Optical ReceiverSistem Transmisi DigitalPerencanaan Link Point to Point Digital

Ref : Keiser

2

Noise Detektor Foto

S Daya sinyal dr arus foto--- = ------------------------------------------------------------------N Daya noise detektor foto + daya noise penguat

Sumber noise di penerima meningkat dr noise detektor foto

akibat dr sifat alami proses konversi photon-elektron dan

noise termal di sirkit penguat.

Utk mendapatkan S/N tinggi :

(a) Detektor foto harus memiliki efisiensi kuantum yg

tinggi utk membangkitkan sinyal besar.

(b) Noise detektor foto dan penguat harus sekecil

mungkin.

Sensitivitas detektor foto : daya optis minimal yg dpt

dideteksi.

3

Sumber Noise

(a) Model sederhana penerima detektor foto.

(b) Sirkit ekivalen

Rs : tahanan seri kecil (Rs << RL) dlm praktek diabaikan

Cd : kapasitansi total (junction + wadah)

RL : tahanan bias atau beban

Ca : kapasitansi input penguat

Ra : tahanan input penguat

4

Arus foto primer dibangkitkan :

)()( tPhf

qtiph

P(t) : Daya optis sinyal bermodulasi

Arus foto primer terdiri dr arus dc Ip, arus foto rata2

berasal dr daya sinyal dan komponen sinyal ip(t).

Utk dioda pin arus sinyal mean square :

tii ps

22

Utk dioda avalanche arus sinyal mean square :

222 Mtii ps

5

Utk sinyal input bervariasi sinusoida dgn indeks

modulasi m, komponen sinyal :

22

2

2pp I

mti

Noise detektor foto tanpa internal gain :

(a) Quantum/shot noise sifat alami statistik

(b) Durk current tdk ada cahaya datang

(c) Surface leakage current kerusakan permukaan

m : indeks modulasi

6

Arus noise kuantum mean square :

MFBMqIi pQ

22 2

B : Lebar pita

F(M) : noise figure

F(M) = Mx , 0 ≤ x ≤ 1,0, tergantung bahan

Detektor pin M = 1, F(M) = 1

Arus bulk dark mean square :

MFBMqIi DDB

22 2

ID : arus bulk dark detektor primer (tanpa perkalian)

7

Surface leakage current (surface dark current) mean square:

BqIi LDS 22

IL : arus bocor permukaan

Arus noise detektor foto total mean square :

BqIMFBMIIqi

iiii

LDPN

DSDBQN

22 22

2222

Utk penyederhanaan Ra >> RL kontribusi tahanan beban

detektor foto :

BR

Tki

L

BT

42

kB : kontanta Boltzman

8

Perbandingan arus dark dioda foto Si, Ge, GaAs dan InGaAs

sbg fungsi normalisasi teg bias.

9

Perbandingan sinyal thd noise

LBLDP

p

RTBkBqIMFBMIIq

Mti

N

S

/422

)(

2

22

Pin noise termal dominan

APD noise detektor dominan

F(M) : fungsi M, S : fungsi M2, noise kuantum dan arus dark :

fungsi M2F(M) ada harga S/N optimum.

M optimum :

Dp

LBLx

optIIxq

RTkqIM

/422

10

Contoh

Dioda foto pin GaAs memiliki parameter pd panj gel 1300 nm :

ID = 4 nA, η = 0,65, RL = 1000 Ohm dan IL diabaikan.

Daya optis datang 300 nW, lebar pita penerima 20 MHz, T =300o

K.

Hitunglah :

(a) Arus foto primer

(b) Noise2 di penerima.

(c) S/N jika m = 0,8

APD dgn parameter tsb, utk x = 0,5

Hitunglah :

(a) Mopt

(b) Arus (foto primer) multiplikasi

(c) Noise2 di penerima

(d) S/Nmaks

11

Waktu Respon Detektor

Depletion layer photocurrent

Skema tegangan mundur dioda foto pin

12

Kondisi steady state rapat arus total mengalir

melalui lapisan deplesi tegangan mundur :

diffdrtot JJJ

Jdr : rapat arus drift dihasilkan oleh carrier yg dibangkitkan

dlm daerah deplesi

Jdiff : rapat arus difusi timbul dr carrier yg dihasilkan diluar

daerah deplesi dlm semikonduktor (daerah n dan p) dan

berdifusi kedalam junction teg mundur.

Rapat arus drift : wp

drseq

A

IJ

10

Ahf

RP f

10

0

A : luas dioda foto

Φ0 : photon flux datang per satuan luas

13

Permukaan lapisan p dioda foto pin umumnya tipis.

Arus difusi akan ditentukan oleh difusi hole dr bulk daerah n.

Difusi hole dapat dihitung dr :

x

s

p

nnnp

sexG

xGpp

x

pD

0

0

2

2

0

Dp : koefisien difusi

Pn : konsentrasi hole di bahan tipe-n

tp : excess hole life time

Pn0 : rapat hole kondisi seimbang/equilibrium

G(x) : laju pembangkitan elektron-hole

14

Shg rapat arus difusi :

p

p

n

w

ps

ps

diffL

Dqpe

L

LqJ s

001

Rapat arus total mengalir melalui lapisan

deplesi tegangan mundur :

p

p

n

ps

w

totL

Dqp

L

eqJ

s

001

1

Pn0 umumnya kecil shg arus foto yg dibangkitkan total

sebanding dgn photon flux Φ0

15

Waktu Respon

• Faktor waktu respon dioda foto :– Waktu transit carrier foto di daerah deplesi

– Waktu difusi carrier fotoyg dibangkitkan diluar daerah deplesi

– Konstanta waktu RC dioda foto dan sirkit yg berkaitan

• Parameter yg berpengaruh thd faktor tsb :– Koefisien absorbsi αs

– Lebar daerah deplesi w

– Kapasitansi junction dan dioda foto

– Kapasitansi penguat

– Tahanan beban detektor

– Tahanan masukan penguat

– Tahanan seri penguat

16

Respon dioda foto thd pulsa masukan optis

17

Waktu respon suatu dioda foto yg tidak dideplesi penuh

18

Respon pulsa dioda foto dr berbagai parameter detektor

19

Variasi faktor noise electron excess sbg fungsi dr penguatan

elektron utk berbagai harga perbandingan laju ionisasi efektif keff

20

Pengaruh Suhu pd Penguatan APD

Mekanisme penguatan APD sangat sensitif thd suhu krn

ketergantungan laju ionisasi elektron dan hole.

Ketergantungan tsb sangat kritis pd teg bias tinggi.

00

00

1

1

/1

1

TTbTnTn

TTaTVTV

RIVV

VVM

BB

MMa

n

B

21

VB : Teg breakdown saat M menjadi tak hingga

n : tgt material, nilai 2,5 – 7

Va : teg bias mundur detektor

IM : arus foto multiplied

RM : tahanan seri foto dioda dan beban detektor

a, b : konstanta, positip utk RAPD dan ditentukan dr grafik

percobaan penguatan thd suhu.

22

Pengaruh suhu terhadap penguatan APD silikon pd 825 nm

SISTEM TRANSMISI DIGITAL

Ref : Keiser

24

• Persyaratan utama sistem link :– Jarak transmisi yg diinginkan

– Laju data atau lebar pita kanal

– BER

Link Optik Dijital point to point

Link point to point simpleks

DETEKTOR

OPTIK

SUMBER

OPTIK

SINYAL

OPTIK

USER USER

Link Power Budget

Panjang

gelombang

Operasi

Jarak tidak terlalu jauh,

gunakan 800 - 900 nm

Jarak jauh, gunakan

panjang gelombang

1300 atau 1550 nm

Pilih

komponen

Tx & Rx

yang sesuai

Pilih komponen Tx seperti

sumber optik dan rangkaian

drivernya serta pilih Rx

dengan amplifier dan

equalizernya

Menghitung Kinerja

BER, Biaya, BW-

distance product

Tentukan kinerja

photodetector dan serat optik

kemudian cari sumber optik

yang sesuai

terpenuhi

kinerja ?

Selesai

Y

T

Diagram Alir Desain Link Point To Point

26

Pemilihan Perangkat Link Optik

Dijital point to point

Avalanched Photo

Diode (APD)

Responsivitas

Panjang gelombang operasi

Kecepatan respon

Sensitivitas

pin

Detektor optik3

LASER

Panjang gelombang emisi

Lebar spektral keluaran

Daya keluaran

Daerah radiasi efektif

Pola emisi

Jumlah mode emisi

LED

Sumber optik2

Multi Mode (MM)

Ukuran core

Profil indeks bias core

Bandwidth atau Dispersi

Redaman

NA atau Mode-field Diameter

Single Mode

(SM)Serat Optik1

KarakteristikJenisKomponenNo

27

Link Power Budget

Loss daya optis pd point-to point link

αf : konstanta redaman fiber

αc: loss konektor

αsp : loss splice

αsp αsp αspαcαcαc

28

Link power budget :

PR = PS – A T

A T = 2 αc + n αsp + αf L + MS

PS : daya optis dipancarkan dr sumber ujung fiber [dBm]

PR : daya diterima detektor [dBm]

AT : redaman total [dB]

α c : loss konektor [dB/bh]

α sp : loss splice [dB/bh]

αf : konstanta redaman fiber [dB/Km]

L : panjang link [Km]

MS : margin sistem [dB]

Daya diterima detektor :

Anggaran daya terpenuhi jika :

daya diterima didetektor >= sensitifitas penerima

29

Sensitifitas penerima sbg fungsi laju bit.

30

Link loss budget utk sistem 800 nm LED/pin pd 20 Mb/s

31

Rise Time Budget

Utk menentukan pembatasan dispersi link fiber optik.

Rise time sistem keseluruhan :

N

i

isys tt1

2

ti : rise time kontributor.

ttx : rise time sumber optik/pemancar

tmat : rise time dispersi material fiber

tmod : rise time dispersi modus fiber

twg : rise time dispersi pandu gelombang

trx : rise time detektor optik/penerima

Rise time dispersi = pelebaran pulsa krn dispersi σ

Rise time fall time

Input

Respon divaisTerhadap input

0 V

+5 V

Off

ON

Divais tidakBisa langsung ON, tapi butuh waktu

Rise Time

tTX adalah rise-time transmitter, yaitu bergantung dari sumber cahaya dan

rangkaian drive-nya. tRX adalah rise-time receiver dihasilkan oleh respon fotodetector dan

bandwidth 3 dB penerima.

ndetik 350

RX

RXB

t ; BRX adalah bandwidth listrik 3 dB penerima (MHz).

tmat adalah dispersi material. Untuk sumber laser, dispersi ini dapat

diabaikan.

2222

LDt matmat ; Dmat adalah faktor dispersi material serat

(ns/nm.km), adalah lebar spektral sumber optik (nm) dan L adalah panjang serat (km).

tmod adalah rise-time dispersi modal.

Gambar 1 Link Point To Point Dan Parameter Rise Time

0

mod

440

B

Lt

q

; B0 adalah Bandwidth pada panjang kabel optik 1 km, q

adalah parameter panjang serat yang bernilai antara 0,5 sampai 1.

Transmitter Receiver

tTX

tmat

tmod

tRX

34

Umumnya degradasi transition time link digital :

- NRZ ≤ 70 % perioda bit

- RZ ≤ 35 % perioda bit

Anggaran rise time dipenuhi jika :

Rise time sistem < degradasi transition time

35

Respon front end penerima dpt dimodelkan sbg LPF orde

pertama :

tuetgtBrx2

1)(

Brx : lebar pita elektrik 3 dB dr penerima

u(t) : fungsi tangga berharga 1 utk t ≥ 0 dan 0 utk t < 0

Rise time penerima (10 % - 90 %)g(t) :

rx

rxB

t350

trx : dlm ns

Brx : dlm MHz

36

Pd fiber MM rise time tergantung pd dispersi

antar modus dan material (krn dispersi pandu

gel << dispersi material).

Dampak dispersi material diabaikan pd sumber

laser baik pd panj gel panjang maupun panj

gel pendek, sedangkan pd LED hanya pd panj

gel panjang.

37

Laser/APD limit

Attenuation limit with

LED/pin

Batas jarak transmisi sbg fungsi laju data 800 MHz-Km fiber, sumber

LED dng Si pin dan 800 nm dioda laser dgn Si APD

38

Batas jarak transmisi sbg fungsi laju data utk dioda laser DFB 1550-nm, APD

InGaAs, fiber SI dgn D = 2,5 ps/(nm-Km) dan redaman 0,3 dB/Km

39

Pengkodean saluran

Format sinyal optis transmisi penting utk dipertimbangkan krn

kepraktisan, sirkit decision hrs dpt memisahkan secara

tepat informasi timing.

Maksud timing :

(a) Memungkinkan sinyal disampling pd S/N maks

(b) Menjaga spasi pulsa

(c) Menunjukan interval start dan stop/end

Pengkodean sinyal adalah sejumlah aturan utk mengurutkan

simbol sinyal dgn pola tertentu.

Jenis dasar kode saluran biner dua-level pd trans optik :

(a) NRZ

(b) RZ

(c) Phase Encoded (PE)

40

Kode NRZ

- Mudah dibangkitkan/dikodekan

- Mudah di-dekodekan

- Tdk memiliki error monitoring atau kemampuan koreksi

- Ttdk memiliki self-clocking (timing)

- Lebar pita minimal

- Daya rata masukan penerima tergantung pd pola data

base line wander

- String 1 atau 0 panjang tidak terdapat informasi timing krn

tidak ada transisi level.

41

Contoh pola data NRZ-Level

42

Baseline wander di penerima mrpk hasil transmisi string

panjang NRZ bit 1.

43

Kode RZ

- Tiap data bit dikodekan dgn dua bit kode saluran

- Unipolar string 0 panjang akan kehilangan sinkronisasi timing

- Biphase timing dpt diatasi

- Manchester mudah mengkodekan dan dekodekan

44

Contoh data format RZ.

45

Kode Blok

-Kode blok mBnB (n > m) : tiap m bit biner dikodekan dgn n bit biner.

- Peningkatan lebar pita sebesar n/m

- Timing cukup

- Terdpt informasi error minitoring

- Tidak ada string 1 atau 0 panjang tak terjadi base line wander

46

Perbandingan beberapa kode mBnB

W : pesentase n-bit word yg tidak digunakan

Nmax : jumlah simbol identik berurutan terpanjang

D : batas disparitas terakumulasi

sederhana

Reduksi BW

47

ContohRancangan siskom optik laju data 60 Mb/s sbb :

Jarak 60 Km

Fiber SM konstanta redaman 0,2 dB/Km, pelebaran pulsa

dispersi material 2 ps/Km, panjang kabel 2 Km/haspel.

Dispersi pandu gel diabaikan.

Redaman splice 0,2 dB/bh

Redaman konektor 0,5 dB/bh

Sumber : λ = 1,3 μm, daya 1 mW, rise time 5 ns, σλ = 3 nm

Detektor : sensitifitas – 40 dBm (BER 10-9), rise time 2 ns

Margin sistem = 6 dB

Selidiki apakah sistem tsb memenuhi anggaran daya ?

Selidiki apakah sistem tsb memenuhi anggaran rise time

transmisi NRZ dan RZ ?

Kesimpulan ?

48

LATIHAN

Suatu siskom optik memiliki spesifikasi :

λ = 1,3 μm trx = 0,25 ns

B = 1 Gb/s Dmat = 2 ps/(Km-nm)

Fiber SM panjang kabel 2 Km/haspel

αf = 0,4 dB/Km αsp = 0,1 dB/bh

σλ = 3 nm αc = 1 dB/bh

ttx = 0,2 ns Ms = 6 dB

Ps = 1 mW Prmin = - 42 dBm (BER 10-9)

L = 60 Km twg diabaikan

Selidiki apakah sistem tsb dpt digunakan utk transmisi dgn

line coding RZ dan NRZ ?

Agar bisa digunakan untuk RZ berapa L maks (B = 1 Gb/s) ?

Agar bisa digunakan untuk RZ berapa B maks (L = 60 Km) ?

49

OPTICAL RECEIVER

Ref : Keiser

50

Transmisi Sinyal Digital

Lintasan sinyal melalui link data optis

51

Sumber Error

Sumber noise dan gangguan pd mekanisme deteksi pulsa optis

52

Jumlah pasangan elektron-hole rata2 yg dibangkitkan dlm

waktu :

hf

EdttP

hfN

0

η : efisiensi kuantum detektor

hf : energi photon

E : energi yg diterima dlm interval waktu

!n

eNnP

Nn

r

Jumlah pasangan elektron-hole nyata yg dibangkitkan n berfluktuasi dr rata2 menurut distribusi Poisson.

Probabilitas diemisikan n elektron pd interval

53

Selain kuantum noise dan excess noise yg dapat mengakibatkan error, sumber error lain adalah

ISI (Inter Symbol Interference) yg diakibatkan oleh pelebaran pulsa di fiber optik.

Pelebaran pulsa yg mengakibatkan ISI

: bagian energi pd timeslot yg cocok.

1- : bagian energi yg melebar ke timeslot sebelahnya

54

Konfigurasi Penerima

Diagram suatu penerima optik

55

Perhitungan Unjuk Kerja Penerima Digital

Probabilitas error.

Bt

N

N

NBER e

t

e

Ne : jumlah error terjadi pd interval waktu t

Nt : jumlah pulsa yg ditrasmisikan selama waktu t

B = 1/Tb laju bit (yi laju transmisi pulsa)

56

Utk menghitung BER di penerima, harus diketahui distribusi

probabilitas sinyal di keluaran ekualiser.

Probablitas teg keluaran ekualiser < v jika dikirim pulsa 1 :

dyypvP

v

11

Probablitas teg keluaran ekualiser > v jika dikirim pulsa 0 :

dyypvPv

00

p(y│1) dan p(y│0) adalah fungsi distribusi probabilitas kondisional,

yi p(y│x) adalah probabilitas keluaran = y jika dikirimkan x.

57

Probabilitas distribusi sinyal level 0 dan 1

Q factor adalah signal-to-noise ratio (SNR) pada decision circuit dalam bentuk

tegangan atau arus, yang dapat dinyatakan dengan persamaan berikut.

Q=μ1−μ0σ1+σ0

dimana, 𝜇0 dan 𝜇1 adalah nilai rata-rata dari tegangan atau arus yang terbaca pada

decision circuit, 𝜎0 dan 𝜎1 adalah standar deviasi dari masing-masing 𝜇 [6][10].

Untuk mengilustrasikan nilai-nilai tersebut, dapat dilihat pada Gambar 2.7 berikut.

59

Standar deviasi adalah nilai tengah yang menjadi ukuran kecenderungan simpangan data

dari nilai rata-rata sekelompok data yang mengacu pada jumlah datanya. Q factor juga

dapat diekspresikan dengan persamaan hubungan dengan SNR.

Persamaan hubungan antara SNR dengan Q factor dapat diekspresikan sebagai berikut.

Q factor bisa didapat dengan persamaan berikut.𝑄 =

10𝑆𝑁𝑅20

2.

SNR = 20 log 2𝑄

61

ththe vbPvaPP 01

dnednnf n 22 2/

22

1

Jika tegangan threshold vth, maka probabilitas error :

a, b : faktor beban ditentukan oleh distribusi a priori dr data.

a : probabilitas terjadinya 1, dan b : probabilitas terjadinya 0

Masalah : memilih harga decision threshold dimana Pe minimal

Andaikan noise terdidtribusi Gaussian dgn rata2 nol.

Probabilitas sample terukur n(t1) pd daerah n s/d n+dn :

σ2 : variansi noise

f(n) : fungsi densitas probabilitas

62

Andaikan amplitudo pulsa V dan teg threshold vth = V/2, maka

probabilitas error jika dikirim 0 :

2/

2/

20

2/

0

2/

0

22

2

1

0

v

v

th

vv

th

dvevP

dyyfdyypvP

Serupa dgn itu jika dikirim 1, fungsi densitas probabilitas :

22 2/

21

2

1

nevf

63

2/

2/

21

2/

1

2/

1

22

2

1

1

V

Vv

th

VV

th

dvevP

dvvfdyypvP

Probabilitas error jika dikirim 1 :

Shg utk a = b = 0,5, maka probabilitas error :

x

y

e

dyeerfx

VerfP

0

2

221

2

1

Dimana :

64

Jadi BER merupakan rasio perbandingan bit error dengaan bit yang

dikirimkan keseluruhan. Sedangkan, BER test adalah pengujian yang bertujuan

menguji seberapa banyak kesalahan pembacaan yang diterima setiap detiknya.

Persamaan (2.4) memiliki hubungan matematis dengan BER bila nilai threshold

diatur ke nilai optimumnya yang dapat diekspresikan dengan persamaan berikut

[6][10].

BER =1

2erfc

Q

2≅

1

Q 2πe−

Q2

2 .

66

V

N

S

dB

log20

Pe hanya tergantung pd parameter V/σ.

V : amplitudo sinyal

σ : deviasi standard noise (rms noise)

V/σ : perbandingan peak signal dng rms noise

67

BER sbg fungsi S/N

68

Contoh

Dr grafik untuk S/N = V/σ = 8,5 kali

S/N = 20 log 8,5 = 18,6 dB

V/2σ = 4,25 Pe = 10-5, atau Setiap dikirim 105 buah bit, maka 1

buah bit diinterpretasikan salah.

Jika sinyal diperkuat shg S/N = 12,0 kali = 21,6 dB)

V/2σ = 6 Pe = 10-9

69

Quantum Limit

1

0N

r

eP

hf

EN

Pulsa optis berenergi E mengenai detektor foto dlm interval waktu , akan

diienterpretasikan oleh penerima sbg pulsa 0 jika tak ada pasangan elekron hole yg

dibangkitkan.

!n

eNnP

Nn

r

Maka, probabilitas diemisikan n = 0 elektron pd interval

Andaikan detektor foto ideal yi memiliki efisiensi kuantum 1 dan tidak ada durk current memungkinkan mendapatkan daya optis terima minimal (quantum limit) pd BER tertentu.

Dari

dimana

Shg utk Pr(0) tertentu, terdapat energi minimal yg dibutuhkan pd panjang gel tertentu.

:N Jml pasangan elektron-hole dibangkitkan

E : energi yg diterima pd interval

70

Contoh

Fiber optik link bekerja pd panj gel 850 nm memerlukan BER maksimum 10-9 , efisiensi kuantum detektor 1

Hitunglah :

- Rata2 pasangan hole-elektron perlu dibangkitkan

- Daya dibutuhkan jika laju data 10 Mb/s (untuk laju 0 dan 1 sama 1/ = B/2).

N