … 2.6. Rangkaian pengendali (driver) sumber cahaya harus sesederhana mungkin. Umumnya kondisi ini benar untuk sumber cahaya LED tetapi bukan untuk sumber cahaya laser. Namun bagaimnapun sumber cahaya laser memiliki kelebihan disbanding sumber cahaya LED. Untuk modulasi intensitas secara analog, level intensitas cahaya menyatakan amplitudo dari sinyal yang dikirimkan. Ini berarti harus penerima harus mampu merkonstruksi kembali sinyal yang dikirimkan secara baik. Ini bisa terjadi jika relasi antara energi cahaya amplitudo sinyal masukan linier. Hubungan ini biasanya dinyatakan oleh distorsi harmonik dari peranti. Misal jika frekuensi sinyal masukan adalah 100 Hz, kemudian Sumber Cahaya Sistem Komunikasi Optik 7 Contoh 2.2. Waktu naik, tr, suatu LED adalah 25 ns. Temukan (1) lebarpita optik, BW, dan (2) hal hal yang berhubungan dengan laju data bila format data yang digunakan adalah RZ (return to zero format) Penyelesaian 1. Dari persamaan BWopt = 0,35/(2510-9) = 14 MHz 2. Karena BWelctric = 0,707 14 = 9,9 MHz Br(max) BW = 9,9 Mbps keluaran mengandung komponen 200 Hz, 300 Hz, dan seturusnya dengan amplitudo bervariasi. 2.1.5. Kestabilan dan Keandalan Energi cahaya yang dihasilkan oleh sumber cahaya harus hanya bergantung pada sinyal masukan dan harus tidak bergantung pada suhu sekitar dan kondisi alam lainnya. Pada tahap awal pengembangan laser sebagai sumber cahaya system komunikasi optik dilengkapi dengan elemen pendingin (cooler) untuk meminimalkan pengaruh suhu. Namun demikian laser tetap sangat sensitive terhadap variasi suhu.. Dalam beberapa kasus, sumber cahaya yang dipasang di dalam air harus memiliki waktu hidup (life time) kestabilan yang baik untuk menjaga kinerja system. Umumnya waktu hidup system komunikasi optik lebih dari 105 jam (atau sekitar 11 tahun) untuk operasi yang terus menerus. 2.1.6. Keamanan Energi cahaya, secara khusus berkas laser, dipertimbangkan dapat merusak dan berbahaya bagi penglihatan. Oleh karenanya harus dihindari untuk menatap secara langsung ke arah berkas cahaya, meski cahaya yang dihasilkan tidak tampak (invisible Sumber Cahaya Sistem Komunikasi Optik 8 light). Untuk meyakinkan apakah cahaya yang dihasilkan oleh sumber cahaya ada jangan dilakukan dengan mata langsung, tetapi gunkanlah photosensor. 2.2. Prinsip Emisi Cahaya, Emisi Spontan, dan Emisi Terstimulasi Penjelasan sub bab ini mengacu pada bahwa emisi cahaya terjadi ketika ada pembangkitan photon. Photon adalah partikel cahaya (seperti dijelaskan di teori kuantum) atau paket energi. Besar energi photon, Ep, dinyatakan sebagai: Ep = h f …2.7 Dimana h = 6,626 10-34 Js adalah konstanta Planck dan f adalah frekuensi cahaya dalah Hz. Photon cahaya mungkin dapat dibangkitkan bila terjadi perpindahan elektron dari level energi tinggi ke level energi rendah. Level energi elektron wujud dalam bentuk pita (pita energi) yang berhubungan dengan lokasi elektron pada struktur kulit atom. Pita energi ini berhubungan dengan pembangkitan cahaya adalah pita konduksi dan pita valensi seperti pada gambar 2.3. di bawah ini. Pita konduksi hf Pita valensi Gambar 2.3. Pita energi dan peristiwa rekombinasi elektron -hole Pita energi ini terpisah oleh energi gap Eg. Pita energi gap biasa juga disebut pita terlarang, karena elektron atau hole tidak menempati pita ini. Bila terjadi rekombinasi elektron dan hole (elektron transisi dari pita konduksi ke pita valensi) maka mungkin peristiwa ini disertai dengan radiasi optik dengan freksi radisi f: Sumber Cahaya Sistem Komunikasi Optik 9 f = (E2 – E1) / h … 2.8 = c/f = h c/(E2 – E1) … 2.9 dimana E2 adalah energi elektron pada pita konduksi dan E1 adalah energi hole pada pita valensi, adalah panjang gelombang berkas cahaya, c adalah kecepatan cahaya di ruang hampa (c = 3 108 m/s) Pindahnya elektron dari pita konduksi ke pita valensi ini bisa terjadi secara spontan atau secara terstimulasi. Emisi cahaya secara spontan ini terjadi, misalnya pada LED, sementara emisi cahaya yang terjadi pada laser adalah emisi terstimulasi. Contoh 2.3. Suatu bahan dengan energi gap sebesar 1,2 eV digunakan untuk menghasilkan cahaya. Temukan frekuensi dan panjang gelombang cahaya yang dihasilkan. Penyelesaian. E2 – E1 = 1,2 eV = h f f = (1,2 1,6021 10-19)/(6,626 10-34) = 2,90 1014 Hz = c/f = 3 108/(2,90 1014) = 1,03 m Pada contoh di atas energi gap diberikan dalam satuan eV (electron volt). Dengan memsaukkan seluruh konstanta, maka persamaan 2.9. dapat dituliskan dalam bentuk: = 1,24 / (E2 – E1) = 1,24 / Egap … 2.10 dimana dalam m dan Egap dalam eV. Untuk mewujudkan sumber cahaya yang efisien, maka jumlah rekombinasi elektron yang terlibat harus menghasilkan radiasi optik. Hal ini bisa dilakukan dengan 1. Memilih bahan peranti yang cocok dimana rekombinasi elektron akan bersifat radiatif Sumber Cahaya Sistem Komunikasi Optik 10 2. Menggunakan struktur yang memungkinkan jumlah elektron pada pita konduksi sangat besar dan diharapkan akan transisi ke pita valensi. 3. Membatasi pembangkitan cahaya sedemikian hingga radiasi cahaya yang terjadi tidak ke segala arah. Gambar 2.4. memperlihatkan sambungan P-N dengan dan tanpa tegangan bias. Pada gambar 2.4.a. tidak ada tegangan bias, dan karenanya daerah deplesi lebar. Jika tegangan bias diberikan, sejumlah besar elektron didorong, atau disuntikkan, menuju daerah tipe N (atau sejumlah besar hole menuju daerah tipe P). Situasi ini, dimana terdapat konsentrasi elektron berenergi besar, lazim dinamakan dengan kondisi populasi balikan. (Dalam situasi normal jumlah bernergi rendah lebih besar disbanding jumlah elektron berenergi tinggi). Elektron dan hole melakukan penitrasi di daerah deplesi dan melakukan rekombinasi dimana situasinya dilukiskan pada gambar 2.4.c. Gambar 2.4.b. melukiskan terjadinya emisi cahaya di pusat rekombinasi yang lokasinya berdekatan dengan sambungan. (a) (b) Sumber Cahaya Sistem Komunikasi Optik 11 (c) Gambar 2.4. Struktur sambungan P-N, (a) Sambungan P-N tanpa tegangan bias (b) sambungan P-N dengan tegangan bias, dan (c) transisi level energi Cahaya yang dihasilkan oleh laser adalah hasil emisi secara terstimulasi. Secara prinsip, emisi terstimulasi berarti bahwa photon menstimulasi emisi photon lain yang lebih besar. Ini menyerupai efek avalanche yang terjadi pada diode zener. Tumbukan antara photon dengan elektron berenergi tinggi akan mengakibatkan terjadinya transisi dan menghasilkan energi radiasi berupa photon. Photon-photon terstimulasi ini memungkinkan untuk bertumbukan dengan elektron dan menghasilkan photon yang lebih besar. Adalah penting untuk mampu membatasi photon pada luas area aktif untuk mendorong proses avalanche ini. Seperti diketahui bahwa agar terjadi emisi terstimulasi, maka harus terdapat populasi balikan, yaitu konsentrasi populasi pada level energi tinggi lebih besar disbanding konsentrasi populasi pada level enrgi rendah. Untuk material laser harus dipilih material yang jika terjadi transisi elektronik harus menghasilkan radiasi photon. Sebagai tambahan, untuk emisi terstimulasi diperlukan sumber photon yang cukup besar, hal ini bisa dilakukan dengan menggunkan pemompaan. 2.3. LED (Light Emitting Diode) Struktur LED atau IRED (Infrared Emitting Diode) esensinya adalah diode semikonduktor. Material yang digunakan adalah material yang jika terjadi rekombinasi Sumber Cahaya Sistem Komunikasi Optik 12 antara elektron dan hole akan menghasilkan radiasi photon. Luas area aktif dimana rekombinasi elektron-hole terjadi dan radiasi photon berlangsung umumnya sangat kecil dan berkas cahaya yang dihasilkan harus merambat melalui porsi material. Diode dirancang dalam berbagai jenis, misalnya surface-emitting LED (SLED) dimana berkas cahaya dihasilkan dari area permukaan atau edge-emitting LED (ELED) yang menghasilkan berkas cahaya melalui tepi permukaan aktif. Sebagai tambahan, berbagai system optik, misalnya system lensa dan penanaman fiber dalam material LED banyak dilakukan untuk memperbaiki efisiensi penggandengan sumber cahaya dan serat optik. 2.3.1. Struktur Sederhana LED Gambar 2.5. merupakan struktur sederhana dari LED, dimana daerah tipe P relatif lebih tipis sekitar 1 m. Peristiwa rekombinasi elektron-hole terjadi di daerah sambungan dan menghasilkan radiasi cahaya ke segala arah. Sebagian besar cahaya keluar melalui lapisan tipe yang tipis tadi. Gambar 2.5. Struktur sederhana dari LED Bahan yang digunakan untuk pembuatan LED umumnya adalah GaAs dan bukan silikon atau germanium, karena GaAs lebih bersifat radiatif. Bahan lain yang juga digunakan untuk pembuatan LED antara lain galium arsenide phospor (GaAsP), galium phospor (GaP), aluminum galium arsenide (AlGaAs), dan indium galium arsenide phospor (IngaAsP). Struktur LED seperti pada Gambar 2.5.berstruktur homojunction dan Sumber Cahaya Sistem Komunikasi Optik 13 menghasilkan cahaya memancar kesegala arah. LED demikian tidak efisien karena hanya bagian kecil dari cahaya yang bisa dimanfaatkan. Untuk memperbaiki kinerja LED, maka perlu ditambahkan lapisan bertipe P atau lapisan bertipe N seperti pada Gambar 2.6. Struktur ini lazim dinamakan dengan heterostructure. Gambar 2.6. LED dengan struktur double-heterostructure yang menghasilkan berkas cahaya dalam satu arah permukaan Dua lapisan tipe P dan N dengan bahan dan konsentrasi doping yang berbeda satu sama lain ditambahkan ke dalamnya. Struktur ini memperbesar konsentrasi elektron dan hole pada daerah aktif dan mengarahkan cahaya yang dipancarkan pada arah satu permukaan saja. Lapisan tipe P yang berada pada bagian bahaw berfungsi sebagai reflector sementara permuakan tipe N transparan. Sudut sebaran cahaya yang dihasilkan kurang lebih sebesar 120o. 2.3.2. Surface-Emitting LED Struktur LED yang ditunjukkan pada Gambar 2.6 meradiasikan berkas cahaya melalui permukaan sambungan, buka dari sisitepi sambungan. Beberapa variasi dari LED dengan struktur ini dikembangkan yang bertujuan untuk memperbaiki efisiensi radiasinya. Sumber Cahaya Sistem Komunikasi Optik 14 LED dengan tipe Burrus ditunjukkan pada Gambar 2.7, dimana daerah aktif diajaga tetap kecil dengan menyediakan kontak listrik dalam porsi kecil pada lapisan tipe P bagian bawah (lapisan SiO2 mengisolasi lapisan logam terhadap lapisan tipe P). Dua buah lapisan tipe P bagian bawah (GaAs dan AlGaAs) berfungsi sebagai cermin pemantul dan juga berfungsi untuk membatasi terjadinya rekombinasi pada daerah dekat sambungan PN. Sumur sirkular dibuat pada lapisan tipe N bagian atas untuk penyambungan dengan kabel serat optik. LED tipe ini memiliki efisiensi penggandengan lebih baik dibandingkan dengan LED berstuktur homojunction. Gambar 2.7. Struktur LEB bertipe Burrus dengan sumur sirkular tempat Memasukkan kabel sert 2.3.3. Edge-Emitting LED Seperti pada Gambar 2.6 bahwa surface- emitting LED akan menghasilkan berkas sinar dengan sebaran yang lebar meski berbagai usaha telah diupayakan untuk mengarahkan keluaran berkas sinar. E-LED (edge-emitting LED) adalah usaha lain untuk lebih Sumber Cahaya Sistem Komunikasi Optik 15 menfikuskan berkas sinar yang dihasilkan oleh LED. Tipikal E-LED ditunjukkan pada Gambar 2. 8. Lapisan multi yang ditambahkan pada struktur memiliki 2 fungsi, yaitu: - lapisan P dan lapisan yang pertama mengkonsentrasikan elektron dan hole yang disuntikkan oleh tegangan supply di area aktif. - Lapisan P dan lapisan N yang kedua menjaga agar berkas sinar dibangkitkan pada daerah dekat daerah aktif. Dengan cara ini akan diperoleh konsentrai elektron dan hole lebih tinggi dan akan menyebabkan banyak transisi (rekombinasi) dan akhirnya akan diradiasikan berkas sinar yang lebih banyak. Cahaya ini akan dikeluarkan melalui sisi tepi sambungan. (a) (b) Gambar 2.8. Struktur edge-emitting LED (E-LED) (a) sisi samping, dan (b) penggambaran lebih rinci Sumber Cahaya Sistem Komunikasi Optik 16 Struktur E-LED menghasilkan berkas reltif lebih sempit dibanding dengan S-LED (surface-emitting LED) yaitu sekitar 30o pada arah tegak lurus dan berkas yang sama dengan E-LED pada arah sejajar. Ini dapat memperbesar efisiensi penggandengan dengan serat optik dengan NA yang kecil. Lapisan insulasi SiO2 memungkinkan kontak dengan lapisan diode hanya terjadi pada garis yang pendek (struktur ini disebut strip geometry). Ini menyebabkan konsentrasi arus yang disuntikkan lebih baik pada daerah yang kecil dan meningkatkan efisiensi pembangkitan berkas cahaya. 2.3.4 Karakteristk LED Efisiensi Salah satu karakteristik terpenting dari LED adalah efisiensi. Umumnya, efisiensi ini berhubungan dengan daya listrik (daya masukan) terhdap daya optik keluaran. Efisiensi kuantum Q berhubungan dengan arus masukan terhadap cahaya yang dibangkitkan secara internal, bukan terhadap cahaya yang dikeluarkan oleh LED. Dalam kebutuhan praktis Q ini bernilai antara 0,5 sampai 0,8 (50% sampai 80%). Artinya bahwa hanya 50% dari elektron yang disuntikkan menghasilkan photon. Untuk penyederhanaan Q ini berikut didefinisikan: Q = Pint / Pel … 2.11 dimana Pint adalah berkas sinar yang dibangkitkan secara internal dan Pel daya listrik terdisipasi. Penting untuk menyatakan bahwa berkas cahaya yang dihasilkan ole LED Pout secara substansial lebih kecil dari Pint yang disebabkan oleh berbagai faktor. Misalnya cahaya yang dibangkitakn secara internal harus melalui bahan transparan sebelum keluar dari LED. Antarmuka dari LED (indeks bias sekitar 3,5 s/d 3,7) dan udara luar (indeks bias = 1)akan menyebabkan pembiasan dan tentunya akan menyebabkan rugi-rugi berkas, karenanya hanya bagian kecil saja dari berkas cahaya yang dihasilkan dikeluarkan. Sumber Cahaya Sistem Komunikasi Optik 17 Contoh 2.4. Temukan daya yang dipancarkan, Pout, oleh LED dengan spesifikasi PT = 1,0 % ID = 50 mA (arus diode) VF = 1,6 V (tegangan jatuh LED) Penyelesaian Daya listrk (tegangan diode dikalikan arus yang mengalir pada LED) Pel dapat ditemukan sebagai: Pe = ID VF = = 50 10-3 1,6 = 80 mW Pout = (1/100) 80 =0,8 mW = 800 W Dari contoh 2.4. dapat dilihat bahwa Pout sebesar 800 W saja, yang menunjukkan nilai rata tipikal dari LED. Ingat bahwa berkas ini diradiasikan ke segala arah, maka untuk mengkonsentrasikan berkas sinar perlu perlakuan khusus. Kurva V – I dan P – I LED memiliki relasi tegangan-arus serupa dengan relasi tegangan-arus pada diode umumnya. Gambar 2.9. melukiskna hubungan tegangan – arus pada LED. Dengan jatuh maju LED nilainya bervariasi antar 1,3 volt sampai 2,0 volt. Arus maju tipikal bernilai 50 sampai 100 mA untuk arus DC dan 1 A sampai 3 A untuk pulsa (LED dari bahan GaAlAs OPC216 dapat beroperasi pada arus pulsa sebesar 3A). Dari diskusi efisiensi, diketahui bahwa untuk arus masukan besar, Pel akan menghasilkan daya keluara, Pout, besar. Tipikal dari kurva kurva IF terhadap Pout dapat dilihat pada Gambar 2.10. Kurva pertama menyatakan LED dengan daya besar, sedang kurva 2 menyatakan LED rendah. Disini IF adalah arus diode maju, yang berhubungan langsung Sumber Cahaya Sistem Komunikasi Optik 18 dengan jumlah elektron yang disuntikkan ke dalam peranti. Perhatikan bahwa untuk IF = 100 mA, yang merupakan nilai maksimum dari IF, maka Pout dari kurva pertama bernilai 7 mW. Sebab VF bernilai sekitr 1,6 V, maka PT bernilai [(7/1,6 100) 100] = 4.4% ID (mA) 100 50 VD (volt) 1 2 3 Gambar 2.10. Grafik arus terhadap tegangan suatu LED Gambar 2.11. Kurva karakteristik daya LED dan arus maju Sumber Cahaya Sistem Komunikasi Optik 19 Soal-Soal 1. Suatu photodiode menerima daya optik -55 dBm. Berapa besar daya optik jika dinyatakan dalam satua milliwatt atau microwatt. 2. Suatu LED digandengan dengan serat dan – 10 dBm dari LED hilang , dan rugi rugi transmisi total sebesar 35 dBm Hitung daya yang diterima ole recier. 3. Suatu kombinasi LED memilik Q = 50%, PT = 1%, dan C = 5%.Daya masukan LED adalah 100 nW, Temukan daya optik dalam serat optik. 4. Syatu serat optik dengan NA = 0.2 digandeng dengan LED (profile lambertian) dengan disipasi daya sebesar 200 mW. Daya yang masuk dalam fiber peling sdeikit harus 100 W. Temukan nilai PT minimumnya. 5. Suatu serat dengan sudut serap (acceptance angle) 48o disinari dengan cahaya yang dihasilkan oleh LED (lambertian ) yang melingkupi sisinya. Daya total keluaran LED adalah 0,8 mW. Temukan daya masuk ke dalam serat. Sumber Cahaya Sistem Komunikasi Optik 20
