Detektor Cahaya

Tujuan Bab

Bab ini mendiskusikan prinsip dan karakteristik fungsional dari sejumlah detector cahaya

yang popular. Juga dibahas bagaimana relasi struktur photodiode terhadap

karakteristiknya dan bagaimana pengaruh karakteristik fungsional terhadap kinerja

penerima. Berbagai rangkaian detector cahay juga didiskusikan, terasuk didalamnya

perancangan dan analisi secara rinci juga dijelaskan. Diskusi ini akan memberikan

pengalaman untuk menghitung level tegangan keluaran dari daya optic masukan yang

diberikan. Bagian akhir dari bab ini akan mejelaskan tentang derau (noise), kemampuan

mendeteksi (detect ability), dan juga menyajikan sejumlah contoh perhitungan. Hal ini

akan memberikan pengertian pada mahasiswa tentang relasi Sinyal terdeteksi minimum,

derau dalam (internal noise), dan lebar pita system (bandwidth system).

3.1. Pendahuluan

Detector cahaya, secara khusus photodiode, dapat dipandang sebagai inverse dari light

emitting diode (LED). Disini madukan ke peranti adalah daya optic dan keluaran dari

peranti berupa sinyal listrik. Prinsip operasi dari photodiode ini merupakan fenomena

fisika sebagaimana yang terjadi pada LED. Detektor cahaya menyerap photon cahaya dan

menghasilkan electron, yaitu electron yang dapat menghasilkan arus listrik.

Untuk mendapatkan hasil yang optimum penggunaan photodiode sebagai transducer,

secara khusus untukaplikasi system komunikasi optic, maka detector cahaya harus

memiliki fitur fitur sebagai berikut:

1. Peranti detector cahaya harus sangat sensitive. Arus listrik yang dihasilkan harus

sebesar mungkin dalam merespon daya optic masukan. Karena detector cahaya ini

selektif terhadap panjang gelombang (responnya terbatasi oleh rentang panjang

gelombang), maka sensitifitas ini harus bernilai besar pda daerah panjang gelombang

operasi.

Detektor Cahaya 1

2. Waktu respon terhadap Sinyal optic masukan harus cepat. Detektor cahaya harus

mampu menghasilkan arus listrik meski pulsa optic masukan berlangsung dalam

waktu yang cepat. Hal ini akan memungkinkan untuk menerima data dengan laju bit

tinggi.

3. Untuk system penerimaan data analog, detector cahaya harus memiliki hubungan

masukan-keluaran yang linier. Hal ini diperlukan untuk menghindari distorsi Sinyal

keluaran.

4. Derau dalam (internal noise) yang dibangkitkan oleh peranti harus sekecil mungkin

agar peranti dapat mendeteksi Sinyal optic masukan sekecil mungkin.

Beberapa karakteristik penting lainnya, misalnya keandalan, stabilitas, dan kekebalan

terhadap pengaruh lingkungan.

3.2. Prinsip Pendeteksi Cahaya

Agar pendeteksian cahaya ini berlangsung secara optimal, maka secara esensial sebagain

besar (bila tidak semua) photon cahaya yang masuk ke dalam peranti harus dikonversi

(diubah) menjadi besaran listrik. Masing-masing photon mungkin menyebabkan

terjadinya emisi electron sehingga menjadi electron bebas. Elektron bebas ini (hole

bebas) dibangkitkan dengan cara memindahkan electron dari pita velensi ke pita

konduksi, dan yang tertinggal dalam pita valensi adalah lubang yang lazim dinamakan

dengan hole bebas.Proses terjadinya pasangan eletktron-hole ini disebut dengan

photogeneration Proses ini ditunjukkan pada gambar 3.1. dimana photon diserap oleh

atom yang menyebabkan sebuah electron pindah dari level valensi menuju level

konduksi. Perubahan energi yang terjadi pad electron adalah Eg, yaitu agar peristiwa ini

terjadi, maka energi minimal yang dimiliki oleh photon adalah Eg. Karena energi photon

berkaitan dengan frekuensinya (atau panjang gelombang), maka nilai energi gap, Eg ini

menentukan respon daerah spektral detektor cahaya. Energi photon, Ep, harus lebih besar

atau sama dibandingkan dengan energi gap, Eg.

Ep ≥ Eg

h × f ≥ Eg …3.1

Detektor Cahaya 2

Level energi konduksi

Level energi valensi

photon

hole

elektron

Eg

Level energi

Gmbar 3.1. Pembangkitan pasangan elektron-hole

Detektor cahaya ini tidak merespon bila cahaya yang detang memiliki frekuensi lebih

kecil dari frekuensi cut off, fC, dimana fC didefinisikan sebagai:

f C = Eg /h 3.2

atau panjang gelombang cahay tidak boleh lebih besar dibanding dengan panjang

gelombang cut off, C , dimana C didefinisikan sebagai:

λC = h ×c / Eg … 3.3

Contoh 3.1. menunjukkan bahwa detektor cahaya dengan bahan hanya bisa digunakan

untuk lebih pendek dari 1,53 µm, yaitu rentang panjang gelombang yang lazim digunkan

Detektor Cahaya

Contoh 4.1.

Germanium dengan energi gap sebesar 0,81 eV. Temukan panjang gelombang cut off

dari photodiode germanium ini.

Penyelesaian

C = (h × c)/Eg

= (6,623 × 10-34 × 3 × 108)(0,81 × 1,602 × 10-19) = 1,531 × 10-6 m = 1,531 mm

3

dalam sistem komunikasi optik (0,8 µm; 1,33 µm; dan 1,5 µm). Secara bertolak

belakangan dengan bahan germanium adalah bahan silikon yang memiliki energi gap, Eg

= 3,1 eV (direct band gap) dan bahan ini lazim digunakan untuk mendeteksi cahaya

ultraviolet (dengan panjang gelombang sekitar 0,3 µm) atau lebih pendek darinya.

Dengan mengkombinasikan beberepa nilai konstanta yang ada pada persamaan 3.2 dan

3.3, maka dapat diperoleh:

λC = 1 , 24/ Eg … 3.4

dimana C bersatuan µm dan Eg bersatuan eV. Efisiensi detektor cahaya sering

dinyatakan dalam terma efisiensi kuantum, sebagaimana definisi efisien pada LED, yaitu

ηQ =jumlah elektron bebas yang dibangkitkan jumlah photon yang datang

=Ne

N p … 3.5

Yang diharapkan untuk nilai Q adalah 1, yang berarti bahwa setiap photon cahaya yang

diserap oleh detektor akan dihasilkan elektron bebas. Nilai tipikal dari Q antara 70 –

80%.

Terma yang lebih praktis untuk menyatakan operasi dari detektor cahaya adalah

respnsifitas, R (terkadang juga disebut sensitifitas radisi), yang didefinisikan sebagai

nisbah photocurrent (arus yang dihasilkan ketika suatu photon cahaya diserap) terhadap

daya photon cahaya.

R = I P / Pi … 3.6

dimana R bersatuan ampere per watt (A/W), atau µA/µW. IP adalah photocurrent dan Pi

adalah daya optik cahay datang.

Detektor Cahaya 4

Menjadi penting untuk merelasikan antara R dan terhadap Q dengan terlebihj dulu

mendefinisikan:

I P =( Ne × e )/s … 3.7

dimana e adalah muatan elektron(1,602 × 10-18 C) dan Ne adalah jumlah elektron bebas

yang dibangkitkan.

Pi =( N P × EP)/s … 3.8

dimana EP adalah energi photon cahaya, NP adalah jumlah photon datang. Dengan

mensubstitusi persamaan 3.7 dan 3.8 untuk peubah pada persamaan 3.6, maka diperoleh:

R=( Ne×e )/( N p×E p )=(ηQ×e )/E p … 3.9

Pernyataan (ηQ×e )/ Ep , Ep bersatuan joule. Ini bisa dinyatakan dengan R = ηQ /E p

dimana Ep bersatuan eV.

R=(ηQ×e )/(h×f )=ηQ(e×λ )/(h×c ) … 3.10

dalam hal ini Q adalah nilai fraksi (nisbah, bukan persen), dalam meter, R dalam

amper/watt, c dalam meter/detik., dan e dalam coulomb. Nilai efisiensi kuantum dan

responsifitas, biasanya diberikan untuk panjang gelombang tertentu. Dengan

memasukkan semua konstanta, maka persamaan 3.10 dapat dinyatakan sebagai:

R=(ηQ×λ )/1, 24 … 3.10.a

Detektor Cahaya

Contoh 4.2.

Efisiensi kuantum suatu suatu detektor cahaya adalah 70% (0,7) dan beroperasi pada

panjang gelombang = 0,82 µm. Temukan nilai responsifitasnya.

Penyelesaian:

R=(ηQ×λ )/1, 24 = 0,7 × 0,82 / 1,24 = 0,463 A/W

5

Persamaan 3.10 dan 3.10.a menunjukkan bahwa nilai responsifitas suatu detektor cahaya

semakin besar bilai nilai panjang gelombang cahaya dtang semakin besar. Ini hanyalah

secara teori, yang mengabaikan sejumlah pertimbangan praktis. Berkas cahaya datang

yang masuk ke dalam daerah tipe P (sambungan PN), akan terlebih dulu mengalami efek

pemfilteran oleh bahan. Gambar 3.2. menunjukkan hubungan antara responsifitas

detektor cahaya dengan panjang gelombang sinar.

Gambar 3.2. Nilai tipikal responsifitas spektral dariDetektor cahaya model AP4010

3.3. Detektor Cahaya

3.3.1. PN Photodiode

Detektor Cahaya

Contoh 4.2.

Efisiensi kuantum suatu suatu detektor cahaya adalah 70% (0,7) dan beroperasi pada

panjang gelombang = 0,82 µm. Temukan nilai responsifitasnya.

Penyelesaian:

R=(ηQ×λ )/1, 24 = 0,7 × 0,82 / 1,24 = 0,463 A/W

6

Salah satu detektor cahaya yang amat populer adalah photodiode, yaitu diode yang

dioperasikan pada mode reverse dimana daerah deplesinya diinteraksikan dengan energi

cahaya. Perlu diingat bahwa diode tanpa tegangan bias memiliki daerah deplesi secara

relatif sempit, yaitu daerah dimana muatan bebasnya (elektron atau hole) sangat jarang.

Dengan memperbesar tegangan bias reverse daerah deplesi ini akan membesar. Photon

yang datang pada daerah deplesi ini akan menghasilkan pasangan elektron-hole (muatan

bebas) yang selanjutnya berpindah karena tegangan yang diberikan antara sambungan.

Gambar 3.3 melukiskan situasi ini.

(a)

(b)

Gambar 3.3. Photodiode, (a) prinsip operasi dan (b) simbol

Di dalam daerah diplesi, pasangan elektron dan hole bergerak karena tegangan listrik

yang diberikan. Perlu diketahui bahwa karena daerah deplesi memiliki resistansi yang

amat tinggi, maka pada daerah ini akan terdapat medan listrik, E yang amat besar yang

digunkan untuk mempercepat pasangan elektron dan hole. Beberapa photon mungkin

Detektor Cahaya 7

diserap pada daerah P atau daerah N diluar daerah deplesi. Beberapa electron mungkin

melakukan rekombinasi sehingga menghasilkan arus (photocurrent) . Sebagai akibatnya

daerah deplesi ini perlu diperlebar untuk memungkinkan terjadi absorpsi photon cahaya

sebanyak mungkin untuk menghasilkan arus (photocurrent) sebesar mungkin. Untuk

merealisasikan hal ini, maka dikembangkanlah photodiode dengan struktur PIN

Photodiode. Penting dicatat bahwa photocurrent (arus yang dihasilkan oleh photon

cahaya) memiliki polaritas yang sama sebagaiman arus reverse (arus leakage) dari

photodiode. Karenanya penting untuk menjaga arus leakage (dark current) inisekecil

mungkin.

Detektor Cahaya 8

Soal-Soal

1. Photodiode yang terbuat dari bahan semikonduktor indium-phospor memiliki pita

energi gap sebesar 1,35 eV. Berapa panjang gelombang terpanjang yang dapat

dideteksi oleh photodiode

2. Hitung batas frekuensi terendah suatu cahaya yang dapat dideteksi oleh photodiode

dengan energi gap Eg = 1,3 eV

3. Responsivitas dari suatu photodiode adalah R = 0,7 A/W. Hitung arus photo yang

terjadi yang disebabkan oleh cahaya datang dengan daya sebesar 0,5 W

4. Hitung energi photon dari suatu detektor cahaya dengan R = 0,6 A/W (responsivitas)

dan Q = 70% (efisiensi kuantum)

5. Suatu detektor cahaya dengan efisiensi kuantum sebesar 75% bekerja pada panjang

gelombang, = 0,85 m. Hitung respnsivitasnya

6. Hitung efisiensi kuantum dari detektor cahaya dengan responsivitas R = 0,6 A/W

yang bekerja pada panjang gelombang =1,5 m.

Detektor Cahaya 9

PIN Photodetector Characteristics for Optical Fiber Communication

February 15, 2011By Colin Yao 53

:: What Is an Photodetector?

An optical detector is a device that converts light signals into electrical signals, which can then be amplified and processed. The photodetector is as essential an element of any fiber optic system as the optical fiber or the light source. Photodetectors can dictate the performance of a fiber optic communication link.

:: Semiconductor Photodiodes

Semiconductor photodiodes are the most commonly used detectors in optical fiber systems since they provide good performance, being small in size, and are of low cost.

Semiconductor photodiodes are made of silicon, germanium, GaAs, InGaAs, etc.

:: How Does a Photodetector Work?

The following illustration shows how a photodetector work. The detector is electrically reverse-biased. (In contrary, LEDs and Lasers are forward-biased to emit light).

Detektor Cahaya 10

In the first illustration when there is no light, the reverse bias draws current-carrying electrons and holes out of the p-n junction region, creating a depleted region, which stops current from passing through the diode.

In the second illustration when there are lights on the detector, photons with the proper energy (wavelength) can create electron-hole pairs in this region by raising an electron from the valence band to the conduction band, leaving a hole behind. The bias voltage

Detektor Cahaya 11

causes these current carriers to drift quickly away from the junction region, so a current flows proportional to the light hitting the detector.

The wavelengths at which the detector responds to light depend on the detector’s material composition.

:: Photodetector Response Curves

As we said above, the wavelength that a photodetector can respond to depends on its composition. The following graph shows the detector response curve for different materials.

:: PIN Photodetector

The most common semiconductor photodetector is the PIN photodiode as shown below.

Detektor Cahaya 12

PIN photodiode has an intrinsic (very lightly doped) semiconductor region sandwiched between a p-doped and an n-doped region (as shown below).

The PIN photodiode is reverse-biased as shown above. Since the intrinsic (i) region has no free charges, its resistance is high, so that most of the reverse-biased voltage is applied to this i region.

The i region is usually wide so that incoming photons have a greater probability of absorption in the i region rather than in the p or n regions.

Since the electric field is high in the i region, any electron-hole pairs generated in this region are immediately swept away by the field. e-h pairs generated in the p and n regions have to first diffuse into the depletion region before being swept away. Also, these e-h pairs may suffer recombination, resulting in a reduced current.

:: PIN Photodetector Characteristics

1. Quantum Efficiency

Detektor Cahaya 13

Sensitivity measures the response to an optical input signal as a function of its intensity. Photodetector’s sensitivity can be measured in two concepts: quantum efficiency and responsivity.

We will focus on quantum efficiency in this section, and we will introduce responsivity in the next section.

Quantum efficiencyη measures the fraction of incoming photons that generate electrons at the detector. It is defined as

Quantum efficiencyη is the ratio of the number of electron-hole (e-h) pairs generated to the number of incident photons. It can by calculated by

where

R is the reflection coefficient at the air-semiconductor surface

ξ is the fraction of the e-h pairs contributes to the photo current

α is the absorption coefficient

ω is the distance where optical power is absorbed

2. Responsivity

Responsivity is the ratio of electrical output from the detector to the input optical power. If the output current varies proportionally to the input, this is measured as amps per watt (A/W). Since in fiber optic communication systems, input powers are usually in microwatt level, responsivity is often expressed as uA/uW.

The responsivityρ is the photo current generated per unit optical power. The following formula shows how to calculate responsivity.

Detektor Cahaya 14

where

λ0 is measured in um (micrometers)

η is the quantum efficiency

The following figure shows the spectral dependence of responsivity and quantum efficiency for different semiconductor materials.

3. Speed of Response and Bandwidth

The speed of response and bandwidth of a photodetector depend on three factors.

1. The transit time of the photo-generated carriers through the depletion region2. The electrical frequency response as determined by the RC time constant, which

depends on the diode’s capacitance3. The slow diffusion of carriers generated outside the depletion region

Detektor Cahaya 15

Rise Time

Rise time is the time the output signal takes to rise from 10% to 90% of the peak value after the input is turned on instantaneously.

Fall Time

Fall time is the the time the output signal takes to drop from 90% to 10% of the peak value after the input is turned off abruptly.

Photodetector Bandwidth

Detector bandwidth usually is defined as the frequency at which the output signal has dropped to 3dB (50%) below the power at a low frequency. This means that only half as much signal is getting through the detector at the higher frequency.

In a square wave function, the highest frequencies are responsible for the sharp edges. Frequencies higher than the bandwidth frequency (50%) are attenuated even more. As bandwidth decreases, the pulses become more rounded.

4. Dark Current

Detektor Cahaya 16

Dark current is the current through the photodiode in the absence of light, when it is operated in photoconductive mode. The dark current includes photocurrent generated by background radiation and the saturation current of the semiconductor junction.

Dark current sets a floor on the minimum detectable signal, because a signal must produce more current than the dark current in order to be detected. Dark current depends on operating temperature, bias voltage, and the type of detector.

Dark current must be accounted for by calibration if a photodiode is used to make an accurate optical power measurement, and it is also a source of noise when a photodiode is used in an optical communication system.

5. Noise-Equivalent Power (NEP)

Noise-Equivalent Power (NEP) is the minimum input optical power to generate photocurrent, equal to the rms noise current in a 1 hertz bandwidth.

This more directly measures the minimum detectable signal because it compares noise directly to optical power.

NEP depends on the frequency of the modulated signal, the bandwidth over which noise is measured, the detector area, and the operating temperature.

6. Table of Typical Performance Characteristics of Detectors

Parameter Silicon Germanium InGaAs

PIN APD PIN APD PIN APD

Wavelength range (nm)

400 – 1100 800 – 1800 900 – 1700

Peak (nm) 900 830 1550 1300 1300 (1550) 1300 (1550)

Responsivityρ (A/W)

0.6 77-130 0.65-0.7 3-28 0.63-0.8 (0.75-0.97)

Quantum Efficiency (%)

65 – 90 77 50-55 55-75 60-70 60-70

Gain (M) 1 150-250 1 5-40 1 10-30

Excess Noise Factor (x)

- 0.3-0.5 - 0.95-1 - 0.7

Bias Voltage (-V) 45-100 220 6-10 20-35 5 <30

Dark Current (nA) 1-10 0.1-1.0 50-500 10-500 1-20 1-5

Capacitance (pF) 1.2-3 1.3-2 2-5 2-5 0.5-2 0.5

Rise Time (ns) 0.5-1 0.1-2 0.1-0.5 0.5-0.8 0.06-0.5 0.1-0.5Share on facebook Share on twitter Share on email Share on pinterest_share More Sharing Services 53

Detektor Cahaya 17

Copyright © 2013 Fiber Optic Training & Tutorials – FAQ, Tips & News. All Rights Reserved.

Detektor Cahaya 18