BAB III TEKNOLOGI DAN ANALISIS FUNGSI KOMPONEN
advertisement
BAB III TEKNOLOGI DAN ANALISIS FUNGSI KOMPONEN OPTOELEKTRONIKA Karena watak komponen-komponen optoelektronis sangat menentukan unjuk kerja sistem yang dibentuk secara menyeluruh, maka perlu difahami secara mendalam teknologi pembuatan komponen masing-masing dan cara analisis fungsinya. Hal ini terkait dengan prosedur perancangan sistem optoelektronis yang harus cermat secara konseptual dan analitis kuantitatf untuk memenuhi standar unjuk kerja sistem yang telah ditentukan. Teknologi komponen mencakup teknologi bahan, teknologi struktur, dan teknologi fabrikasinya. Seperti telah diperlihatkan di Bab II, komponen-komponen optoelektronis terbagi dalam tiga bagian fungsional sistem, yaitu: 1) komponen-komponen pemancar cahaya, 2) komponen-kornponenpenyalur cahaya, dan 3) komponen-komponen pengindera cahaya. Pembahasan masing-masing komponen dimulai dengan konsep dasar atau teori yang melandasi hingga karakteristik aktual yang diungkap dengan hubungan rnasukan-keluarannya. III. 1. SUMBER-SUMBER ELEKTROLUMINESENS Disebut demikian karena komponen-komponen pemancar, dengan masukan energi menghasilkan cahaya, tanpa melalui proses pemanasan seperti yang terjadi pada lampu pijar. Sumber elektroluminesens terbagi dalam dua kelompok besar, yaitu pertama yang menghasilkan cahaya nonkoheren, seperti LED (Light Emitting Diode), dan kedua yang menghasilkan cahaya koheren, seperti ILD (Injection Laser Diode). III.1.1. Dasar Teori LED Celah Tenaga pada Bahan Semihantar Bahan semihantar mernpunyai sifat di antara sifat-sifat penghantar dan isolator. Dalam satuan s/m (siemen/meter) kehantaran/konduktivitas penghantar dalam orde 1016 atau lebih besar, isolator dalarn orde 10-4 atau lebih rendah, dan semihantar dalam orde 10-14. Dalam keadaan normal, suhu kamar, elektron bebas pada bahan semihantar lebih banyak daripada jumlah elektron bebas yang terdapat pada bahan isolator, namun tidak sebanyak elektron bebas yang terdapat pada bahan penghantar. Pada suhu yang sangat rendah bahan semihantar cenderung bersifat sebagai isolator; path suhu yang cukup tingggi bahan ini cenderung bersifat sebagai penghantar. Penjelasan mengenai hantaran elektrik pada semihantar berdasar perilaku elektron dalam lingkup atom yang memilikinya. Pada lingkup atom berlaku hukum-hukum mekanika kuantum yang menyatakan bahwa elektron luarnya dapat mempunyai energi pada kuantum tertentu saja, tidak sembarang. Bila ada pengaruh dan luar, misal kenaikan suhu, elektron-elektron pada bahan semihantar terpacu, menthpat tambahan tenaga yang menentang gaya tarik intiintinya. Apabila tenaga elektron sudah cukup besar, maka elektron akan melepaskan din dan ikatan kovalennya dan menjadi elektron bebas. Elektron-elektron yang mempunyai aras tenaga tertinggi pada model atom Bohr adalah elektron yang menempati lintasan terluar. Bidang cangkang tenluar disebut juga bidang valensi. Jumlah elektron yang berada pada lintasan terluar ini, pada keadaan normal disebut elektron valensi. Elektron-elektron yang telah lepas dan bidang valensi akan menempati bidang hantaran. Jarak antara bidang hantaran bagian bawah dan bidang valensi bagian atas disebut celah tenaga. Besar celah tenaga menggambarkan tambahan tenaga minimum yang hams dilampaui agar elektron pada bidang valensi dapat berpindah menempati bidang hantaran, atau dengan kata lain, tenaga yang dibutuhkan agar elektron dapat melepaskan diri dari ikatan kovalennya menjadi elektron bebas. Kedudukan elektron pada bidang hantaran tidak mantap. Mereka cenderung kembali ke bidang valensi. Apabila terjadi elektron dan bidang hantaran kembali ke bidang valensi, maka tenaga yang telah diserap akan dilepaskan kembali dalam bentuk tenaga cahaya atau panas. Anabila tenaga yang dilepaskan tersebut dalam bentuk tenaga fotonlcahaya, cahaya tersebut akan mempunyai frekuensi tertentu sesuai dengan lebar celah tenaga transisinya. Hubungan tersebut menyatakan dengan persamaan (3.1). Model penggambaran bidang valensi, bidang hantaran, dan celah tenaga dapat dilihat pada Gambar 3.1. E = h.f dengan : E = tenaga yang diserap/dilepaskan h = tetapan Planck, 6,624 x 10-34 W-dt/Hz f = frekuensi gelombang cahaya yang dihasilkan Gambar 3.1 Model Penggambaran celah tenaga Pada bahan semihantar murni, mu i, elektron bebas tidak dapat berada pada aras dalam celah tenaga. Daerah aras celah tenaga disebut juga daerah celah terlarang. Dengan membubuhi bahan semihantar dengan unsur-unsur unsur unsur tertentu lain lain, elektron dapat menempati celah terlarang ini. Unsur pembubuh inii mempunyai valensi yang berbeda dengan bahan semihantarnya. Apabila atom pembumbuh mempunyai valensi yang lebih besar, maka penggabungan/pembubuhannya penggabungan pembubuhannya akan mengakibatkan kelebihan elektron, dan elektron tambahan ini i akan menempati aras tenaga sedikit di bawah bidang hantaran di dalam daerah terlarang. Atom bahan pembumbuh yang mengakibatkan kelebihan elektron disebut atom donor dan bahan semihantar terbubuh tersebut dikatakan berjenis--n. Sebaliknya liknya apabila unsur pembumbuh mempunyai valensi yang lebih kecil akibatnya batnya akan terjadi kekosongan elektron; atau terjadi lubang (hole). Atom pembubuh ini ni disebut disebut aseptor dan bahan semihantar terbubuh dikatakan berjenis-p. p. Dengan adanya atom aseptor ini kemampuan emampuan hantar melalui lubang meningkat, sehingga aras hantaran lubang akan sedikit di atas aras bidang valensi. Keadaan tersebut dapat dilukiskan pada Gambar 3.2 Gambar 3.2 Aras tenaga pada bahan jenis-p jenis dan jenis-n n pengaruh penggabungan bahan semihantar jenis-n dan jenis-p Apabila bahan jenis-p dan jenis-n disambung akan terjadi sambungan p-n atau diode. Elektronn dari bahan jenis-n akan berdifusi (bergerak kian-kemari sambil bergeser) melintasi sambungan menuju bahan jenis-p; sebaliknya lubang dari bahan jems-p akan berdifusi melewati sambungan menuju daerah-n sampai terjadi suatu keseimbangan bila elektron maupun lubang tidak lagi berdifusi ke wilayah seberang sambungan. Sebagian pasangan elektron-lubang yang berdekatan mengadakan rekombinasi, sehingga di wilayah sambungan akan terjadi pengosongan muatan; dan wilayah kekosongan (depletion region) menjadi pemisah sisi p dan n terdapat perbedaan potensial antara kedua sisi daerah kosong tersebut. Potensial yang terjadi disebut potensial penghalang (barrier potential); yang menghalangi proses rekombinasi lebih lanjut. Dalam keadaan seimbang ini di wilayah p di dekat sambungan terjadi penumpukan lubang yang kepadatannya semakin menurun bila semakin jauh dan sambungan. Masing-masing muatan tersebut menjadi pembawa minoritas. Besar potensial penghalang ini sedikit lebih rendah dari celah tenaga. Apabila diode p-n diberi prasikap maju dari luar, maka tambahan electron/lubang akan berusaha menembus wilayah penghalang; memperkecil potensial penghalang. Bila tegangan kuat yang diterapkan mampu mengatasi potensial penghalang, maka electron/lubang akan mengadakan rekombinasi dan menghasilkan arus elektrik. Proses rekombinasi ini melepaskan tenaga yang sebelumnya diserap elektron. Gambar model sambungan p-n tampak pada Gambar 3.3. Uraian Iebih mendalam mengenai mekanisme arus elektrik di dalam diode p-n terdapat di bukubuku teks Elektronika Dasar. Di sini segera akan dibahas terpancarnya cahaya pada diode yang khusus dibuat menjadi LED. Gambar 3.3 Model sambungan sambunga p-n Proses rekombinasi yang terjadi ada dua macam, yaitu: yang menghasilkan radiasi cahaya dan proses yang tidak menghasilkan radiasi cahaya (nonradiative process), yaitu dalam bentuk panas. Dalam pembicaraan LED, tekanan diberikan pada proses yang menghasilkan radiasi cahaya. Ada dua proses rekombinasi da dari satu bidang energi ke bidang energi lain, yaitu: rekombinasi langsung dan rekombinasi taklangsung. Proses rekombinasi langsung adalah proses yang terjadi antara elektron yang berada pada bagian bawah awah bidang hantaran dengan lubang pada aras bagian atas bidang valensi secara langsung. Tenaga foton akan sama dengan tenaga celah bidangnya. Proses rekombinasi je jenis ini sebagian besar terjadi pada bahan celah bidang langsung, misalnya pada GaAs (direct band-gap gap material). Pada bahan celah bidang langsung ini,i, momentum elektron pada pa bidang ng hantaran sama dengan momentum lubang yang berada pada pa bidang valensi. Karena itu kemungkinan terjadinya rekombinasi yang menghasilkan foton cukup tinggi. Proses rekombi rekombinasi taklangsung dapat terjadi karena pada pa bahan semihantar tertentu momentum elektron pada bidang hantaran dan lubang valensi tidak sama. Hal ini i mengakibatkan kemungkinan proses rekombinasi yang menghasilkan cahaya menjadi kecil karena terlibatnya proses lain yang menghasilkan/menyerap menghasilkan menyerap foton penyeimbang dalam menjaga kekekalan momentum. Karena diperlukannya momentum penyeimbang ini, maka pesat dan efisiensi proses radiatif menjadi rendah. ren h. Aras tenaga tempat terjadi keseimbangan momentum disebut aras perangkap (aras antara). Frekuensi cahaya yang dihasilkan sebanding dengan tenaga celah bidang bi dikurangi urangi tenaga yang digunakan untuk membentuk bidang bi ng perangkap. Bahan semihantar yang mempunyai proses rekombinasi jenis inii disebut bahan celah bidang taklangsung. Model proses rekombinasi pada bidang ng sambungan p-n p tampak pada Gambar 3.4 Gambar 3.4 Model rekombinasi langsung dan taklangsung Efisiensi radiatif bahan jenis inii dapat ditingkatkan dengan membubuhi bahan semihantar dengan atom unsur lain tertentu, sehingga terbentuk bidang perangkap tersebut. Aras bidang perangkap perang ap keadaan normalnya adalah netral namun menimbulkan potensi lokal yang cenderung menarik elektron. Bidang inii disebut juga bidang isoelektrik. Pada bahan jenis jenis-p elektron injeksi mula-mula mula terperangkap dalam bidang ini,i, kemudian beralih dari da bidang perangkap ke bidang valensi yang selanjutnya berekombinasi. Bahan semihantar pembentuk LED LED dirancang sebagai sumber cahaya yang berdaya guna tinggi untuk keperluan sistem komunikasi unikasi optoelektronika, khususnya pada warna a cahaya merah dan inframerah. Panjang gelombang gelombang cahaya yang diperoleh berbanding terbalik dengan celah tenaga transisi antara bidang hantaran taran dan bidang valensi. Hubungan tersebut dirumuskan dengan persamaan (3.1) dan (3.2). atau, (3.2) Dengan = panjang gelombang Eg = nilai celah bidang transisi c = kecepatan cahaya di udara/ruang hampa h = tetapan planck Daya keluar dari LED adalah (3.3) Dengan = bagian muatan yang berekombinasi N = jumlah muatan per detik Eg = tenaga celah i = arus injeksi e = muatan elektron = -1,6 x 10-19 coulomb Pemilihan jenis bahan untuk LED disesuaikan dengan panjang-gelombang panjang gelombang cahaya yang diharapkan keluar. Ada cukup banyak bahan semihantar semihantar yang dapat menghasilkan cahaya, namun hanya sedikit yang cocok sebagai bahan LED yang digunakan dalam praktek. Dalam hal untuk keperluan komunikasi, dipilih LED yang menghasilkan cahaya merah atau inframerah. Alasan pemilihan ini, i dalam hubungannya dengan penyaluran isyarat melalui serat optis, adalah susutan daya pada cahaya merah dan inframerah yang relatif kecil dibanding dengan cahaya pada kawasan frekuensi lainnya. la BAHAN CELAH BIDANG TENAGA (Ev) PANCARAN JENIS TRANSISI (nm) (x 1,6 x 10--19 Joules) Ge 0,66 1880 Taklangsung Si 1,09 1140 Taklangsung GaAs 1,43 910 Langsung GaP 2,24 560 Taklangsung GaAs.6P.4 1,91 650 Langsung A1Sb 1,60 775 Taklangsung 2,2 – 3,0 563 – 413 Taklangsung A1GaAs 1,40 – 1,55 800 – 900 InGaAs 0,95 – 1,24 1000 – 1300 InGaAsP 0,73 – 1,35 900 – 1700 SiC Jenis bahan LED yang banyak digunakan secara komersial antara lain GaAs, GaP, dan kombinasi Ga(As,P). Pada tabel di atas diberikan contoh bahan semihantar yang banyak digunakan, besar celah tenaga, panjang-gelombang cahaya yang dihasilkan, dan macam aras transisi. Bahan-bahan celah bidang langsung dan celah bidang taklangsung Efisiensi dan pesat rekombinasi pada bahan semihantar celah bidang langsung sangat berbeda dengan bahan celah bidang taklangsung. Di bagian terdahulu telah dibicarakan bahwa panjang-gelombang yang terpancar akan sebanding dengan tingkat celah tenaga transisinya. Bila celah bidang tenaganya besar, maka cahaya yang dipancarkan akan mempunyai panjang-gelombang yang pendek dan sebaliknya celah tenaga yang kecil akan menghasilkan cahaya dengan panjang-gelombang yang panjang. Rekombinasi radiatif pada bahan celah bidang langsung berjalan dengan cepat, karena kedua komponen yang berekombinasi telah mempunyai momentum yang sama; sedangkan pada bahan celah bidang taklangsung proses rekombinasi nonradiatif mendominasi proses, sehingga pesat maupun efisiensinya rendah. Berikut ini digambarkan bidang valensi dan bidang hantaran sebagai fungsi momentum pada bahan kombinasi GaAsi-xPx, dengan x adalah fraksi mol. Seperti tampak pada Gambar 3.5, terdapat dua cekungan minimum, yaitu: cekung minimum langsung dan cekung minimum taklangsung. Elektron pada bidang hantaran menempati bidang tenaga minimum sedangkan lubang menempati bidang valensi maksimum. Elektron pada cekung minimum langsung mempunyai momentum yang sama dengan lubang pada bidang valensi maksimum. Kekekalan momentum terjadi tanpa melibatkan rekombinasi yang menghasilkan foton. Elektron pada cekung minimum taklangsung mempunyai momentum yang berbeda dengan momentum lubang. Kekekalan momentum melibatkan proses rekombinasi non-radioatif sebagai proses penyeimbang. Pada Gambar 3.5 tampak bahwa untuk x < 0,4 cekung minimum bidang langsung lebih dominan, sehingga bahan kombinasi GaAsi-xPx dengan x < 0,4 dikenal sebagai bahan celah bidang langsung. Untuk x> 0,4 cekungan minimum celah bidang taklangsung lebih dominan, sehingga bahan komposisi GaAsi-xPx dengan x > 0,4 dikenal sebagai bahan celah bidang taklangsung. Dengan kenaikan nilai x celah bidang tenaga bertambah besar dan dengan demikian bahan ini menjadi kurang efesien untuk LED karena proses rekombinasi non-radiatif yang terlibat dalam kekekalan momentum bertambah besar. Efisiensi radiasi yang tinggi dapat diperoleh dengan menggunakan bahanbahan celah bidang langsung, namun karena adanya faktor-faktor lain yang harus dipertimbangkan, misalnya kemudahan-kemudahan kemudahan kemudahan produksi dan harga, maka bahan bahanbahan celah bidang ng langsung banyak digunakan. Gambar bar 3.5 Bagan hubungan momentum dan celah tenaga untuk beberapa kombinasi GaAsP Perbaikan watak bahan celah bidang taklangsung dilakukan dengan mengusahakan terbentuknya ntuknya bidang perantara yang menjembatani bidang valensi dan bidang hantaran dengan memasukkan memasukk bahan tertentu pada bahan-bahan bahan semihantar tersebut. Bidang perantara ini ni disebut bidang perangkap (isoelectronic isoelectronic trapping centre centre). Dalam keadaan normal bidang ini netral, namun mengimbaskan potensial setempat yang cenderung menarik elektron dari da bidang Pengumpulan elektron pada bidang tengah inii makin meningkat. Demikian pula momentum mentum elektron akan terdifusi dalam bidang ini,i, sehingga kemungkinan terjadinya te rekombinasi ombinasi dengan lubang dan bidang valensi meningkat. Gambar 3.6 Bagan hubungan momentum dan celah tenaga bahan taklangsung GaP dan aras perangkap Pada bahan semihantar GaP ada dua jenis pembentukan bidang bi ng perangkap yang dapat dilakukan. an. Metode pertama dengan menyisipkan/mengganti menyisipkan mengganti atom Phospor dengan Nitrogen. yang kedua dengan mengganti pasangan atom GaP dengan pasangan atom Seng-Oksigen Oksigen dengan jumlah elektron valensi yang sama. Bidang perangkap berada sedikit di bawah bidang Struktur ini i terlihat pada Gambar 3.6. Bahan GaP yang diberi atom pembubuh n, n, proses rekombinasinya menghasilkan cahaya dengan panjang-gelombang gelombang 565 nm (hijau). Bila bahan GaP diberi bahan pembubuh pasangan Seng-Oksigen Oksigen akan menghasilkan cahaya dengan panjang-gelombang gelombang 700 nm (merah). Watak Volt-ampere Diode Watak volt-ampere ampere diode dio dinyatakan dengan persamaan 3.4 Dengan : IF = arus prasikap maju I0 = arus jenuh mundur VF = tegangan prasikap maju VT = tegangan yang bersikap suhu = bernilai 1-2 1 Hasil empiris s koefisien suhu, baik ba k untuk bahan celah bidang langsung maupun untuk bahan celah bidang taklangsung, adalah antara -1,3 sampai -2,3 2,3 mV/°C, tergantung pada arus prasikap rasikap majunya. Hubungan ini dilukiskan pada Gambar 3.7. Gambar 3.7 Koefisien Suhu Tegangan Maju sebagai Fungsi Arus Maju Perubahan Panjang-gelombang gelombang Puncak sebagai Fungsi Suhu Lebar celah tenaga, baik pada bahan celah bidang langsung maupun celah bidang taklangsung, cenderung mengecil dengan kenaikan suhu. Karena panjang panjanggelombang cahaya yang dipancarkan sebanding dengan lebar celah tenaga, maka perubahan lebar bar celah bidang tenaga akan mengubah panjang-gelombang panjang gelombang puncak yang dihasilkan. Hasil empiris menunjukan bahwa untuk pemancar celah bidang langsung, panjang-gelombang gelombang yang dihasilkan akan naik 0,2 mm/°C, sedangkan bahan celah bidang taklangsung dengan atom pembubuh Nitrogen mempunyai unyai faktor ketergantungan yang lebih rendah, yaitu 0,09 nm/° nm C. Perubahan Daya Keluaran karena Perubahan Suhu Daya pancar LED menurun dengan kenaikan suhu. suhu. Variasi perubahan sekitar -1% baik untuk bahan celah bidang langsung maupun maupu bahan celah ah bidang taklangsung. Untuk LED yang dalam penerapannya menggunakan mata sebagai detektornya, maka variasi tanggapan mata sebagai fungsi panjang-gelombang panjang gelombang harus diikutsertakan dalam perhitungan itungan variasi va asi ketergantungan daya pancaran terhadap suhu.. Sebagai ilustrasi diambil contoh sebagai berikut: pada panjang-gelombang panjang gelombang 650 nm daerah merah tanggapan mata berkurang -0,43% 0,43% dan pada daerah hijau dengan panjang-gelombang gelombang 565 nm tanggapan mata berkurang -0,86% 0,86% nm. Jika perubahan panjang-geiombang sebagaii fungsi suhu adalah ada 0,2 nm/°C untuk 650 nm ce celah bidang langsung, maka intensitas optis akan menurun sebesar: dan apabila perubahan 0,09 nm/° /°C untuk bahan celah bidang taklangsung dengan panjang-gelombang gelombang 565 nm, maka intensitas optis akan menurun sebesar sebes : Perubahan intensitas luminus LED mempunyai hubungan logaritmis dengan perubahan n suhu. Hubungan tersebut dapat dinyatakan sebagai: I v suhu 1 = I v suhu 0ek dengan T I v suhu 1 = intensitas luminus pada t1 I v suhu 0 = intensitas luminus pada t0 tX = T0-T1 k = in (1-koefisien koefisien suhu) (3.5) III-1.2 Sifat-Sifat Fisis LED Pengetahuan tentang sifat-sifat sifat sifat fisis bahan semihantar sangat diperlukan dalam proses perancangan suatu komponen optoelektronis agar diperoleh peranti dengan watak yang sesuai dengan tujuan penggunaannya. Faktor-faktor Faktor faktor penting yang hams diperhatikan antara lain, pemilihan bahan semihantar, pemilihan bahan penyungkup, sifat-sifat sifat pancaran cahaya pada bahan utama dan bahan pendukungnya, dan rugi rugi-rugi akibat perbedaan indeks bias bahan yang dilalui cahaya. Mengenai bentuk fisiknya, LED terbungkus dengan bahan gelas atau plastik dengan berbagai bentuk. Bentuk kubah dan persegi merupakan yang paling umum digunakan. Konstruksi tersebut bertujuan memperbesar bentuk luar, memudahkan pemasangan, melindungi bagian dalam yang lemah dan peka, dan memperbesar efisiensi radiasinya. adiasinya. Tidak semua foton yang keluar dan daerah aktif sambungan dapat sampai ke detektor. Sebagian foton hilang di tengah perjalanan. Hal mi merupakan suatu kerugian. Ada tiga macam rugi-rugi rugi rugi daya yang berkaitan dengan perjalanan foton, yaitu; rugi daya a akibat penyerapan oleh bahan semihantar, rugi-rugi rugi rugi Fresnel, dan rugi-rugi sudut kritis. Efisiensi konversi tenaga elekths ke optis dinyatakan dengan persamaan η eo = P0 × 100% Pe dengan (3.6) Po = tenaga optis Pe = tenaga elektris Rugi-rugi Akibat Penyerapan oleh Bahan Foton yang dibangkitkan di daerah sambungan p-n n akan memancar ke segala arah. Jika bahan semihantar adalah bahan bening (transparan) sebagian besar foton akan diteruskan. Namun bila bahan semihantar adalah jenis gelap (opaque) (opaque), maka sebagian besar foton tak dapat menembus tetapi terserap oleh bahan. Presentase foton yang berguna terhadap foton total yang dihasilkan oleh proses rekombinasi disebut faktor efisiensi bahan. Rugi-Rugi Fresnel Apabila berkas cahaya dalam perjalanannya perjalanannya melalui bahan dengan indeks bias n1 masuk ke bahan lain dengan indeks bias n2, maka sebagian cahaya akan dipantulkan kembali oleh aang antara kedua bahan. Jumlah foton yang diteruskan menjadi lebih kecil, dengan kecepatan arah yang berbeda dengan keadaan semula. Rugi-rugi rugi akibat pantulan oleh bidang antara disebut rugi-rugi Fresnel. Koefisien pantulan dinyatakan sebagai: (3.7) Besar koefisien pantulan akan sama meskipun arah asal cahaya dibalik. Koefisien transmisi didefinisikan nisikan sebagai: (3.8) Faktor efisiensi rugi-rugi rugi Fresnel diperoleh da dari pembagian persamaan (3.8) dengan perkalian indeks bias bahan n1n2, sehingga (3.9) Efisiensi rugi-rugi rugi Fresnel dapat diperbaiki/ditingkatkan diperbaiki/ditingkatkan dengan menyisipkan bahan secara ideal mempunyai indeks bias nx = n1.n2 . Dengan susunan tersebut terdapat dua sambungan dengan faktor transmisi masing-masing masing T1 dan T2. (3.10) (3.11) sehingga faktor efisiensi total rugi-rugi rugi Fresnel adalah: η FR = T1T2 (3.12) Sebagai ilustrasi diambil contoh: n1 bahan semihantar = 3,4, n2 udara = 1 Apabila disisipkan bahan dengan indeks nx = (1.3,4) maka T1 = T2 = 0,9 0,912. Faktor efisiensi total adalah T1.T2 = 0,832. dengan demikian efisiensi Fresnel meningkat 5,4%. Rugi-Rugi Sudut Kritis dan Elukum Snellius Faktor rugi-rugi efisiensi yang lain adalah rugi-rugi akibat sudut datang cahaya pada suatu permukaan yang lebih besar dari sudut kritisnya. Sudut kritis adalah sudut datang cahaya yang sudut biasnya adalah 90° terhadap normal (sejajar sumbu bidang atas) pada dua jenis bahan yang indeks biasnya berbeda. Berkas cahaya yang datang dengan sudut yang lebih kecil daripada sudut Icritis yang akan diteruskan, sebaliknya berkas cahaya yang datang dengan sudut lebih besar clanpada sudut kritis akan dibiaskan sejajar sumbu bidang. Untuk menentukan besar sudut kritis digunakan hukum Snellius tentang cahaya yang melewati dua jenis bahan yang mempunyai bias berbeda. Hukum mi menyatakan: Sinus sudut datang dan sinus sudut pergi sebanding dengan indeks bias bahan tempat cahaya pergi dan indeks bias bahan tempat cahaya datang. n1 sin θ d = n2 sin θ d (3.13) dengan: θ d = sudut datang pada permukaan bahan θ p = sudut bias n1 = indeks bias bahan 1 n2 = indeks bias bahan 2 Sudut kritis adalah sudut datang θ d yang sudut biasnya 90°. Dengan pernyataan lain: n1 sin θ d = n2 sin 90 sin θ d = n2 n1 n2 n1 θ k = arc sin (3.14) Sebagai ilustrasi diberikan contoh : n1 (indeks bias bahan) = 3,4 n2 (indeks bias bahan) = 1 cahaya berasal dari bahan ke udara, maka : θ kritis = arc sin 1 = 17,1 3,4 Efisiensi sudut kritis didefinisi sebagai : nkritis n = 2 n1 2 (3.15) Pada contoh di atas untuk LED dengan indeks bias bahan 3,4 dan indeks bias udara 1, efiensinya adalah: nkritis 1 = 3,4 2 = 0,0865 Penyelubungan LED denga bahan yang mempunyai indeks bias sebesar nx = n1n2 akan meningkatkan ngkatkan jumlah fluks yang berguna, tetapi apabila permukaan bahan yang disisipkan datar, maka kenaikan fluks hilang kembali karena sudut bias bidang/bahan pengantara menjadi sudut ing bagi persambungan bahan pengantara dengan udara. Dalam hal ini nilai sudut kritis tak terperbaiki. erbaiki. Keterangan di atas dijelaskan dengan Gambar 3.8. Gambar 3.8 Pemantulan dan Pembiasan Berkas Cahaya Dengan membentuk bahan pengantara tersebut seperti kubah, maka sudut datang pada permukaan bahan pengantara ke udara menjadi lebih kecil daripada sudut datang bahan semihantar ke bahan pengantara. Pada Gambar 3.8(c) terlihat bahwa fluks yang hilang pada [bar 3.8 (b) akan dapat berguna, sehingga sudut kritisnya lebih besar. Pada gambar juga lihat bahwa sudut kritis meningkat dan 17,1° manjadi 26°. Jadi bentuk sungkup kubah meningkatkan faktor efisiensi efisie LED. Efisiensi Optis faktor efisiensi iensi akibat adanya Di bagian terdahulu telah dibahas perihal faktor-faktor penyerapan Efisiensi Fresnel, dan efisiensi sudut kritis. Efisiensi optis diperoleh dengan mengalikan efisiensi tersebut : η optis = η absorb .η FR .η kr (3.16) Perhitungan Fluks Radiasi Dalam praktek, perhitungan dengan rumus-rumus rumus rumus praktis tentang fluks radiasi adalah rumus-rumus rumus yang dibahas secara terinci dalam bidang fotometri. Hal Hal-hal yang diketahui berhubungan dengan piranti sumber elektroluminansens elektroluminansens antara lain pola luminous efficacy,, daya per satuan sudut ruang, dan daya total. Pola Radiasi Cahaya Pancaran cahaya sumber LED mempunyai pola tertentu sesuai dengan bentuk sungkup, sungkup, dan jarak sumber ke ujung sungkup. Pada pola lambertian intensitas luminous bervariasi sesuai dengan kosinus sudut θ,, yaitu sudut antara sumbu absis dan beberapa kedudukan tertentu. I (θ ) = I 0 cosθ (3.16) Dengan I0 Watak pola radiasi sering dinyatakan dengan sudut ½, yaitu besar sudut ketika besar intensitas itas luminusnya setengah besar intensitas luminus pada = 0°. Gambar 3.9 melukiskan radiasi LED untuk beberapa kedudukan sumber cahaya terhadap ujung penyungkupnya. luminus besarnya phi ( ) kali intensitas luminus. Gambar 3.9 Bentuk pola pola radiasi terhadap kedudukan sumber cahaya dan ujung Penyungkup Bentuk pola radiasi juga sering se ng digambarkan secara grafis terlihat pa pada Gambar 3.10 berikut ini : Gambar 3.10 Pola radiasi unutk LED merah jenis T-1 T 1 3/4 Luminous Efficacy Luminous efficacy didefinisikan didefi sikan sebagai nisbah fluks luminus (lumen) terha terhadap radiasi (watt). Nilai ( V) telah diberikan pada lembaran data piranti. Sebagai contoh diberikan : LED luminous efficacy (lm/W) Merah Merah ef. Tinggi Kuning Hijau 135 460 630 Standar 60 Daya per Sudut Ruang Satuan Daya per satuan sudut ruang dinyatakan dalam satuan microwatt per steradian. Perhitungan erhitungan melibatkan luminous efficacy dengan rumus praktis: (3.18) Dengan Ie = daya per sudut ruang satuan (mW) IV = intensitas luminus ( V) = luminous efficacy (lm/W); 1 lumen = 1000 m lm Perhitungan Daya Total Apabila ingin menghitung fluks radiasi total, maka pola radiasi harus ha s dibe diberikan. Berikut ini diberikan an contoh untuk menghitung fluks radian total suatu LED dengan pola radiasi seperti pada Gambar 3.11, yaitu LED jenis T-1 T 3/4 merah-efisiensi efisiensi tinggi dengan 2 ½ = 35° dan menghasilkan menghasilkan 12 mcd. Gambar 3.11 juga memuat grafik linear yang digunakan untuk menghitung menghi intensitas luminus relatif. Pada gambar tersebut diambil selang setiap 5° Dari data grafik Gambar 3.11, D = 5° = 180/N; jadi N = 36 (3.19) Hasil perhitungan disajikan pada Tabel 3.3. perhitungan hanya dilakukan hingga m = 70° dengan M = 14 Daya total diperoleh dengan menggunakan persamaan (3.21) (3.20) Gambar 3.11 Pola Radiasi Lampu Merah Efisiensi Tinggi Jenis T-1 T 1 3/4 III-1.3. Watak-Watak Watak Listrik LED Pada bagian inii akan dibahas beberapa watak LED di antaranya antaranya watak Volt Voltampere dan penghambat ghambat Pembatas Arus. Watak Volt-Ampere Watak LED yang terpenting adalah watak volt-ampere. volt ampere. Gambar 3.12(a) memperlihatkan watak volt--ampere ampere untuk LED merah standar. Gambar 3.12(b) memperlihatkan watak volt- ampere untuk LED merah, kuning, dan hijau hijau berefisiensi tinggi. Gambar 3.12 Watak Volt-ampere Volt LED Tegangan ambang yang diperlukan agar LED bekerja adalah 1,5 volt. Pada tegangan prasikap maju yang lebih tinggi dari da nilai ambang ini,i, kenaikan arus maju sangat cepat. perbandingan ndingan perubahan tegangan prasikap maju terhadap perubahan arus maju didefinisikan sebagai hambatan analisis yang digambarkan sebagai kemiringan grafik volt-ampere. volt LED standar mempunyai hambatan dinamis yang lebih kecil dibandingkan hambatan dinamis LED merah, kuning, ng, dan hijau berefisiensi tinggi. Pemasangan LED secara pararel sedapat mungkin kin dihindarkan. Pemasangan pararel memungkinkan lesapan daya yang besar pada hambatan batan dinamis yang kecil (terutama LED yang mempunyai hambatan dinamis terkecil). Variasi tegangan VF akan menghasilkan arus IF yang berubah-ubah, ubah, sehingga luminus yang dihasilkan juga berubah-ubah. berubah Bila nilai tegangan maju VF maksimum terlampaui, lesapan daya akan terlampau besar, sehingga dapat mengakibatkan kerusakan. Pada pemodulasi LED, tegangan pemodulasi pemodulasi dibuat kecil, sehingga LED bekerja pada daerah kerja normalnya. Pada grafik watak LED terlihat bahwa pemberian tegangan mundur sampai suatu nilai tertentu, arus masih kecil sekali, sehingga diabaikan. Namun bila tegangan mundur terlampau besar, sehingga ehingga tegangan dadal terlampauai, maka arus mundur akan naik dengan cepat. Arus balik yang besar ini membahayakan LED. Penghambat pembatas diperlukan untuk menjaga kemungkinan kerusakan ini. Penghambat Pembatas Arus Kemampuan LED dalam mengalirkan arus arus lektrik adalah terbatas. Untuk menghindarkan akibat kelebihan arus, baik arus maju maupun arus mundur, diper diperlukan pembatas arus yang dipasang seri dengan LED. Arus maju LED dapat dihitung berdasar hubungan persamaan : Apabila akan ditentukan nilai penghambat pembatas arusnya ditentukan dengan persamaan : Dengan R = penghambat pembatas arus VCC = tegangan penyedia daya VF = tegangan maju LED VCE = tegangan jenuh transistor pendorong kerja LED IF = arus prasikap maju Contoh penyelesaian nyelesaian persoalan tentang hal di atas diberikan sebagai berikut : contoh diambil III-1.4. Data Watak LED Dalam perancangan penerapan piranti. optoelektronika lembaran lembaran data sangat diperlukan dasar data tersebut penggunaan kemampuan maksimum piranti dapat tercapai. Terutama yang berhubungan dengan masalah kondisi operasi yang optimum dan perancangan dalam kasus uruk (worst case design). Pada lembaran data terdapat keterangan tentang pabrik pembuat, ukuran fisik, syarat operasi maksimum, watak optis/elektrik, dan kurve operasi. Beberapa hal yang sangat penting diperhitungkan dan keterangan watak piranti adalah: 1) daya cahaya keluaran dan warna wa cahaya, 2) suhu maksimum yang masih diperbolehkan agar kerja piranti normal, 3) persyaratan untuk operasi dengan isyarat denyut, dan 4) laju tanggapan, tegangan dadal, dan sebagainya. Daya Cahaya Keluaran Dasar pemilihan suatu LED adalah path daya dan spektrum cahaya keluaran path arus prasikap tertentu. Watak yang yan berhubungan dengan hal ini adalah panjang panjanggelombang puncak yang dihasilkan, panjang-gelombang panjang gelombang yang dominan, intensitas luminus, dan pola radiasi cahaya. Pola radiasi ditentukan oleh konfigurasi bidang pancar bahan semihantar dan selubung gelas/plastic penutupnya. pe Pada penerapan visual, karena informasi cenderung untuk diterima dan segala arab, pola Lambertian lebih cocok. Kepekaan mata manusia yang digunakan sebagai detektomya ditentukan oleh spektrum tanggapan syaraf mata dan spektrum sumber cahaya. Panjang-gelombang dominan yang diterima oleh mata akan menentukan warna cahaya. Panjang-gelombang puncak adalah panjang-gelombang tertinggi pada spektrum radiasi (pola radiasi). Dua kurve yang mempunyai wama dominan yang sama belum tentu mempunyai panjang-gelombang puncak yang sama karena kurve watak keduanya berbeda. Keterangan di atas dijelaskan dengan Gambar 3.14. Warna dominan diperoleh dan superposisi kedua kurve pada kawasan visual. Pada penerapan non-visual, warna cahaya (panjang-gelombang dominan) bias dikesampingkan. Panjang-gelombang puncak menentukan efisiensi gandengan cahaya LED ke detektomya. Efisiensi ini sangat penting peranannya karena cahaya akan dilewatkan melalui piranti optoelektronika lain (serat optis) dan dalam perjalanannya cahaya akan mengalami penyusutan. Dengan pemilihan LED yang berpanjang-gelombang puncak sesuai (mempunyai koefisien susutan yang kecil di dalam serat optis) akan diperoleh efisiensi total yang tinggi. Pola radiasi menggambarkan intensitas cahaya yang dipancarkan oleh LED ke berbagai arah. Sebagai patokan ukuran intensitas cahaya diambil intensitas pada arah aksial. Intensitas cahaya ke arab lain dinyatakan secara relatif terhadap intensitas cahaya aksial. Intensitas luminus dinyatakan dengan satuan him (candle), yaitu fluks luminus per sudut ruang satuan. Bila nilai intensitas ke berbagai arah digambarkan, maka akan terlukis pola radiasinya. Watak yang penting pada pola radiasi ini adalah sudut θ1/25 , yaitu sudut ketika intensitas cahaya separo intensitas arah aksial. Sudut yang lebih besar dari sudut θ1/25, intensitasnya diabaikan dalam pembicaraan mi. Pengertian sudut θ1/25, sangat penting dalam perhitungan fluks total yang dihasilkan oleh LED. LED dengan sudut θ1/25 yang besar mempunyai fluks total yang besar pula, namun dalam praktek yang lebih penting adalah fluks yang berguna dan bukan fluks total. Gambar 3.13 Panjang gelombang dominan dan warna dominan (visual) Batas Suhu Operasi Maksimum Apabila watak optis di atas sudah diperhitungkan, langkah berikutnya adalah mempertimbangkan batas suhu maksimum yang diperbolehkan agar kerja LED tetap normal. Kondisi suhu ini sangat berpengaruh karena ketergantungan beberapa parameter terhadap suhu. Parameter yang peka terhadap perubahan suhu adalah arus maju, lesapan daya, dan hambatan termal ter pada sambungan LED. Ukuran suhu maksimum ditentukan secara teoritis dan pengetesan terhadap LED. Dalam operasi dianjurkan agar batas maksimum kemampuan LE LED tidak dimanfaatkan bersama-sama. sama. Keadaan lebih menguntungkan bila dilakukan pengoperasian suhu maksimum dengan lesapan daya yang kecil. Ukuran maksimum didasarkan pa pada batas suhu piranti dan batas kerapatan arus pada sambungan. Batas suhu piranti (packag (package e temperature limitation) ditentukan oleh ketahanan selubung gelas terhadap terha kerusakan akibat suhu tinggi TG. Ukuran maksimum ditentukan oleh : 1) aras kerapatan ants pada sambungan ketika kenaikan kerapatan ants tidak lagi menghasilkan foton yang lebih banyak, dan 2) besar lesapan daya karena kerugian ants maju pada pa suhu tinggi. Faktor pembatas opersai LED adalah suhu sambungan T. Dua faktor yang harus dikendalikan adalah arus maju dan hambatan termal. Arus maju maksimum yang diperbolehkan berhubungan dengan dengan lesapan daya maksimum, sedangkan hambatan termal tergantung pada cara pemasangan LED pada untai. Batas maksimum lesapan daya akibat suhu yang menurunkan ukuran (temperature derated power dissipation) yang diperbolehkan dengan penurunan ukuran daya maksimum (derating the maximum power rating) adalah pesat -1,6 mW/°C di atas suhu lingkungan 50 °C hingga lesapan daya nol pada suhu 125 °C. Hubungan ini diperlihatkan pada Gambar 3.14. Gambar 3.14 Hubungan lesapan daya terhadap suhu sekeliling Lesapan daya rerata adalah hasil perkalian arus-maju arus maju rerata dan tegangan maju-puncak. puncak. Untai setara LED yang diturunkan dan watak volt-ampere volt ampere maju diode, terdiri atas sumber tegangan gan searah yang dihubungkan seri dengan hambatan dinamis. Pada lembar data LED, LED tercantum nilai tegangan maju pada suatu arus tertentu. Dari kedua hubungan tersebut, lesapan daya LED dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (3.23). dengan : I rata I puncak : arus rerata (A) : arus maju puncak (A) V maju (LED) : tegangan maju dari lembar data (V) I maju (LED) : arus maju, dari lembar data untuk V maju tertentu (A) Untuk piranti LED merah standar, R dinamis = 1,6 dan nilai maksimumnya 5 Untuk piranti LED dengan substrat bening GaP, R dinamis = 21 maksimumnya 35 . dan nilai . Suhu sambungan LED adalah jumlah suhu lingkungan / sekelilingnya dan suhu bahan pendukungnya serta suhu akibat lesapan daya. dengan :T : suhu sekeliling LED Prerata : arus maju puncak (A) θj : tegangan maju dari lembar data (V) Nilai θj adalah jumlah hambatan termal piranti ke kawat/electrode, θjc dan hambatan termal piranti ke komponen pendukung, θc . Nilai θc terletak antara 35-50 50 0C/W. Uraian di atas dilukiskan pada Gambar 3.15. Gambar 3.15 Agihan hambatan termal pada LED Persyaratan Operasi dengan Isyarat Denyut Apabila suatu untai dirancang untuk dioperasikan dengan isyarat denyut, maka batas toleransi maksimum harus diperhitungkan dengan teliti. Batas toleransi maksimum ini tidak diprbolehkan ehkan menyebabkan menyebabkan kenaikan suhu sambungan melampaui batas maksimum seperti jika beroperasi pada arus dc maksimum. Batas maksimum Tj dapat juga ditentukan dengan hubungan antara ra arus puncak, lama denyut (pulse duration), dan pesat penyegaran (refresh rate). Hubungan yang mudah diperoleh adalah dengan cara menggabung arus puncak dan lamanya denyut untuk beberapa nilai pesat penyegaran. Kurve untuk suatu nilai pesat penyegaran tertentu menentukannilai toleransi operasi agar batas suhu Tj tidak terlampaui. Grafik hubungan arus puncak dan lamanya denyut untuk beberapa nilai pesat penyegaran diperlihatkan pada Gambar 3.16. Hubungan faktor-faktor faktor tersebut diperbolehkan apabila berada di bawah atau pada garis pesat yang tetap. Operasi di atas batasan tersebut akan melampaui batas suhu maksimum sambungan. Gambar 3.16 Toleransi maksimum arus puncak vs lama denyut untuk T T-1 ¾ LED merah ef. Tinggi Sebagai ilustrasi diberikan contoh langkah – langkah untuk menentukan persyaratan operasi dengan isyarat denyut. Langkah 1 : Menentukan “duty factor” , DF. Misalnya DF = 30% Langkah 2 : Menentukan pesat penyegaran yang diinginkan. F. Untuk menghitung lama denyut, t, tp digunakan DF. Misalnya f = 1 kHz; tp Langkah 3 : Dengan melihat grafik pada Gambar 3. 17 untuk tp = 300 mikrodetik untuk pesat penyegaran pen 1 kHz diperoleh perbandingan I maks. Langkah 4 puncak maks /I dc Misalnya untuk nilai - nilai di atas diperoleh perbandingan 2,4. : Menghitung nilai Ipuncak data untuk Idc maks dengan menggunakan data dan lembaran maks.Menghitung Irata dari Ipuncak dan DF. Dari lembaran data arus rata-rata rata maksimum = 20 mA. Langkah 5 : Dengan menggunakan persamaan (3.22) dapat dihitung lesapan daya rerata untuk memeriksa apakah nilai tersebut masih berada pada persyaratan operasi. BiIa nilai tersebut melampaui nilai maksimum yang diperbolehkan, maka tp harus ha diturunkan nilainya agar I lebih kecil (atau memperkecil Ipuncak) agar lesapan daya rerata Prata berada pada aras yang diperkenankan. III-1.5. Perancangan Kondisi Terburuk (Worst Case Design) Suatu hal yang sangat penting pada perancangan adalah pertimbangan kond kondisi kerja terburuk yang masih diijinkan. Hal ini mutlak dilakukan tanpa memperhatikan apakah untai LED menggunakan unakan pembatas arus resistif atau pembatas arus tetap; dioperasikan dengan isyarat dc (dc driven) atau dengan isyarat kedipan (stob driven). Tujuan perancangan kondisi kerja terburuk adalah agar rancangan menjamin bahwa LED beroperasi pada jangkauan yang sesuai dengan toleransi penyedia daya, penghambat, dan suhu kerja yang masih diijinkan. Kondisi operasi ini akan menjamin keselamatan komponen dan umur u komponen. Apabila LED dioperasi asikan dengan isyarat dc, analisiss perancangan pada kondisi operasi Yang ang diijinkan atau berada di luar batas yang diperbolehkan. Ada dua faktor penting yang diperhitungkan apabila LED beroperasi dengan Isyarat dc, yaitu: suhu kerja harus dijaga agar sambungan maksimum tidak terlampaui dan kerapatan arus yang melewati sambungan dibatasi untuk menjaga penurunan cahaya keluaran (degradation of light output). Arus puncak maksimum untuk LED merah standar adalah 1000 mA dan untuk LED merah, kuning, hijau - efisiensi tinggi adalah 60 mA. Bergantung pada suhu sekeliling yang diinginkan pada suatu penerpan khusus, lesapan daya rerata dapat dihitung dengan rumus (3.25) Pada operasi dengan isyarat syarat dc, Irata = Ipuncak Arus dc maksimum yang melewati LED dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (3.25) dan kurve pada Gambar 3.17. Jadi pada suhu 50 0C, P rerata = 120 mW rerata = 87 mW I rata I rata = 55 mA dan pada suhu 50 0C, P = 41 mA. Dari lembaran data, arus rerata maksimum adalah 50 mA, maka pada rancangan arus rerata I rata harus lebih kecil dari 50 mA. Pada penerapan dengan isyarat kedipan (Stobe) kurve pada Gambar 3.19 di pasal berikut dapat digunakan untuk untuk menghitung pewrsyaratan operasi yang diijinkan. III. 2. DIODE LASER (LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATON) III-2.1. Umum Di samping LED, sumber elektroluminens yang banyak digunakan pada sistem optoelektroniks adalah laser, khususnya diode laser, laser suntikan (injection laser). Dibanding dengan laser dengan bahan jenis gas, atau kristal ruby, laser dengan bahan semihantar menghasilkan daya d an cahaya keluaran yang relative rendah. Namun diode laser mempunyai beberapa segi yang menguntungkan. Bentuk dan ukuran kecil memungkinkan untuk dipadukan dalam satu keeping dengan piranti lain seperti demodulator, detector, dan sebagainya. Diode laser cocok digunakan untuk mengirimkan isyarat melalui serat optis. Seperti halnya pada laser jenis lain, peroleh optis laser semihantar diperoleh dengan adanya ketidakseimbangan populasi muatan dalam bidang valensi dan dalam bidang hanataran. Menciptakan keadaan tersebut dibutuhkan tenaga pemompa dari luar yang akan memacu electron untuk melepaskan diri dari ikatan atomnya. Tenaga pemacu dapat berupa foton dari sumber laser lain atau arus elektrik. Pada laser semihantar, tenaga pemacu berupa injeksi muatan pembawa ke sambungan p-n. Akibat injeksi muatan ini electron menyerap tenaga, terdorong untuk melepaskan diri dari bidang valensi dan mengisi bidang hanataran. Arus injeksi yang besar mendorong sejumlah electron melepaskan diri, sehingga bidang hantaran akan mempunyai kerapatan electron yang tinggi dan kerapatan lubang pada bidang valensi menjadi tinggi pula. Keadaan ketidakseimbangan ini disebut pembalikan populasi (population inversion). Adanya pembalikan populasi ini memungkinkan adanya penguatan gelombang. Kelebihan diode laser dibandingkan dengan LED antara lain : 1) Daya keluaran diode laser relatif tinggi sehingga lebih cocok digunakan untuk komunikasi jarak jauh. 2) Efisiensi gandengan diode laser relative lebih tinggi, sehingga kebutuhan pengulangan untuk komunikasi jarak – jauh lebih sedikit ; 3) Lebar bidang cahaya keluaran sangat sempit, sehingga cahayanya dapat dikatakan koheren, yaitu monokhromatis dan sefase; dan 4) tanggapan waktunya lebih modulasinya dapat lebih tinggi. cepat, sehingga lebarbidang modulasi/pesat III-2.2. Konsep Bidang Semu Fermi Konsep bidang valensi dan bidang hantaran adalah dasar analisis proses pemancaran sinai laser untuk bahan semihantar. Pada suhu 00 elektron valensi terikat erat pada atomnya, sehingga bahan semihantar bertindak sebagai sebagai isolator. Apabila ada tenaga dan luar yang mengubah keseimbangan ini in maka elektron yang telah menyerap tenaga terlepas dan ikatan atomnya dan menempati bidang hantaran. Tenaga terkecil yang diperlukan untuk melepaskan elektron dan bidang valensi berpindah ke bidang hantaran disebut tenaga celah bidang. Semakin besar tenaga luar yang diberikan semakin banyak ban elektron yang melepaskan diri,, sehingga populasi lubang pada bidang valensi juga semakin padat. Keadaan demikian dikatakan terjadi pembalikan populasi muatan. Kerapatan populasi ini dinyatakan dengan kerapatan aras bidang semu Fermi. Aras bidang Fermi untuk elektron disebut aras bidang Fermi hantaran F (Fermi conduction ction level Fe). Aras bidang Fermi untuk lubang disebut aras bidang Fermi valensi F. Gambar 3.18 melukiskan keterangan di atas. Aras tenaga digambarkan sebagai fungsi momentum. Gambar 3.18 Bidang – bidang pada bahan bidang langsung : (a) Teori sederhana (b) Tenaga sebagai fungsi k (vector gelombang) (c) Kerapatan populasi pada bidang hantaran dan valensi III-2.3. Konsep Penguatan Optis pada Bahan Semihantar Gambaran sederhana untuk mengukur tingkat penyerapan optis oleh bahan semihantar dapat dilthat pada Gambar 3.19(a). Sepotong lempengan tipis bahan semihantar disinari dengan sinar monokromatis pada salah satu sisinya dengan intensitas I. Jika pada sisi lainnya intensitas cahaya I menjadi lebih kecil, maka telah terjadi penyerapan penyerapan oleh bahan tersebut. tersebut. Dan sebaliknya bila intensitas cahaya menjadi lebih besar berarti terjadi penguatan. Jika lempeng tipis tersebut tidak diberi tenaga dan luar, maka bahan akan berlaku sebagai penyerap tenaga cahaya atau hanya sebagai media pelewat saja. Apabila ke dalam lempeng tersebut dipompakan tenaga, maka terjadi proses fisis di dalamnya. Adanya proses ini ni memungkinkan timbulnya penguatan terhadap tenaga cahaya yang masuk. Gambar 3.19 Penyusutan dan penguatan pada bahan semihantar (a) Percobaan ; (b) keadaan keada setimbang ; dan (c) pembalikan populasi Gambar 3.19 (b) melukiskan dasar fisis kedua kemungkinan tersebut. Agar analisis menjadi sederhana, maka mula-mula mula mula diandaikan suhu bahan tersebut 00 K, sehingga aras bidang semu Fermi terletak di sembarang tempat di dalam aras tenaga celah bidang. Bidang di bawah aras bidang semu Fermi, yaitu bidang valensi, akan terisi penuh oleh elektron sedangkan bidang hantaran kosong. Jika diberikan tenaga dan luar, tenaga tersebut akan diserap oleh electron - elektron, sehingga mereka berpindah ke bidang hantaran dengan menimbulkan m lubang pada bidang valensi. Baik elektron maupun lubang akan bergerak menuju aras tenaga minimum dan akhirnya terekombinasi menghasilkan cahaya yang memepunyai panjang-gelombang panjang gelombang sesuai dengan tenaga celah lah bidangnya. Apabila hυ h 0 > Eg, maka terjadi penyusutan / pelemahan gelombang. Bila hυ h 0 < Eg, proses fisis yang terjadi menyebabkan elektronelektron berapa pada kedudukan kritis dalam arti tenaga pemompa belum melepaskan ikatan elektron pada atomnya. Dengan penambahan tenaga pemompa, maka elektron elektronelektron ktron akan mampu melepaskan diri. Analisis selanjutnya diandaikan untuk suhu bahan yang lebih tinggi dan 00 K ketika secara fisis di dalam bahan telah terjadi ketidakstabilan struktur atomnya. Jika intensitas itas sumber pemompa diperkuat, pasangan lubang-elektron lubang elektron akan timbul semakin cepat. Tenaga elektron dengan cepat Iuruh ke aras bidang minimum dan akhirnya berekombinasi. Apabila kecepatan peluruhan Iebih besar dan kecepatan rekombinasi, maka akan terjadi penimbunan nimbunan elektron pada bidang hantaran yang kerapatannya semakin lama semakin tinggi hingga mencapai keadaan jenuh. DemikIan juga pada bidang valensi terjadi penimbunan lubang, sehingga terjadilah pembalikan populasi muatan. Ukuran kepadatan penimbunan muatan muatan tersebut dilukiskan sebagai aras bidang Fermi elektron dan aras bidang Fermi lubang. Aras antara F dan E, pada Gambar 3.21 akan dipenuhi elektron sedangkan aras antara F dan E akan dipenuhi oleh lubang. Apabila keadaan sudah jenuh untuk ükuran bidang Fermi Fermi tersebut, tidaklah akan mengubah aras bidang Fermi yang ada. Jadi apabila hu0 memenuhi hubungan : EC-EV < hυ0 < < Fn - Fp maka elektron yang mempunyai tenaga sebesar h hυ0 akan meluruh, berekombinasi melepaskan kan tenaga dan segera dipompakan kembali hingga bertenaga sebesar hυ0 lagi. Seolah - olah bidang semu Fermi berlaku sebagai cenmin pantul. Foton yang terpantul-pantul memacu electron - elektron untuk melakukan proses yang sama. Intensitas cahaya yang dilepas paskan kan akibat proses rekombinasi dan proses pemantulan bola-balik makin lama makin tinggi sampai mencapai mencapa keadaan jenuh. Cahaya yang dihasilkan dengan proses seperti ini bersifat koheren. Apabila terjadi tenaga pemompa hυ0 < (EC-EV,), maka berangsur rangsur-angsur penguatan intensitas tas laser menyusut. Apabila hυ0 > (EC-EV), maka elektron akan menyerap tenaga tersebut tersebut dan akan membentuk aras bidang dang semu Fermi baru yang lebih tinggi. III-2.4. Diode Laser Sambungan Semacam Diode sambungan semacam (homojunction) terebntuk pada satu jenis bahan semihantar yang dibubuhi dengan atom jenis lain, sehingga terbentuk sambungan p p-n. Gambar 3.21 melukiskan kedudukan arasaras aras bidang valensi, bidang hantaran, dan bidang Fermi pada bahan celah bidang langsung seperi GaAs yang dibubuhi berat, ber sehingga terebntuk sambungan p –n. Gambar 3.20 Laser injeksi : (a) bidang – bidang tenaga tanpa prasikap ; (b) Dengan prasikap maju ; (c) konfigurasi mode (c) Elektromagnetis yang dihasilkan Kedudukan aras bidang semu Fermi pada keadaan tanpa prasikap terlihat pa pada Gambar 3.20 (a). Apabila diode diberi prasikap maju, maka kedudukan bidang semu Fermi dilukiskan seperti pada Gambar 3.20 (b). Elektron pada bahan jenis-n jenis akan didorong oleh arus injeksi menuju daerah p dan akhirnya berekombinasi setelah berdifusi sepanjang Ln. Path bahan GaAs injeksi lubang lebih lemah dibandingkan dengan injeksi elektron. Oleh karena itu terdapat daerah sepanjang d di mana aras bidang Fermi terpisah dengan tenaga yang lebih besar dan tenaga celah bidang Eg. Daerah h selebar d disebut daerah aktif yang memungkinkan adanya penguatan foton. Lebar daerah aktif dianggap sama dengan panjang difusi L yang merupakan erupakan panjang rerata yang ditempuh muatan sebelum rekombinasi. Misal bahan GaAs mempunyai persamaaan Einstien : µn = 600 cm2/Vs dan µp = 30 cm2/Vs. Dan Perhitungan yang tepat melibatkan faktor aras pembubuhan bubuhan dan aras arus injeksi. Ada dua hasil yang dapat diambil dan perhitungan secara kasar tersebut : 1. Panjang daerah aktif sebanding dengan panjang-.gelombang .gelombang cahaya yang diperkuat. Penguatan foton akan terjadi jika foton (gelombang elektromagnetis) dapat terkurung di dalam daerah aktif sepanjang d di mana terjadi pembalikan populasi muatan; 2. Hubungan persamaan peroleh laser berdasarkan paramet parameter diode-sambungan. sambungan. Diandaikan kelebihan pasangan lubang-elektron lubang elektron di daerah aktif adalah ∆N, umur rekombinasi γr.... Jika muatan injeksi berekombinasi menghasilkan foton dengan efisiensi kuantum ηq, maka dapat diperoleh hubungan antara pesat pembangkitan foton dengan rapat arus injeksi pada sambungan. Dan persamaan (3.30) untuk mendapatkan peroleh yang pada diode laser sambungan semacam berhubungan dengan panjang difusi Ln, jadi tidak dapat ditentukan dalam bentuk fisik. Walaupun d cukup kecil namun penguatan hanya akan terjadi bila gelombang yang diperkuat dapat dapat terkurung dalam daerah aktif ini ini. Pada diode laser sambungan-semacam semacam diperlukan arus ambang yang cukup tinggi untuk menciptakan daerah pengurung gelombang / foton. III-2.5. Diode Laser Sambungan Bermacam Bermacam Ganda (Double Heterojunction Laser Diode) Beberapa kelemahan pada laser sambungan semacam (homojunction laser) seperti tidak adanya daerah pengurung (confinement region) dan kebutuhan arus injeksi yang besar, dapat diatasi dengan struktur laser sambungan bermacam ganda. Sambungan bermacam ganda menggunakan tiga jenis bahan. Sebagai contoh adalah laser dengan bahan dasar GaAs dan AlAs. Kedua bahan mempunyai sifat fisis yan yang hampir sama, sehingga dapat digabungkan dalam hubungan Ga11-xAx1As dan ditanam pada bahan dasar GaAs. Dengan proses pembubuhan, bahan Gai-AlAs Gai AlAs dibentuk menjadi bahan berjenis-n n dan jenis-p. Struktur laser sambungan bermacam ganda dapat dilihat pada Gamba Gambar 3.22. Perubahan celah bidang pada kedua sisi sambungan (kedua sisi daerah aktif) membentuk potensial penghalang (barrier potential) bagi muatan injeksi. Seperti terlihat pada Gambar 3.22, aras bidang semu Fermi-elektron Fermi elektron dibatasi oleh potensial penghalang elektron, sedangkan aras bidang semu Fermi Fermi-lubang dibatasi oleh potensial penghalang lubang. Karena perbedaan indeks bias bahan, daerah aktif berlaku seolah-olah olah sebagai pemandu, sehingga gerakan foton terkurung di dalamnya. Fasilitas ini memberikan dorongan dorongan timbulnya penguatan intensitas cahaya hasil rekombinasi. Berbeda dengan panjang difusi, daerah aktif sambungan sambunganbermacam ganda dapat dirancang menurut ukuran panjang gelombang yang diinginkan. Gambar 3.21 Laser Sambungan Bermacam Ganda Agar diperoleh kerapatan muatan injeksi yang tinggi, maka panjang daerah aktif dibuat kecil. Panjang daerah aktif merupakan parameter pemanduan gelombang dan kerapatan arus injeksi yang diperlukan untuk menciptakan pembalikan populasi muatan. Daerah pengurung terbentuk karena bentuk struktur bahan, sehingga arus injeksi yang diperlukan untuk memmbulkan penguatan cukup kecil dalam orde miliampere. Terciptanya daerah pemandu gelombang dapat juga diterangkan karena adanya perbedaan daan indeks bias bahan penyusun. Efisiensi kuantum dapat ditingkatkan dengan struktur piranti yang lebih kompleks dan melibatkan banyak kombinasi bahan. Contoh bahan-bahan bahan kombinasi yang digunakan untuk diode laser sambungan taksemacam dapat dilihat path Tabel T 3.3. III-2.6. Struktur Laser Laser berefisiensi tinggi diperoleh dengan membangun struktur laser lapis (stripe-laser). Daerah aktif berbentuk lapisan tipis yang memanjang terletak di tengah lempengan. Secara umum,, tanpa memperhatikan bagaimana susunan lapisan pembentuk laser, struktur laser lapis tampak path Gambar 3.22. Gambar 3.22 Strukur Laser Lapis Pembicaraan ditekankan pada dasar kerja laser lapis bukan pada pada susunan lapisan pembentuk laser lapis yang sangat beraneka ragam. Lapisan aktif yang berfungsi sebagai kurungan (confinement) foton terbentuk atas susunan lapisan dengan indeks bias bertingkat pada aras vertikal dan perbedaan aras pembubuhan pada arah horizontal. Bentuk susunan laser lapis lapis merupakan perbaikan atas susunan yang menghasilkan cahaya laser dan seluruh bidang sambungan. Kelemahan laser yang dibangkitkan di selunth bidang sambungan di antaranya adalah: 1) arus ambang yang diperlukan untuk membangkitkan laser harus cukup tinggi; 2) timbulnya masalah panas yang berlebihan, sehingga memerlukan penanganan khusus; 3) tingkap keluaran cahaya berbentuk persegi memanjang, sehingga kurang sesuai untuk digunakan bersama serat optis yang mempunyai bentuk tingkap serat optis bulat; dan 4) kecenderungann n menghasilkan cahaya dengan mode-jamak. mode Kelemahan-kelemahan kelemahan tersebut dapat diatasi dengan struktur laser lapis dengan lebar lapisan antara 2 µm hingga 30 µm.. Konvergensi cahaya keluaran lebih baik dan mempunyai mode tunggal. Namun demikian, pemilihan pemilihan lebar lapisan melibatkan beberapa faktor untuk dipertimbangkan, yang di antaranya adalah arus ambang yang diperlukan untuk membangkitkan laser dan macam modulasi yang akan digunakan. Arus injeksi diperlukan untuk memacu timbulnya cahaya pada daerah aktif aktif. Apabila lebar daerah aktif relatif lebih kecil dibanding diband dengan panjang difusi, maka perjalanan muatan pembawa akan terhambat oleh dinding lapisan sebelum sempat berekombinasi. Akibatnya dibutuhkan rapat arus injeksi yang tinggi untuk mengatasinya agar dapat apat dibangkitkan laser. Makin sempit lebar daerah aktif makin besarlah rapat arus yang diperlukan untuk membangkitkan laser. Hubungan lebar lapisan dengan rapat arus injeksi yang diperlukan untuk membangkitkan laser untuk beberapa susunan laser tampak pada pa Gambar 3.23. Tampak adanya ketergantungan rapat arus yang diperlukan untuk membangkitkan laser terhadap bentuk geometris lapisan yang digunakan. Gambar 3.23 Hubungan lebar lapisan dengan dengan arus injeksi ambang untuk beberapa jenis jeni susunan geometris laser lapis III-2.7. Watak Cahaya Arus Laser Secara teoritis grafik watak keluaran cahaya arus laser tampak pada Gambar 3.25. Gambar 3.24 (a) Watak cahaya – arus ideal laser Pada kenyataannya, bentuk watak tergantung pada agihan elektron dan foton pada sambungan aktif. Gejala ala yang umum terjadi adalah timbulnya lekukan lekukan pada grafik wataknya. Gejala ini berhubungan dengan terjadinya pergeresan letak pusat radiasi terhadap perubahan arus rus injeksi. Hal ini sering terjadi karena adanya ketidakstabilan pemandu akibat adanya saling pengaruh antara muatan pembawa dengan cahaya yang terjadi, karena perubahan indeks bias bahan terhadap agihan rapat arus injeksi. Aras pengurungan cahaya oleh pemandu pemandu tergantung path tingkat keseragaman indeks bias pemandu, aras pembubuh, aras rapat arus injeksi, dan ketebalan daerah aktif. Untuk mengatasi gejala gej terjadinya ketidaklinearan (lekukan) di antaranya digunakan unakan lapisan sempit (< 5 µm) µm) atau dengan diusahakan pembentukan pemandu yang dibangun di dalam (built-in), (built sehingga mode keluaran cahayanya stabil. Teknik pembentukan susunan pemandu bangun-dalam bangun dalam di antaranya dengan pengubahan fraksi mol x pada susunan GaxSA11-xAs, sehingga terjadi susunan indeks bias bertingkat pada sambungan bermacam; mendifusikan unsur Zn; dan perbedaan aras pembubuh p dan aras pembubuh n. Pada laser lapis 20 µm penyekat oksida silikon (SiO2) yang akan dibahas lebih lanjut, sifat pemandu diterangkan dangan adanya variasi indeks bias secara parabolis. Dengan variasi indeks bias secara parabolis mi mode laser keluarannya stabil dan gejala ketithklinearan watak berkurang. Di samping itu, terjadinya pemfokusan pemfokusan-sendiri (self focusing) merupakan parameter yang penting. Pemfokusan-sendiri sendiri terbentuk karena adanya ketidakseragaman kerapatan elektron pada bagian tengah lapisan dan bagian tepinya. Pada bagian tengah lapisan, intensitas cahaya atau kerapatan elektron terpatri (clamp) pada aras tertentu sedang pada bagian tepi lapisan kerapatan elektron cukup tinggi, sehingga intensitas cahayanya lebih rendah karena kekurangleluasaan muatan untuk bergerak dan berekombinasi. Kenaikan kerapatan elektron menyebabkan berkurangnya nilai indeks bias pada p tepi lapis dan terbentuklah pemandu. mandu. Semua akibat mekanisme di atas tergantung pada lebar lapisan. Pa Pada subbab selanjutnya pembicaraan ditekankan pada pada laser lapis 20 µm di mana pemfokusan-sendiri sendiri memegang peranan utama dalam pemanduan gelombang dan laser lapis 3 µm,, tempat mekanisme pe pemfokusan-sendiri tak terjadi. III-2.8. Laser Lapis 20 µm, Gejala lekukan pada ada grafik watak keluaran terdapat pada laser di mana pemanduan bangun dalam terlalu lemah atau aras ketidakseragaman terlalu besar. Berbagai usaha telah dilakukan untuk menghilangkan atau mengurangi terjadinya gejala tersebut, sehingga watak atak cahaya-arus cahaya piranti cukup halus alus seperti terlihat pada Gambar 3.25 (a). Gambar 3.25 Watak cahaya – arus laser : (a) laser lapis 20 µm ; (b) laser lapis 3 µm. Gejala umum yang terjadi pada laser jenis ini adalah sebagai berikut. 1. Terdapat lekukan pertama di atas nilai ambang pada grafik watak cahaya-arusnya. Hal ini terjadi akibat perubahan aras pemanduan cahaya, sehingga pemfokusansendiri bertambah kuat pada intensitas cahaya yang tinggi (arus injeksi yang besar); 2. Pada kerapatan arus injeksi yang lebih tinggi kekuatan pemanduan gelombang meningkat, sehingga pada suatu saat gelombang dengan mode tingkat sampai dapat menjalar. Daerah tempat hal ini terjadi digambarkan oleh lekukan kedua (Gambar 3.25(a)). Aras daya yang menyebabkan gejala tersebut terjadi biasanya di antara 3 -10 mW tergantung pada parameter lebar lapisan dan aras pembubuh. Daerah kerja optimum untuk laser jenis ini adalah pada aras daya 5 mW bilamana cahaya mempunyai mode tunggal dan tak terjadi lekukan pada grafiknya. III-2.9. Laser Lapis Sempit 3 µm. Laser lapis 20 µm mempunyai dua kelemahan utama: 1. Berdasarkan grafik watak cahaya-arusnya, laser 20 µm ini kurang cocok digunakan untuk modulasi gelombang analog. 2. Pada aras arus injeksi yang sedikit berath di atas mlai ambang pada aras daya yang rendah, mode gelombang tingkat satu cenderung muncul mengganggu gelombang utama. Kedua masalah tersebut dapat diatasi dengan merancang laser lapis sempit lebih kecil dari 5 µm.. Analisis pemandu pemandu gelombang laser berlapis didasarkan pada pendekatan frekuensi ternormalkan υ. Konstanta dielektrikum dinyatakan sebagai fungsi kompleks untuk menggambarkan adanya peroleh rugi – rugi. Dengan n = bagian nyata k = bagian khayal λ = panjang-gelombang gelombang di ruang bebas 2a = lebar efektif pemandu dan indeks 1 dan 2 berdasarkan teras dan selubung serat optis Pada operasi dengan mode orde terendah teren (orde 0) υ bernilai sekitar 2 dan mode operasi jamak υ bernilai besar. Pada kasus sederhana untuk pemandu persegi dengan indeks bias bertingkat, pendekatan tetapan dielektrum m bertingkat untuk bagian nyata : kan untuk bagian khayal saja : Kedua persamaan menggambarkan keadaan pemanduan gelombang. Apabila indeks bias di dalam lapisan lebih besar dan indeks di sekitarnya, maka pemanduan ini disebut index guiding.. Jika perbedaan indeks bias lapisan dan sekitarnya tidak terjadi, atau malah sebaliknya bernilai negatif (lebih kecil dan sekitarnya), pengurungan peng rungan optis terjadi karena adanya anya perbeda perbedaan bagian khayal pada tetapan dielektrumnya. Pemanduan yang terjadi disebut gain guiding.. Path keadaan peroleh pemandu terpadu (gain guided), hanya cahaya yang menjalar m hampir sejajar dan sejajar ajar sumbu lapisan saja yang dikuatkan, sedang mode lain akan terserap dan hilang. Gambar 3.25 (b) melukiskan watak keluaran cahaya-arus cahaya arus untuk laser oksida oksi silikon dengan lebar 3 µm. Dibandingkan dengan laser 20 µm,, tampak bahwa aras arus ambang lebih rendah dengan kelinearan liku yang lebih baik. Laser dengan watak keluaran linear yang demikian cocok digunakan dengan modulasi analog. III-2.10. Pengaruh Suhu pada Daerah Kerja Laser Lapis Operasi dengan fungsi malar (gelombang malar, contimous wave) wave akan mempunyai tanggapan yang baik pada jang jangkauan suhu hingga 60 0C karena dalam daerah ini watak keluaran cahayanya masih stabil. Watak keluaran cahaya laser lapis untuk beberapa nilai suhu terlihat pada pa Gambar 3.26. III-2.11. Struktur Mode Pelaseran Pada penggunaan praktis diperlukan laser yang mempunyai struktur mode pelaseran yang stabil. Perubahan struktur mode pelaseran karena perubahan arus atau waktu akan menimbulkan derau yang menggangu. Pengukuran agihan optis di sekitar permukaan laser atau agihan optis sebagai fungsi sudut berkas keluaran digunakan untuk mengenal mengidentifikasi jenis mode laser. Laser Lapis 20 µm Gambar 3.27 melukiskan intensitas cahaya keluaran pada cahaya yang berdaya 0,5 mW hingga 5 mW. Gambar 3.27 Agihan intesitas cahaya pada permukaan laser 20 µm untuk beberapa aras daya. Tampak bahwa agihan daya efektif mulai dan 8 µm pada nilai ambang menurun hingga 58 µm.. Pada keadaan ini mode gelombang dapat dianggap stabil. Apabila pemfokusan--sendiri iri mengakibatkan aras pemanduan yang cukup kuat memandu gelombang tingkat pertama, maka keluaran akan terdiri atas campuran kedua mode. e. Kedua mode mempunyai panjang gelombang yang sederhana dan dapat diukur sendin-sendiri. Gambar 3.28 memperlihatkan hasil pengukuran daya keluaran laser dan agihan pancaran spontan. Lebar pancaran spontan jauh lebih besar dibandingkan lebar pancaran laser. Gambar 3.28 Agihan intense tas cahaya dekat permukaan untuk tingkat nol, tingkat satu, dan tingkat spontan Pola agihan cahaya keluaran yang diukur berdasarkan sudut penyebaran berkas cahaya pada medan jauh (far filed) tampak pada Gambar 3.29. Divergensi paralel lapisan/horizontal bertambah dengan kenaikan arus dengan simpangan sekitar 30 – 40. Divergensi si pada bidang tegakiurus bidang sambungan biasanya di sekitar 500 dan tak tergantung pada arus, arus namun tergantung pada indeks bias kedua lapisan yang berdampingan. Bentuk berkas sesuai dengan bentuk variasi parabolis tetapan dielektrum lapisan aktifnya. Gambar 3.29 Pola agihan intensitas cahaya pada me dan jauh untuk beberapa aras ars pendorong untuk laser lapis 20 µm Laser Lapis Sempit 3 µm Pola agihan cahaya keluaran laser 3 µm di dekat permukaan terlihat pada Gambar 3.31. caha dekat permukaan pada laser lapis sempit 3 µm Gambar 3.30 Pola agihan cahaya Pada laser 3 µm pada da bentangan 8 µm µ di dekat permukaan, dayanya yanya lebih besar daripada 20 µm. Hal inii timbul karena tidak terjadinya pemfokusan-sendiri pemfokusan sendiri akibat perubahan indeks bias di pusat. pus Berkas yang terjadi cukup kecil (1-2 µm), m), sehingga cocok digunakan dengan Pola daya keluaran untuk medan jauh pada bidang tegak lurus bidang sambungan biasnya selebar 20° hingga 25°. Pola agihan berkas keluaran laser lapis 3 µm m untuk medan jauh terlihat terliha pada Gambar Pada laser jenis inii biasa terjadi agihan kuncup ganda (double (double lobe lobe) akibat kerugian gelombang bang terpandu di dalam struktur antiwave guiding, yaitu u indeks bias berkurang akibat injeksii muatan pembawa. Dengan mengoptimisasikan aras pembubuhan pada lapisan dan lebar lapisan, dapat diperoleh medan n kuncup tunggal. III-3 3 TEKNOLOGI SERAT OPTIS Serat optis atau Optical Fiber merupakan bagian penting pada sistem optoelektronika, karena ena menjadi sarana penyalur informasi yang berwujud cahaya. ini serupa dengan kawat penghantar pada pa sistem elektrik yang berfungsi sebagai sarana transmisi tenaga elektrik dan isyarat informasi atau data. Seperti telah difahami, dunia modern mode tidak akan berarti tanpa kegiatan pertukaran informasi atau tanpa sarana komunikasi komunikasi yang handal. Serat optis mampu menampung aliran informasi yang sangat besar, jauh lebih besar dari da yang dapat ditampung dengan kawat-kawat kawat tembaga. Disamping itu, peluang gangguan da dari luar sangat kecil pada serat optis dan harga yang makin rendah ren menyebabkan nyebabkan sarana ini menjadi pilihan utama di masa kini dan mendatang. Di bagian inii akan diuraikan secara sederhana fungsi serat optis dalam menyalurkan cahaya pembawa informasi, yang dilandasi teori dan teknologi terkait. III-3.1 3.1 Teori Sinar pada Serat Optis Teori gelombang merupakan standar pendekatan analitis perambatan gelombang dalam serat optis. Metode pendekatan lain yang lebih mudah dipahami adalah teori sinar dalam serat optis, namun penggunaannya terbatas. Sebagai gambaran mengenai kedua teori tersebut tersebut dapat dikemukakan keterangan berikut. Gambar 3.32 Profill indeks bias: (a) serat mode jamak, indeks seragam; (b) serat indeks berangsur; (c) serat mode tunggal Teori Sinar: (1) dapat diterapkan path serat berteras seragam mode jamak (Gambar 3.32(a)); (2) dapat diterapkan pada serat optis mode jamak indeks berangsur, tetapi kesalahan cukup besar; (3) tak dapat diterapkan pada serat optis mode tunggal. Karena keterbatasan teon sinar pada butir (1) dan (2), maka pendekatan analitis yang lebih baik adalah h dengan persamaan Maxwell. Kelebihan teori sinar adalah mudah difahami dan dapat dijelaskan dengan gambar. III-3.2 3.2 Teori sinar pada Serat Berteras Seragam Penggolongan Sinar pada Serat Optis Sinar yang bergerak di dalam serat optis berteras seragam dengan ja jari-jari a, indeks bias teras ni dan indeks bias selimut ((cladding) n2 dengan n1 < n2, dapat digolongkan ke dalam dua macam golongan: (1) Sinar meridian, bergerak pada bidang bi ng datar yang melewati sumbu, dan memotong sumbu dua kali selama satu getaran (Gambar 3.33(a)). (2) Sinar serong (skew), ), sinar yang tak pernah memotong sumbu serat (Gambar 3.33(b)) Analisis Sinar Meridian Tinjau sudut sinar masuk melalui ujung suatu serat optis dengan sudut datang ° (Gambar 3.34). sudut bias sinar dapat ditentukan dengan hukum Snellius. sin 1 .n1 = Sin sin 0 = no n1 o sin .no o Keadaan untuk pemantulan total: Dengan sedikit perhitungan ngan yang diberikan di Lampiran 4L-2, 4L 2, persamaan (3.44) dapat ditulis dalam parameter lontaran (launch ( parameter): Persamaan (3.45) merupakan persamaan sinar serong yang penting. Bila Ixol = a dan y0 =0, sisi kiri persamaan (3.45) menjadi L0, yang takgayut pada M0. inii berarti bahwa walaupun sinar tersebut hamper pararel dengan sumbu y, namun masih tetap teta terkurung di teras. Berkas sinar yang seperti tersebut akan menjalar dalam jalur yang berbentuk heliks pada bidang batas teras-selimut teras selimut dengan kecepatan aksial yang rendah. 3.3 Analisis Teori Sinar pada Serat optis Berteras Takseragam III-3.3 Penggolongan Sinar Pada serat optis berteras takseragam juga terdapat sinar meridional dan sinar serong. Disini sinar serong tidak menjalar sepanjang jalur secara zig-zag zig zag seperti Gambar 3.34(b), tetapi mempunyai bentuk zig-zag zig zag yang lebih kompleks (Gambar 3.36(a)), atau berbentuk erbentuk heliks (Gambar 3.36(b)). Gambar 3.36 Sinar serong pada serat berteras takseragam: (a) sinar serong dengan jalur kompleks; (b) sinar heliks Dalam hal inii diandaikan bahwa agihan indeks bias pada arah aksial adalah simetris dan seragam Yang dinyatakan dengan Persamaan (3.49) bila diintegralkan menjadi : yang ang dapatjuga dinyatakan dengan: dengan N0 sebagai kosinus arah berkas dan no adalah indeks bias titik datang. Dengan mengeliminasi n pada persamaan (3.48) diperoleh: Persamaan (3.51) dapat ditulis: Dengan mengintegralkan persamaan (5.52) dan memasukkan nilai awalnya diperoleh: Dengan perhitungan yang diberikan di Lampiran 4A.3, kemudian penulisan kembali persamaan 3.47 dalam bentuk diferensial terhadap z dan menggunakan menggunakan persamaan (3.50) dan (3.53) diperoleh persarnaan: Dengan persamaan (3.54) dapat dihitung lintasan (path) ( ) sembarang sinar (z sebagai fungsi r) apabila diketahui agihan indeks bias n(r) dan keadaan awal xo, yo, Mo, dan Lo, yaitu keadaan ro dan No. III-4 Kabel Serat Optis Seperti halnya kabel listrik atau kabel telepon, kabel serat optis telah dilengkapi dengan pelindung dan penguat terhadap kemungkinan gangguan fisis dan peralatan penghubung atau konektor agar instalasinya menjadi mudah. Dalam satu satu kabel juga bias terdapat lebih dari satu serat optis, sehingga menjadi suatu bundel sejumlah serat optis, untuk menampung lebih banyak lagi isyarat cahaya yang disalurkan. III-4.1 Penjelasan Umum Pembahasan teoritis serat optis telah diuraikan pada pasal-pasal pas pasal terdahulu. Pada pasal inii dibahas perwujudan praktis penyaluran isyarat optis melalui kabel serat optis. Pembahasan singkat ini ini meliputi: unjukkerja kabel serat optis, bahan serat optis, unsur selimut pelindung, dan perancangan kabel berteras tunggal dan kabel berteras ganda. Penerapan kabel serat optis cenderung meluas ke pelbagai bidang. ini disebabkan oleh keunggulan-keunggulan kabel serat optis atas kabel logam. Keunggulan-keunggulan tersebut antara lain berikut ini: 1. Lebarbidang lebih besar Frekuensi pembawa informasi untuk serat optis jauh lebih tinggi dIbandingkan dengan frekuensi yang mampu disalurkan oleh kabel logam. Dengan demikian kapasitas saluran sangat tinggi, sehingga volume informasi yang dapat disalurkan lebih besar. Lebarbidang peralatan optoelektronika dipasaran mencapai 3 GHz dan diperkirakan dapat mencapai 10 GHz. Dengan lebarbidang sebesar itu beriburibu isyarat suara dapat disalurkan melalui kabel yang sama. 2. Untuk kapasitas informasi yang sama, serat optis berdiameter lebih kecil dan lebih ringan. Dengan keunggulan ini kabel serat optis banyak digunakan di kapal, pesawat terbang, dan sebagainya. 3. Dengan perencanaan dan pemasangan yang sempurna, informasi dapat dihindarkan, sehingga kemungkinan terjadinya saling ganggu (cross talk) pada dua jalur atau lebih yang terpasang sejajar sangat kecil. 4. Tahan terhadap gangguan interferens Bahan kabel serat optis adalah dielektrum (bukan logam), sehingga serat optis tidak bersifat sebagai antena yang dapat menangkap gangguan frekuensi radio (RFI), electromagnetic interference (EMI) atau electromagnetic pulse (EMP), sehingga tercapai transmisi bebas derau elektromagnetis (noisy). Sangat berguna untuk diterapkan pada wilayah radiasi nuklir karena kebal terhadap EMP yang banyak teijadi. 5. Penyusutan isyarat relatif kecil, sehingga dapat menghemat jumlah sistem pengulang yang diperlukan, dengan demikian menghemat biaya. 6. Dengan menggunakan bahan-bahan penguat bermutu tinggi, kabel serat optis dapat dibuat lebih kuat, tahan benturan, tahan pengaruh Iingkungan, suhu, dan kelembaman. 7. Dengan menggunakan teknologi tinggi, produksi masal serta bahan baku yang relatif murah, biaya total dapat ditekan serendah mungkin. Mengingat keunggulan-keunggulan tersebut tak mustahil penerapan serat optis akan meluas ke segala bidang. Dengan konstruksi tertentu, kabel serat optis dapat ditanam di dalam tanah, dipasang pada saluran bawah tanah, dipasang di dalam air, di udara, dan pada peralatan atan militer. Kabel serat optis cukup fleksibel/Ientur, /Ientur, dan dengan penambahan kkomponen penguat dan pelindung, ndung, keandalan serat optis dapat terjamin. Komponen pelindung dapat terdiri atas beberapa lapisan untuk menahan tekanan kejutan yang terjadi. Untuk menambah kapasitas saluran, beberapa kabel serat optis dapat dikemas menjadi satu dan dilengkapi dengan selimut pelindung. Kerja Serat Optis yang Dituntut III-3.2 Unjuk-Kerja Faktor-faktor faktor penting yang harus dipertimbangkan dalam perencanaan kabel serat adalah unjuk kerja optis, unjuk kerja mekanis, dan konstruksi kabel. Penyusutan Permukaan bagian dalam saluran ada kalanya tidak rata (terdapat benjolan benjolanbenjolan) baik proses pembuatan yang kurang sempurna maupun akibat gangguan luar pernah dialaminya, aminya, misalnya akibat benturan dengan benda keras. Adanya ketidakrataan permukaan inii mengganggu men gu arah perjalanan isyarat optis. Sebagian cahaya memancar keluar jalur dan hilang terserap oleh bahan selubung dan akibatnya daya isyarat yang mencapai piranti penerima telah melemah. Gambar 3.38 melukiskan contoh adanya ketidakrataan permukaan serat optis. Gambar 3.38 Ketidakrataan permukaan serat optis Rugi-rugi rugi akibat penyusutan pada serat optis berindeks bertingkat dapat dinyatakan dengan rumus (3.55). (3.56) (3.57) Dengan b = rugi-rugi rugi penyusutan b = rugi-rugi penyusutan cacat rc = jari-jari teras b = garis tengah serat = selisih relatif indeks bias teras selimut = h = tinggi rms benjolan p = jumlah benjolan per satuan panjang Em = modulus elastisitas selubung ES = modulus elastisitas teras serat Pada ada persamaan (3.55) terlihat bahwa rugi-rugi rugi rugi penyusutan tergantung pada beberapa faktor, or, dengan faktor dominan berupa jumlah benjolan per satuan panjang dan selisih relatif indeks bias selimut dan teras, . Penyusutan dapat diperkecil dengan membesarkan garis aris tengah serat dan memperkecil selisih indeks bias teras-selimut. teras Untuk mengurangi kemungkinan terjadinya benjolan akibat efek mekanis, meka s, maka selimut dibuat berlapis dan terbuat dari da bahan yang lentur, sehingga lebih tahan terhadap benturan kejutan. Namun n susunan selimut jamak tersebut akan memperbesar ukuran fisik kabel. Gambar 3.39 melukiskan beberapa contoh struktur serat optis beserta susunan pelindungnya. Rugi-rugi Fresnel Rugi-rugi jenis inii tidak bergantung pada panjang kabel. Rugi-rugi Rugi rugi Fresnel terjadi akibat adanya pantulan dan pembiasan pada dua permukaan media yang mempunyai selisih indeks bias. Sebagian daya akan terpantul dan sebagian diteruskan. Akibat adanya rugi rugi-rugi ini daya yang mencapai encapai detektor telah melemah. Gambar 3.39 Konfigurasi selubung serat (jacket) (A: serat gelas, B: selubung pelindung tipis, C: udara/cairan, D: selubung lunak, E: selubung luar) Optimisasi Watak Kabel Serat Optis Pada penyaluran informasi jarak pendek, rugi-rugi rugi Fresnel lebih dominan, sedangkan pada penyaluran informasi jarak jauh rugi-rugi rugi rugi penyusutan lebih dominan. Agar dicapai hasil yang lebih optimum, pada penerapan jarak pendek dipilih serat berteras besar dan tingkap numeris yang besar pula. Untuk penerpan jarak jauh dipilih serat berteras kecil dan bertingkap numeris yang kecil. Unjuk-Kerja Mekanis Ada beberapa faktor penting yang berhubungan dengan kondisi tempat kabel akan dipasang. Kabel yang dirancang untuk dipasang di bawah tanah memer memerlukan ketahanan terhadap momen putir yang besar dan kelenturan selubung yang tinggi, sehingga akan tahan lama terhadap beban kejut yang menimpanya. Fungsi selubung disamping untuk menahan beban mekanis juga berfungsi untuk mempertinggi kekuatan tarik kabel serat pelindung terhadap kelembaban dan suhu. Bahan komponen penguat harus memenuhi persyaratan: 1) tahan terhadap puntiran (memiliki momen puntir besar), 2) mempunyai kekuatan tari rik yang tinggi, 3) bahan cukup ringan, dan 4) fleksibel/lentur. Beberapa jenis bahan yang yang digunakan sebagai komponen penguat dapat dilihat pada Tabel 3.4. Kabel yang dirancang untuk dipasang di atas tanah/di tanah di udara memerlukan persyaratan tambahan antara lain cukup kuat untuk menahan beban dirinya sendiri dan serat optis yang didukungnya. didukung III-3.3 Perencanaan Kabel Dan uraian di atas dapat dirangkum persyaratan kabel serat optis agar dapat dicapai unjukkerja yang optimum. Persyaratan-persyaratan Persyaratan tersebut adalah: 1) serat optis dibuat dari bahan yang bermutu tinggi dan proses pembuatan yang sempurna, sehingga angka penyusutan dapat dibuat sekecil-kecilnya; sekecil 2) komponen selubung disyaratkan mempunya mempunyai kekuatan tarikk yang tinggi, sehingga beban tarikan ikan sebagian besar dapat didukung oleh komponen selubung selubung disamping kelenturan yang tinggi; dan 3) komponen penguat, untuk mempertinggi kekuatan ta tarikk kabel dan sekaligus sebagai komponen pelindung serat optis terhadap gangguan mekanis. Letak ideal pemasangan komponen penguat dan selubung pada struktur kabel adalah pada sumbu kabel agar diperoleh angka kelenturan yang tinggi dan angka tarikan yang tinggi pula, sesuai dengan fungsinya sebagai penguat. Ada dua macam susunan yang dapat dilakukan yang masing-masing masing masing mempunyai kelebihan tersendiri. Konfigurasi kabel kabel serat optis dapat dilihat pada Gambar 3.40. Pemasangan komponen penguat di tengah (Gambar 3.40(a)) memungkinkan kelenturan yang maksimum. Pemasangan komponen penguat pada selubung luar (Gambar 3.40(b)) memungkinkan perlindungan maksimum terhadap gangguan mekanis. Gambar 3.40 Konstruksi kabel serat optis (a) penguat pasang dalam (b)penguat pasang luar Kombinasi kedua susunan di atas menghasilkan kabel serat optis dengan unjuk kerja yang optimum. Susunan kombinasi ini memadukan komponen--komponen penguat at baik yang dipasang bagian dalam (sumbu) maupun pada bagian luar. Gambar 3.42 memperlihatkan struktur umum kabel serat optis konsentris. Gambar 3.41 Struktur umum kabel serat optis konsentris Gambar 3.42 memperlihatkan contoh beberapa kabel serat optis. Gambar 3.42 Contoh beberapa kabel serat optis III-4 FOTODETEKTOR III-4.1 Umum Fotodetektor adalah piranti untuk mengubah isyarat optis menjadi isyarat elektrik. Piranti inii digunakan sebagai komponen utama pada sistem penerima elektronis. Cahaya yang mengandung pesan-pesan pesan pesan yang dikirim oleh piranti pemancar dite diterima oleh fotodetektor, diubah menjadi isyarat elektrik agar mudah diolah, sehingga dapat diperoleh kembali menjadi pesan-pesan pesan yang dikirim tersebut. Dalam bab inii pembicaraan fotodetektor fotodetektor cenderung pada piranti detektor sebagai alat bantu manusia (mata manusia) untuk mengenali informasi yang dibawanya. Jadi pembicaraan ditekankan pada da piranti yang dapat menangkap cahaya yang tidak dapat diterima ma oleh indera penglihatan secara langsu langsung, ng, karena frekuensi cahaya yang digunakan berada di luar kawasan tanggapan frekuensi mata manusia atau yang membahayakan kesehatan mata apabila dilihat langsung; terutama menyangkut komunikasi jarak-jauh jauh ataupun jarak jarak-dekat dekat yang membutuhkan kecepatan ting tinggi yang berada di luar jangkauan tanggapan manusia. Hal-hal Hal hal yang akan dibahas meliputi antara lain: model fisis pendeteksian isyarat cahaya, struktur piranti yang digunakan, model untai detektor sederhana, dan model analisis derau pada pa proses pendeteksian. IIl-4.2 4.2 Pendeteksian Isyarat Cahaya Efek Fotoelektrik Gambar 3.43 Fotodiode Tabung Hampa Gambar 3.43 memperlihatkan model suatu fotodiode tabung hampa. Katode akan memancarkan elektron-elektron elektron apabila disinari dengan cahaya yang mempunyai panjang gelombang yang cocok. Semakin besar tenaga foton yang diberikan semakin besar kemungkinan elektron-elektron elektron elektron lepas dan permukaan katode yang kemudian tertarik ke arah anode. Tidak setiap foton mampu membangkitkan pasangan lubang-elektron. lubang elektron. Khusus foton ton yang terserap masuk jauh dan permukaan, tenaga elektron yang dibangkitkan tidak mampu mendorong elektron ke permukaan, sehingga tidak terjadi pelepasan elektron dan katode. Perbandingan jumlah elektron yang dilepaskan terhadap jumlah foton yang diserap dengan efisien kuantum adalah ketanggapan (responsivitas), yang menyatakan perbandingan daya cahaya dan arus elektrik yang dihasilkan (dalam satuan watt/ampere). ampere). Kedua satuan ukuran tersebut berkaitan erat,, yaitu ketanggapan dinyatakan sebagai hasil kali efisiensi kuantum dengan faktor dengan e sebagai muatan elektron, dan hf sebagai tenaga foton). Secara numeris dinyatakan bahwa ketanggapan sama dengan 0,8 kali efisiensi kuantum pada panjang gelombang 1 µm. besaran lain yang berkenaan dengan pendeteksian isyarat adalah tunda waktu tanggapan piranti, selang waktu antara terjadinya arus elektrik dan diterimanya/diserapnya diserapnya foton oleh bahan. Elektron yang dilepaskan oleh katode akan bergerak menuju anode melalui medan elektrik yang berada di antara kedua elektrode. elektrode. Selama dalam pergerakannya elektron membangkitkan bangkitkan arus pergeseran yang besarnya sebanding dengan hasilkali komponen kecepatan pada arah medan elektrik dengan kuat medan elektrik tempat elektron berada. Pada foto diode tabung hampa dengan medan elektrik rik yang seragam (uniform)) di anatara anode dan katode, arus pergeseran eran dapat ditingkatkan apabila elektron dipercepat. Sifat-sifat fisis fotodiode tabung hampa merupakan dasar analisis pendekatan cahaya. Dalam praktek, jenis detektor fotodiode foto-tabung hampa jarang digunakan karena bentuk yang g praktis, harga yang cukup tinggi, dan kurang cocok digunakan sebagai detektor yang g bersama bersamalpada sistem yang menggunakan serat optis. III. 4.2 Fotodiode PN dan PIN Gambar 3.44 melukiskan model sederhana fotodiode semi-hantar. Sambungan PN diberi ngan prasikap-mundur yang dipasang sen dengan penghambat beban. Tegangan prasikapundur akan menyebabkan lubang dan elektron yang lincah bergerakltertarik menjauhi wilayah bungan dan menimbulkan medan elektrik di wilayah sekitar sambungan akibatnya terbentuk n positif dan ion negatif yang tidak dapat bergerak bebas. Wilayah tempat terjadi medan ektrik disebut wilayah kekosongan (depletion region). Gambar 3.44 Fotodiode PN Apabila detektor disinari, maka tenaga foton akan diserap oleh bahan terbentuk pasangan lubang elektron yang dapat bebas bergerak di wilayah yang didefinisi sebagai wilayah penyerapan (absorption region). Kedalaman wilayah penyerapan berbeda untuk panjang gelombang yang berbeda. Panjang gelombang yang cukup besar akan mampu menembus sampai masuk ke dalam sambungan, seperti tampak pada Gambar 3.45. Gambar 3.45 Fotodiode sambungan PNgambar atas: diagram medan internal pengaruh deteksi Unjuk kerja optimum terjadi apabila sebagian besar foton terserap di wilayah kekosongan, sehingga terbentuk banyak pasangan lubnag lektron di wilayah mi. Struktur fotodiode dirancang agar cahaya tidak terserap oleh bahan di luar wilayah kekeosongan tersebut. Gerakan pasangan lubang-elektron akan menimbulkan arus pergeseran yang sebanding dengan hasil kali kecepatan komponen muatan pembawa pada arah medan elektrik dan besar medan elektrik lokal. Di wilayah kekosongan kecepatan muatan cukup tinggi sesuai dengan kuat elektriknya. Di wilayah fusi muatan pembawa bergerak secara acak karena medan elektrik wilayah ini lemah. Jadi, sebagian besar arus pergeseran terjadi dalam waktu singkat, yaitu path muatan pembawa melewati wilayah kekosongan. Tanggapan langsung terjadi saat terbentuknya muatan pembawa di wilayah kekosongan. Sedang muatan pembawa yang terbentuk di wilayah difusi menyebabkan adanya tunda-waktu tanggapan. Agar tanggapan waktunya cepat, maka wilayah kekosongan dibuat sedekat mungkin wilayah penyerapan. Ini dapat dilakukan dengan menaikkan tegangan prasikap-balik atau mengurangi kadar pembubuhan pada bahan jenis-N. Pengurangan kadar pembubuhan wilayah N dilakukan hingga wilayah sekitar sambungan menjadi hampir mumi (instrinsik), gga terbentuldah struktur baru, yaitu PIN (positive-intrinsic-negative) seperti tampak. Gambar 3.46. Gambar 3.46 (a) Diode PIN (b) Geometri A PIN Cahaya yang diserap dalam wilayah N tidak menimbulkan penundaan (diffusion tail) karena pasangan lubang-elektron berekombinasi sebelum sempat menjdai arus pergeseran. Struktur PIN dirancang agar dapat memberikan efisiensi dan kecepatan tanggapan yang optimum. Jika wilayah I terlalu sempit, maka sebagian besar cahaya akan diserap di luar wilayah kekosongan pada saat bahan silikon bersifat sebagai penyerap terbaik, kecepatan tanggapan fotodiode dapat mencapai 0,5 ns dan efisiensi kuantum dapat mencapai hampir 100 % terbatas pada tingkat pemantulan permukaan fotodiode. Pada panjang gelombang yang lebih besar bahan silikon akan cenderung memantulkan cahaya, sehingga efisiensinya rendah. Beberapa bahan lain mempunyai tingkat penyerapan yang lebih besar daripada silikon path panjang gelombang yang lebih besar. Gambar 3.47 melukiskan efisiensi kuantum dan ketanggapan beberapa bahan fotodiode berdasar path panjang gelombang cahaya yang diberikan. Gambar 3.47 Efisiensi kuantum dan ketanggapan beberapa bahan diode berdasarkan panjang gelombang cahaya yang diberikan III-4.3 Fotodiode Guguran (Avalanche Photodiode, APD) Arus elektrik hasil pengubahan daya cahaya pada fotodiode PIN kecil sekali, yaitu dalam beberapa nano-ampere. Karena itu, pada pengoperasiannya perlu ditambahkan penguat agar yang terjadi cukup memadai untuk diolah dan agar pesan yang dibawanya dapat diperoleh bali. Tingkat arus yang terjadi path diode PIN kecil sekali karena tidak adanya proses guatan. Agar arus yang dihasilkan cukup besar, maka dirancang agar di dalam piranti detector tersebut telab terjadi penguatan. Piranti yang baru ini bekerja berdasarkan sifat guguran Longsoran, “avalanche”), yaitu ketika aras tenaga pasangan lubang-elektron berada pada tingkat yang kritis, sehingga apabila diberi tenaga pemicu sedikit lagi, maka akan terjadi rekombinasi serentak dan berantai, sehingga arus total yang dihasilkan cukup besar. Gambar 3.48(a) melukiskan suatu struktur fotodiode guguran. Terlihat adanya wilayah pengganda (pelipat-ganda, “multiplication”) di dekat wilayah kekosongan dengan kadar pembubuhan yang tinggi. Apabila piranti diberi tegangan prasikap-balik, maka akan terjadi struktur medan elektrik seperti terlihat path Gambar 3.48(b). Di wilayah yang mempunyai kuat medan elektrik tinggi, muatan pembawa bergerak dengan kecepatan rerata tinggi, sehingga memungkinkan terjadinya benturan yang menimbulkan pengionan. Muatan pembawa baru yang terjadi, kemudian dengan mekanisme yang sama menghasilkan muatan pembawa yang lebih besar. Pada keadaan mantap, sepasang lubang-elektron yang terjadi akibat penyerapan foton, secara berantai dapat menghasilkan puluhan hingga ratusan pasangan lubangelektron. Dengan demikian ketanggapan piranti menjadi lebih besar. Pada Gambar 3.48(c) juga dilukiskan terjadinya penggandaan pasangan lubang-elektron. Penggandaan im terjadi secara acak, sehingga besarnya peroleblpenggandaan tidak dapat diduga. Karena ketidakteraturan mi proses penggandaan menimbulkan akibat sampingan, yaitu timbulnya derau yang akan membatasi kepekaan piranti. untuk mengurangi pengaruh derau mi diathkan perbaikan pada struktur dan keseragaman bahan semihantar. Gambar 3.48 Fotodiode guguran Besar tegangan prasikap dan aras pembubuhan juga mempengaruhi kecepatan tanggapan piranti. Bila prasikap-mundur dinaikkan mulai dan nol, mula-mula daerah penggandaan menjadi wilayah kekosongan dengan kuat medan elektrik yang tinggi. Jika tegangan prasikap terus dmaikkan, maka wilayah penggandaan benarbenar menjadi wilayah kekosongan dan wilayah I juga akan menjadi wilayah kekosongan. Bila kadar pembubuhan wilayah penggandaan terlalu tinggi, medan elektrik akan menjadi terlalu kuat sebelum wilayah I menjadi wilayah kekosongan. Hal ini menyebabkan tanggapan piranti menjadi rendah. Sebaliknya apabila kadar pembubuhan terlalu rendah, wilayah I akan terlalu cepat menjadi wilayah kekosongan, sehingga tegangan prasikap-mundur yang dibutuhkan untuk membentuk wilayah penggandaan menjadi terlalu Oleh sebab itu diadakan proses optimalisasi agar diperoleh wilayah kerja yang optimum. Arus yang dihasilkan piranti mi cukup besar, sehingga APD dapat digunakan tanpa menambah penguat isyarat lagi. Peroleh yang dapat dicapai APD hingga 100 kali dengan kecepatan tanggapan 0,5 ns. Gambar 3.49 melukiskan struktur geometri APD. Cincin penjaga mencegah adanya dadal-guguran yang terlalu dini (premature avalanche breakdown), yaitu daya ikatan atom sudah mencapai kritis di wilayah penggandaan ketika di wilayah difusi belum menjadi wilayah kekosongan. Akibat tanggapan terhadap isyarat akan menjadi rendah karena adanya gejala ekor difusi. III-4.4 Model Untai Fotodiode PIN Pada penerapannya, untai fotodiode PIN dilengkapi dengan penguat agar isyarat Iuarannya cukup kuat dan memdai untuk diolah selanjutnya. Model untai sederhana PIN nak pada Gambar 3.50. Gam bar 3.50 Model sederhana untai PIN Penyedia daya yang diben kapasitor pintas yang cukup cukup besar dipasang sen dengan fotodiode dan untai beban. Ujung-ujung Ujung ujung penghambat RL dihubungkan dengan beban yang selanjutnya diperkuat oleh suatu penguat. RL juga berfungsi sebagai jalur jalurbalik ke penyedia daya. Tegangan prasikap-mundur prasikap mundur operasional untuk dio diode silikon berkisar antara 10 V hingga lebih besar dan 100 V tergantung pada kecepatan tanggapan dan panjang wilayah I yang ditetapkan. Untai setara ac fotodiode terlihat pada Gambar 3.51. Fotodiode dapat digambarkan sebagai sumber arus yang sejajar dengan kapasitans sambungan. Penghambat sen bernilai kecil; penghambat paralel bernilai sangat besar, sehingga pada frekuensi tinggi dapat diabaikan. Perancangan didasarkan path beberapa pertimbangan praktis dan derau penguat. Jika peroleh penguat dinyatakan dengan den A(f) (f adalah frekuensi bidang-dasar), dasar), tegangan keluaran V pada frekuensi fdinyatakan dengan persamaan (3.58). V(f)=I(f) Z(f) A(f) (3.58) dengan Z(f) sebagai impedans beban pada pa frekuensi f, yaitu: Z = Cd : Kapasitans sambungan diode Rs : Hambatan seri diode RL : Penghambat beban RA : Hambatan masukan penguat CA : Kapasitans :shunt” penguat Rr : 1 1 + ( j2 ⊂ f ⊂ T ) R Gambar 3.51 Untai setara PIN (3.59) Bila p(t) menyatakan daya optis yang diterima detektor dalam watt dan R adalah ketanggapan piranti dalam maka tegangan keluaran penguat merupakan hasil konvolusi komponen-komponen komponen tersebut yang dinyatakan dengan persamaan: (3.60) Dengan * : menyatakan operasi konvolasi dua; h(t)diode : adalah tanggapan impuls detector (alih ragam fourier tanggapan frekuensi detector h(t)penguat-beban : adalah tanggapan impuls penguat. ubah sesuai dengan pesat modulasi isyaratnya. Jika p(t) Besar p(t) berubah-ubah berubah secara lahan, maka v(t) mempunyai bentuk yang serupa dengan p(t). Sebagai contoh perhatikan gambar bar 3.52. Dimisalkan p(t) berubah-ubah berubah ubah secara sinusoidal di sekitar nilai re reratanya dengan amplitude puncak 1µW W pada frekuensi 1 MHz. M z. Bila ketanggapan diambil 1 dan tanggapan frekuansi detektor adalah satu (1) di semua kawasan frekuensi di luar I MHz (impedans masukan didominasi oleh penghambat 50 pada frekuensi 1 MHz dan peroleh penguat 20 dB, maka tegangan gangan keluaran berbentuk sinusoidal dengan nilai puncak 500 µW. W. Pada pengolahan selanjutnya diperlukan penguat lagi agar tegangan keluarannya cukup besar. Gambar 3.52 Modulasi sinusoidal III-4.5 Model Untai Diode 6 Guguran APP Gambar 3.53 berikut mi melukiskan model sederhana untai fotodiode guguran APD. Gambar 3.54 Model sederhana untai APD Pada prinsipnya untai APD sama dengan untai fotodiode PIN. Hal yang sangat berbeda adalah bahwa unjuk-kerja unjuk dan ketanggapan an untai APD sangat tergantung pada tegangan prasikapnya. prasikapnya. Hubungan ketanggapan APD terhadap perubahan tegangan prasikapnya untuk beberapa beberapa nilai suhu dilukiskan pada Gambar 3.54 berikut ini. Pada tegangan 100 V medan elektrik di wilayah kekosongan mulai stabil perubahannya hingga kira-kira kira 250 V. Keadaan inii dilukiskan dengan ketanggapan pada jangkauan tegangan tersebut tersebut yang dapat dikatakan tetap. Pada tegangan di atas 250 V penambahan tegangan akan menyebabkan ebabkan kenaikan ketanggapan secara cepat, sehingga sampai pada suatu batas tegangan tertentu. Terlihat jelas bahwa suhu sangat berpengaruh terhadap ketanggapan piranti. Oleh karena untuk menjaga kestabilan kerjanya, penyedia daya perlu dijaga kemantapannya terhadap perubahan suhu; antara lain dengan suatu untai umpan balik. Kenaikan suhu pa pada suatu tegangan prasikap ikap tertentu akan menunjukkan unjuk-kerja unjuk kerja untai tersebut. Hal ini terjadi karena kenaikan suhu merangsang/menimbulkan merangsang kan tembakan derau, yang selanj selanjutnya menurunkan ketanggpan detektor detek tersebut. Gambar 3.54 Hubungan ketanggapan dan tegangan prasikap-mundur prasikap mundur pada APD Untai setara fotodiode APD dilukiskan pada Gambar 3.55, yang identis dengan untai setara diode PiN. Penggandaan guguran sangat peka terhadap aras medan elektrik. Karena itu ketidaklinearan inearan dapat terjadi apabila perubahan isyarat masukannya terlampau besar. Biasanya fotodetektor etektor APD digunakan pada pendeteksian isyarat-isyarat isyarat isyarat kecil. Gambar 3.55 Untai setara APD III-4.6 4.6 Derau dan Isyarat Minimum yang Dapat Terdeteksi Dalam perjalanannya lanannya da dari pemancar ke detektor penerima isyarat optis mengalami penyusutan dan gangguan derau dari da berbagi sumber derau, sehingga sampai di tempat detektor isyarat sangat lemah dan diliputi oleh derau. Agar diperoleh kembali pesan yang terkandung di dalam dalam isyarat tersebut, diperlukan detektor dengan kepekaan yang tinggi dan lebar-bidang lebar yang cukup besar. Kepekaan detektor dapat dinyatakan dalam daya isyarat terkecil yang masih terdeteksi. Daya terkecil yang masih terdeteksi inii dipengaruhi oleh dua macam faktor, yaitu efisiensi kuantum dan derau. Efisiensi kuantum biasanya cukup tinggi dan hampir ideal (100%). Dalam hal demikian faktor yang paling berpengaruh terhadap nilai daya terkecil yang masih terdeteksi adalah derau. Derau ini berasal dari ri dua macam sumber, yaitu “derau tembakan dan derau penguat”. Derau tembakan terdapat baik pada detektor maupun sumber cahaya LED atau laser. Derau tembakan akan disebabkan oleh perubahan/variasi perubahan variasi secara acak kedatangan lubang/elektron di kolektor kolek transistor, diode atau anode tabung. Arus isyarat yang terjadi padadaya optis terkecil yang dapat terdeteksi, juga disertai derau yang dinyatakan dalam arus akar rerata kuadrat (root-mean (root mean-square). Nisbah daya isyarat-derau (signal to noise ratio, S/N)) pada detektor dinyatakan dengan: (3.61) Daya optis yang diterima fotodetektor diubah menjadi arus elektrik, sehingga daya isyarat pada penguat sebanding dengan kuadrat daya optisnya. Arus isyarat yang terjadi dapat dinyatakan dengan: (3.62) Dengan Po sebagai daya optis hf adalah tenaga foton, dan adalah efisiensi quantum Derau temabakan terdiri atas dua bagian, yaitu yang berasal dan fluktuasi isyarat: (3.63) dan derau pada arus gelap (dark ( current) pada detektor ektor (“dark noise” adalah derau yang terjadi pada saat tidak ada isyarat optis), yang dinyatakan dengan: (3.64) dengan B sebagai lebar-bidang bidang sistem. Derau penguat dinyatakan sebagai derau Johnson pada penghambat beban pada suatu suhu efektif Tef. Derau ini in dinyatakan dengan persamaan: (3.65) dengan an k: sebagai tetapan Boltzman RL: sebagai penghambat beban Nisbah isyarat-derau derau dapat dinyatakan dengan persamaan: (3.66) Persamaan (3.66) merupakan hubungan yang menyatakan unjuk-kerja kerja detektor pada pa suatu sistem komunikasi optis. Berdasar persamaan (3.66) dapat ditentukan NEP (Noise-Equivalent-Power)) penguat sebagai fungsi lebar-bidang lebar bidang B, yang dinyatakan pada persamaan (3.67). NEP menyatakan daya yang diperlukan diperlukan untuk memperoleh nisbah isyarat-derau derau sama dengan satu dalam lebar-bidang bidang 1 Hz. Biasanya NEP dinyatakan dalam satuan pikowatt per akar Hz. Hz (3.67) dengan (3.68) Berdasar persamaan (3.66) dengan membuat , diperoleh roleh nilai daya optis minimum yang masih dapat didekati, sebagai: (3.69) Apabila arus gelap tidak cukup kecil untuk diabaikan, maka batas gelap yang diperbolehkan olehkan dapat ditentukan berdasarkan persamaan (3.66) dengan derau derau-penguat dan derau-tembakan akan detektor: (3.70) Pada penggunaan dengan isyarat digital, digital daya optis minimum yang masih dapat dideteksi dinyatakan yatakan sebagai fungsi pesat bit; contoh hal inii terlihat pada Gambar 3.56. Gambar 3.56 Isyarat optis minimum yang masih terdeteksi sebagai fungsi pesat bit. III-4.7 4.7 Peroleh Guguran (Avalanche Gain) Pembawa muatan (lubang dan elektron) yang bergerak memasuki wilayah kekosongan (wilayah bermedan elektrik tinggi) di dalam bahan semihantar akan mendapatkan tambahan tenaga. ini menyebabkan elektron dan lubang bergerak lebih Iincah dan berbenturan dengan ion ion-ion pada berbagai arah. Akibat benturan tersebut, terlepaslah elektron-elektron, elektron, sehingga jumlah pasangan lubang-elektron elektron bertambah banyak. Terjadinya benturan ionisasi berantai berant menambah besar arus yang terjadi. Peroleh arus akibat benturan berantai ini disebut peroleh guguran (avalanche avalanche gain gain). Jika muatan pemula/pemacu pemacu adalah elektron seperti terlihat pada pada Gambar 3.58, luban lubang yang terjadi akibat benturan akan berlawanan arah gerak gerak elektron. Elektron yang terlepas membentuk atom yang lain, sehingga jumlah elektron bertambah banyak. Gambar 3.57 Gambaran terjadinya peroleb guguran Watak benturan ionisasi dinyatakan dalam pesat ionisasi elektron, alfa ( ), dan pesat ionisasi lubang, ubang, beta ( ). Pesat ionisasi menyatakan jumlah muatan sekonder yang terjadi per cm perjalanan melewati medan elektrik sebesar yang disebabkan oleh sebuah muatan. Agar dapat mengawali suatu proses ionisasi, sebuah muatan haruss mempunyai cukup tenaga, sedikitnya sedikitnya sebesar tenaga celah bidangnya. Peroleh guguran tergantung pada medan elektrik, dan medan elektrik itu sendiri tergantung pada tegangan prasikap. Peroleh guguran inii sangat penting artinya dalam proses deteksi isyarat optis. Karena peroleh ini dihasilkan hasilkan di dalam detektor itu sendiri, maka derau sampingan yang terjadi relatif kecil. Penggunaan diode guguran memungkinkan kenaikan daya isyarat, sehingga kenaikan daya deraunya tidak mengganggu sampai suatu batas jangkauan tertentu. Derau tembakan yang menyertai penguatan isyarat, membatasi besar penguatan operasinya. Pada APD derau tembakan tembakan akan diperkuat sedikit lebih besar dan isyaratnya. inii terjadi akibat adanya dua jenis muatan yang menimbulkan ioni nisasi, yaitu elektron dan lubang. Peroleh guguran yang diperbolehkan, agar isyarat terkecil masih dapat dideteksi, dibatasi beberapa faktor fakt derau, antara lain: 1) derau penguat, 2) daya derau detektor, dan 3) derau sampingan ingan akibat benturan ionisasi. derau dengan peroleh guguran dapat ditentukan berdasarkan Nisbah daya isyarat-derau persamaan: (3.71) dengan M : sebagai peroleh guguran F(M) : derau sampingan akibat proses guguran Karena arus isyarat meningkat dengan faktor M, maka daya isyarat meningkat dengan faktor M2. daya derau meningkat lebih cepat dengan faktor M2F(M). Derau sampingan berhubungan langsung dengan besar umpan umpan-baliknya (lubang yang arahnya berlawanan dengan arah elektron) dan dinyatakan dalam pesat ioninsasi dan . Apabila nisbah j berbeda jauh dan nilai satu,, maka hanya pembawa yang mempunyai pesat ionisasi besar yang dapat mengakibatkan benturan ionisasi. Maka faktor derau sampingannya menjadi lebih kecil dan cenderung mendekati batas terendah, yaitu nilai 2. Jika pesat ionisasi dan sama, maka derau sampingan maksimum dan F akan mendekati nilai M. Ketergantungan derau guguran terhadap pesat ionisasi ionisasi telah dihitung oleh McIntyre dan dinyatakan dengan persamaan (3.72) Ketika elektron memiliki pesat ionisasi yang lebih tinggi, yaitu < 1. Demikian juga apabila muatan pegawal (pemulai) proses guguran adalah lubang, maka , dan akan diperoleh hasil perhitungan yang sama. Gambar 3.58 menunjukkan data hasil perhitungan McIntyre untuk beberapa nisbah pesat ionisasi. Gambar 3.58(a) Peroleh, M (a) Gambar 3.58 Hasil perhitungan faktor derau F(M) oleh McIntyre: (a) untuk beberapa nilai K. (b) hasil percobaan pada APD Silikon. Keterangan derau gugran pesat ionisasi telah dihitung oleh MCIntyre dan dinyatakan dengan persamaan: (3.72) Ketika elektron mempunyai pesat ionisasi yang lebih tinggi, yaitu < 1. Demikian juga apabila penguatan pengawal (pemulai) proses guguran adalah lubang, Maka dan akan diperoleh hasil perhitungan yang sama. Gambar 3.59 di atas menunjukkan data hasil perhitungan McIntyre untuk beberapa nisbah ionisasi. III-5 OPTOISOLATOR III-5.1 Umum Optoisolator disebut juga “optocoupler” “ ” adalah suatu pasangan fotodiode fotodiodedetektor yang saling terisolasi dan membentuk satu sa kesatuan piranti optoelektro optoelektronika. Biasanya komponen-komponen komponen penyusun dipadukan dalam suatu lempeng untai terpadu. adu. Fungsi kerja optoisolator dapat disamakan dengan rele biasa. Penggunaan piranti inii antara lain untuk mengalihkan isyarat elektrik antara kedua untai tersebut, sebagai rele pengendali sumber tegangan (mengendalikan sumber tegangan tinggi dengan menggunakan nakan sumber tegangan rendah). Gambar 3.59 melukiskan contoh untai optoisolator ini. Gambar 3.59 Untai optoisolator Watak-watak watak piranti harus diketahui lebih dulu sebelum proses perancangan dilakukan agar kemampuan piranti dapat digunakan maksimal atau agar dicapai unjuk unjukkerja yang optimum. III-5.2 5.2 Komponen Pemancar Cahaya Faktor terpenting pada perancangna fotodiode optoisolator adalah optimasi gandengan (coupling) fotodiode fotodetektor. fotodiode-fotodetektor. Parameter yang penting untuk dioptimumkan antara lain: peroleh, lebar-bidang bidang dan watak elektriknya. Pada fotodiode bahan an GaAs dengan komposisi GaAs1-xPx, pengubahan kadar x akan mengakibatkan perubahan panjang panja gelombang yang dihasilkan ( ), efisiensi dan pesat tanggapannya. Gambar 3.60 melukiskan grafik untuk peroleh (G), lebar lebar-bidang (B) dan hasil kali GB dengan G dan B yang dinormalkan pada pa x = 0. Terlihat bahwa hasil kali GB mencapai optimum untuk x = 30 %. Gambar 3.60 Optimisasi peroleh G dan lebar-bidang lebar bidang B pada pancaran cahaya pada bahan celah-bidang celah langsung (direct bandgap) Struktur fotodiode dibuat dengan luas permukaan yang kecil untuk menghindarkan yang mungkin timbul akibat menyebarnya arah pancaran cahaya yang dihasilkan. III-5.3 Medium Optis Medium perantara optis yang digunakan disesuaikan dengan bidang penerapannya. Sifat isolasi medium yang sangat tinggi digunakan apabila jarak fotodiode-fotodetektor fotodetektor akan dibuat sangat berdekatan. Apabila jarak fotodiode fotodiodefotodetektor relatif cukup jauh seperti melalui serat optis, lensa, atau medium lain, sifat pancaran berkas lebih penting untuk dipertimbangkan/dibandingkan dipertimbangkan gkan dengan sifat isolasi bahan medium optisnya. III-5.4 Fotodiode Prinsip kerja fotodetektor telah dibahas dalam pasal III-4. 4. Fotodetektor optoisolator mempunyai punyai watak seperti fotodetektor fotodetektor yang telah diuraikan terdahulu. Untuk memperoleh nisbah alih arus (Current Transfer Ratio, CTR) yang cukup tinggi, isyaratt yang mencapai fotodetektor perlu diperkuat. Komponen penguat ini berupa piranti transistor. istor. Konstruksi penguat ini dapat berdiri sendiri (seperti pa pada fototransistor) atau transistor dipasang dipasa mengikuti fotodetektor. Watak tanggapan dan kelinearan fototransistor relatif kurang baik dibandingkan dengan fotodiode. diode. Ketidaklinearan fototransistor disebabkan oleh adanya arus kolektor melalui sambungan basis-kolektor kolektor (karena wilayah basis-kolektor basis kolektor merupakan wilayah aktif), sehingga mempengaruhi pengaruhi lebar wilayah kekosongan yang selanjutnya mempengaruhi ketanggapannya. Pada fotodiode yang diikuti penguat transistor, arus kolektor tidak ti k melewat melewati fotodiode, sehingga pengaruh arus diode terhadap arus kolektor kecil sekali, seperti terlihat pada Gambar 3.61(b). Pesat tanggapan fototransistor relatif rendah karena adanya a nya wilayah basis basiskolektor yang cukup lebar, sehingga mempunyai kapasitans yang relatif relatif besar (20 pF) akibatnya efek Miller pada frekuensi tinggi. Pada fotodiode/transistor kapasitans pa pada elektrode diode relatif kecil (10 pf) dan lebar sambungan fotodiode tak mempengaruhi peroleh transistor. Kapasitans karena efek Miller pada sambungan kolektor-basis kolektor sangat basis (0,5 pF). Gambar 3.61 Kelinearan fotodiode/transistor dibanding dengan fototransistor fototransistor Gambar 3.62 melukiskan pengaruh adanya kapasitans tersebut Gambar 3.62 Kapasitans masukan fototransistor dibandingkan dengan fotodiode/transistor III-5.5 Tingkat Penguat Pada optoisolator biasa terjadi penyusutan isyarat, maka dapat ditambahkan bahkan suatu penguat di sisi keluarannya Isyarat hasil konversi relatif kecil, sehingga masih diperlukan tingkat penguat isyarat agar diperoleh isyarat keluaran yang cukup kuat. Konfigurasi Konfigurasi penguat ini dapat berupa translator tunggal atau pasangan transistor Darlington. Konfigurasi penguat iini terlihat pada Gambar 3.63. Gambar 3.63 Penguat “Photocurrent” jenis analog Jenis Penguat untuk Operasi Isyarat Digital Pada operasi isyaratt digital dengan pesat data yang rendah dapat digunakan konfigurasi penguat jenis analog seperti tersebut di atas. Untuk pesat data yang tinggi digunakan penguat transistor jenis je kecepatan tinggi Schottky pada tingkat keluarannya, seperti terlihat pada Gambar bar 3.64. Prasikap untuk fotodiode diambil dari dari Vcc untuk menghindarii pengaruh transisi pada aras nalar keluarannya. Gambar 3.64 Penguat kecepatan tinggi dan peroleh tinggi untuk operasi digital AE - pembalik untuk masukan enable A - penguat “photocurrent” tak-membalik D - diode pemegang Q dan Q QE - sakiar “enable” (mati, kecuali “enable” rendah) Qo - transistor keluaran III- 5.6 Watak parameter optoisolator Parameter-parameter parameter optoisolator yang penting antara lain: 1) Isolasi (Common Mode Rejection, CMR), 2) Insulasi, 3) Pesat tanggapan, dan 4) Nisbah alih arus (Current Transfer Ratio, CTR). Isolasi (Isolation) Isolasi dimaksudkan untuk meningkatkan nisbah isyarat mode-selisih mode selisih—mode- bersama (differential-mode--common common mode), mode suatu istilah yang identik dengan istilah pada Operationa/Amplifier ier (OP-AMP). (OP AMP). Isyarat yang selisih adalah perbedaan teg tegangan antara kedua masukan OP-AMP, AMP, sedangkan isyarat mode-bersama mode bersama adalah isyarat yang keluar pada tingkat keluaran, apabila kedua masukan diberi tegangan ya yang besarnya senilai dengan rerata tegangan pada kedua masukannya. Nisbah kedua peroleh tersebut diusahakan sebesar mungkin yang berarti bahwa isyarat mode bersama tidak mengganggu isyarat mode beda. Isyarat mode-bersama mode bersama dapat dianalogikan dengan derau, erau, dan nisbah disebut “Common Common Mode Rejection Ratio Ratio” (CMRR). Penggandengan optis lebih unggul dibandingkan dengan penggandengan listrik atau magnetis, karena foton yang membawa isyarat selisih tidak membawa muatan listrik atau memerlukan fluks magnetis untuk mendukung gerakannya. Terjadinya isyarat mode-bersama mode bersama pada optoisolator terutama oleh pengaruh gandengan kapasitif liar (stray stray capacitive coupling). coupling Isolasi analog dapat dinyatakan sebagai nisbah relatif perubahan arus kolektor Ic terhadap perubahan tegangan mode-selisih mode eDM dan perubahan Ic terhadap perubahan tegangan modebersama eDM “Common Mode Rejection Ratio” (CMRR). CMRR sering dinyatakan dalam dB dan disebut “Common Mode Rejection” (CMR) sebagai: (3.73) Perhitungan CMR didasarkan asarkan pada pa perancangan untai masukan. (3.74) (3.75) (3.76) Pada persamaan (3.76) terlihat bahwa suku dan kapasitans gandengan mode bersama CCM merupakan komponen/parameter yang penting pada optoisolator. CMRR dapat dibuat bernilai tinggi ti dengan memilih RS dan yang kecil. Demikian juga untuk frekuensi isyarat eCM C , yaitu fCM kecil. Pada operasi dengan isyarat digital diperlukan keluaran keluaran dalam keadaan mantap terlepas dan pengaruh eCM. Apabila eCM berupa sinusoidal, nilai amplitude maksimum yang masih dapat diterima disebut “Common Common Mode Rejection Voltage”, Voltage CMRV. Jika nilai inii terlampui, maka aras keluaran berubah. Gambar 3.67 melukiskan CMRV sebagai fungsi frekuensi. CMRV menurun bila frekuensi naik, sampai pada pa suatu frekuensi putus dan kemudian CMRV naik lagi dengan kenaikan frekuensi. Apabila eDM berupa fungsi tak sinusoidal, pesat perubahan maksimum yang masih dapat diterima ma dinyatakan sebagai “Common Mode Transient Rejection”, CMTR Gambar 3.65 CMRV untuk eCM sinusoidal Grafik CMTR terlihat pada Gambar 3.66. Absis grafik CMTR dapat menyatakan amplitude atau selang-waktu waktu transient karena: (3.77) Kurva e’CM merupakan fiingsi eCM yang mendekati bentuk fungsi parabolis dengan hubungan: (3.78) Gambar 3.67 “Transient Common Mode Rejection Property” CMTR Besaran “konstan” merupakan fungsi peroleh atas pesat tanggupan pada optoisolator. Pada Gambar 3.66 terlihat bahwa aras keluaran optoisolator akan tetap mantap syarat: 1) untuk eCMO besar, maka pesat transient rendah, dan 2) untuk pesat transient tinggi apabila e’CM rendah. Asimtot mtot kurve CMTR dapat dinyatakan dengan arus atau tegangan penguat yang dinyatakan dalam Dvb dan Dib, seperti terlihat pada Gambar 3.67. Kurve CMH dan CML menyatakan toleransi mode mode-bersama bersama untuk aras keluaran tinggi dan aras keluaran rendah. Insulasi Insulasi ulasi menyatakan kemampuan maksimum piranti bekerja pa pada suatu tegangan sebelum terjadi kerusakan akibat tegangan dadal. dada . Insulasi dinyatakan dalam VI-o volt. Pesat Tanggapan Secara sederhana pesat tanggapan optoisolator tergantung pada pesat tanggapan komponen-komponen komponen penyusunnya. Pesat tanggapan juga menyatakan besarnya lebar-bidang bidang piranti. Secara ideal lebar-bidang lebar bidang sumber isyarat, sehingga isyarat yang melalui piranti ini ni tidak mengalami penyaringan. Nisbah Alih Arus, CTR Nisbah arus pada merupakan n parameter yang sangat penting. CTR menyatakan perbandingan arus keluaran Ip terhadap arus masukan IF. CTR dapat menyatakan adanya penguatan atau penyusutan isyarat. Biasanya CTR dinyatakan dalam persen. Gambar 3.68 Parameter-parameter Parameter optoisolator keterangan Gambar 3.68: Digital : Maksimum mode bersama toleransi untuk keluaran digital yang sesuai CMRV eCM maksimum tertoleransi CMTR maksimum tertoleransi CMH : CMRV atau CMTR untuk Vc VOH (iode masukan off) CML : CMRV atau CMTR untuk Vc VOH (iode masukan on) • insulasi : VI-o • kecepatan : eCM batas maksimum analog : lebarbidang 3 dM untuk digital : tunda perambatan pada perubahan keadaan, eDM penggandengan mundur : CI-o = C1 + C2 + CCM penggandengan maju: nisbahh alih arus, CTR x 100 % Vc
