sumber optik led sumber optik laser kopling daya … · semikonduktor yang terpisah oleh band gap...
TRANSCRIPT
Sumber Optik LEDSumber Optik LASERKopling DayaFoto detector PIN dan APD
Sumber OptikLED dan LASER
Overview
• Sumber cahaya yang digunakan untuk komunikasi fiber optik adalah struktur heterojunction semikonduktor (Laser Diodes dan LEDs)
• Heterojunction tersusun dari gabungan antara dua material semikonduktor yang terpisah oleh band gap energy
• Laser dan LED cocok untuk sistem transmisi fiber karena– Memiliki output power yang dapat digunakan untuk berbagai
aplikasi– Output powernya dapat dimodulasi oleh arus masuk yang
bervariasi secara langsung– Memiliki efisiensi yang tinggi– Karakteristik dari dimensinya yang sesuai dengan fiber optik
Perbedaan LED & Laser• LED:
– Keluaran cahaya optik nya incoherent sehingga spektral daya optik yang dipancarkan lebar (broad spectral width/ not directional)
– Digunakan untuk komunikasi multimode fiber– Digunakan untuk komunikasi jarak pendek (local area application)
• Laser:– Keluaran cahaya optik coherent artinya energi optik yang dikeluarkan memiliki
fasa dan periode yang sama sehingga cahaya optiknya bersifat sangat monokromatik dan daya optik yang dipancarkan sangat terarah (ouput beam is very directional)
– Digunakan untuk komunikasi singlemode atau multimode fiber– Digunakan untuk komunikasi jarak jauh (long haul application)
“LED”
“LASER”
Semikonduktor
• Material semikonduktormemiliki sifat konduksiterletak diantara logamdan isolator
• Contoh materialsemikonduktor adalahsilikon (Si) terletak digrup IV (memiliki 4elektron terluar) yangbisa berikatan kovalendengan atom lainnyasehingga membentukkristal
• Sifat konduksi dapat diinterpretasikan dengan bantuan diagram pita energi• Untuk kristal murni pada suhu rendah, di pita konduksi tidak ada elektron sama sekali dan di pita valensi sangat
penuh elektron• Kedua pita tersebut dipisahkan oleh celah energi (energy gap/band gap) yang tidak terdapat level energi
didalamnya• Jika suhu dinaikan, beberapa elektron berpindah/melintasi celah energi dari pita valensi menuju ke pita konduksi• Perpindahan itu menyebabkan bertambahnya konsentrasi (n) elektron pada pita konduksi dan meninggalkan
konsentrasi (p) hole yang nilainya sama pada pita valensi
(a) Diagram pita energi yang menunjukan perpindahan elektron dari pita valensi (valence band) ke pita konduksi (conduction band)
(b) Konsentrasi elektron dan hole yang sama padasemikonduktor intrinsic
contoh: untukmaterial Si energi yang diperlukan agar elektron berpindahharus lebih besar dari1.1 eV yang disebutsebagai band-gap energy
• Konsentrasi elektron dan hole dikenal sebagai konsentrasipembawa intrinsik (intrinsic carrier concentration):
Dimana:
K : konstanta karakteristik materialT : suhu mutlakkB : konstanta Boltzman = 1.38 x 10-23 J/oKm : massa diam elektron = 9.11 x 10-31 Kgh : Konstanta Planck = 6.626 x 10-34 JSme : massa efektif elektronmh : massa efektif holeEg : energi gap (band gap energy)ni : konsentrasi pembawa intrinsik
• Sifat konduksi dapat ditingkatkan dengan doping yaitu penambahan campuran bahan dari golongan atom VA(ex: P, As, Sb) yang memiliki 5 elektron di kulit atom terluarnya
• Jika atom bahan tersebut menggantikan sebuah atom Si, 4 elektron digunakan untuk ikatan kovalen danelektron ke-5 adalah elektron bebas yang digunakan untuk konduksi
• Campuran bahan tersebut disebut sebagai donor karena dapat memberikan sebuah elektron pada pita konduksi
• Pada bahan tersebut arus (konduksi) ditimbulkan oleh aliran elektron (negatip) bahan n-type
• Sifat konduksi juga dapat ditingkatkan dengan penambahan bahan dari golongan atom IIIA (ex: Al, Ga, In) yangmemiliki 3 elektron di kulit atom terluarnya
• 3 elektron membentuk ikatan kovalen, sehingga tersisa sebuah hole konsentrasi hole meningkat di pita valensi
• Campuran bahan tersebut disebut sebagai akseptor karena konduksi muncul akibat dari aliran hole (positip)bahan p type
(a) Level donor pada bahan tipe n(b) Ionisasi dari campuran donor menghasilkan peningkatan distribusi
konsentrasi elektron
(a) Level akseptor pada bahan tipe-p(b) ionisasi dari campuran akseptor meningkatkan distribusi konsentrasi hole
Bahan intrinsik dan ekstrinsik
• Bahan semikonduktor yang tidak ada campurannya disebut bahan intrinsik
• Vibrasi thermal dari atom kristal beberapa elektron yang berada dalam pita valensi memiliki energi yang cukup untuk keluar menuju ke pita konduksi
• Proses pembangkitan thermal menghasilkan/ membangkitkan pasangan elektron-hole karena setiap elektron berpindah ke pita konduksi selalu meninggalkan hole
• Proses rekombinasi elektron bebas melepaskan energi (photon-cahaya) dan turundari pita konduksi menuju ke hole yang berada di pita valensi
• Kondisi seimbang : Laju pembangkitan = Laju rekombinasi
• Bahan intrinsik : pn = p0n0 = ni2
– p0 : konsentrasi hole seimbang– n0 : konsentrasi elektron seimbang– ni : kepadatan/ konsentrasi pembawa bahan intrinsik
• Pemberian sedikit campuran kimia pada kristal murni menghasilkan semikonduktor ekstrinsik
• Konduktifitas elektris sebanding dengan konsentrasi pembawa ada 2 jenis bahan pembawamuatan:
– Pembawa mayoritas (majority carrier) : elektron pada bahan tipe-n atau hole pada bahan tipe-p
– Pembawa minoritas (minority carrier) : hole pada bahan tipe-n atau elektron pada bahan tipe-p
• Antara majority carrier dan minority carrier adalah selalu berkebalikan dilihat dari komponen yang berperan (elektron atau hole)
• Operasi perangkat semikonduktor (LED dan Laser) secara umum didasarkan pada proses injeksi danekstraksi dari pembawa minoritas
pn Junction
“Difusi (penyebaran) elektron melintasi pn junction menghasilkan potensial barrier (medan
elektrik) di daerah deplesi”
Bahan tipe n atau tipe p masing-masing berperan seperti sifat
konduktor sehingga untuk membuat bahan bersifat semikonduktor
maka yang dilakukan adalah menggabungkan kedua bahan tersebut
menjadi satu struktur kristal tersambung dan disebut sebagai pn
junction yang berperan dalam penggunaan karakteristik elektris dari
perangkat semikonduktor nantinya (LED dan Laser). Ketika
pembuatan pn junction, pada awalnya majority carrier menyebar dan
menyeberangi daerah sambungan antara tipe p dan tipe n (terlihat di
gambar ). Hal ini menyebabkan elektron mengisi / berikatan dengan
hole disisi p dan juga hole muncul di sisi n sehingga menghasilkan
medan elektrik (barrier potential ) di tengah-tengah pn junction
yang disebut sebagai depletion region. Kemudian, pada daerah
sambungan (depletion region) sudah tidak terdapat lagi pergerakan
carrier (majority carrier) karena elektron dan hole sudah terkunci
dalam satu struktur ikatan kovalen.
“Bias mundur (reverse bias) melebarkan daerahdeplesi, tetapi memungkinkan pembawa minoritas
(minority carrier) bergerak bebas”
Ketika eksternal baterai dicatu kedalam pn
junction dengan kutub positif dihubungkan
dengan material tipe n dan kutub negatif
dihubungkan dengan material tipe p (seperti pada
gambar) hubungan ini disebut sebagai reverse
bias. Akibat dari reverse bias ini adalah daerah
deplesi semakin melebar baik di sisi (p) maupun
(n) sehingga secara efektif mampu
meningkatakan barrier potential dan mencegah
majority carrier untuk melintasi daerah
sambungan (pn junction), tetapi minority carrier
tetap bisa bergerak (melintasi) daerah
sambungan.
“Bias maju (forward bias) mengecilkan potensial barrier memungkinkan pembawa mayoritas (majority carrier)
berdifusi melintasi junction”
Ketika pn junction dicatu dengan teknik forward bias
(terlihat seperti di gambar/kebalikan dari reverse
bias) magnitudo (nilai/besaran) dari barrier potential
menurun. Elektron di pita konduksi pada sisi (n) dan
hole di pita valensi di sisi (p) (majority carrier)
menyebar dan menyeberangi daerah sambungan.
Dalam satu kali penyeberangan secara signifikan
mampu meningkatkan konsentrasi minority carrier
dan kemudian minority carrier ini akan mengalami
proses rekombinasi dengan energi yang berasal dari
majority carrier. Rekombinasi dari minority carrier ini
adalah mekanisme yang digunakan dalam proses
pembangkitan radiasi optik
Direct dan Indirect band gap
“Rekombinasi elektron dan emisi photon yang berkaitan padasuatu bahan direct-band-gap (elektron dan hole memiliki nilai
momentum sama)”
Semikonduktor dapat diklasifikasikanmenjadi dua jenis material yaitu direct-band-gap atau indirect-band-gap yangditentukan oleh nilai band gap sebagaifungsi dari momentum (k). Disebutsebagai direct band gap material karenaproses rekombinasi (turunnya elektron dari pita
konduksi ke valensi dan memancarkan energi photon)bisa berjalan secara langsung akibatelektron dan hole memiliki momentumyang sama
Rekombinasi elektron pada suatu bahan indirect-band-gap(elektron dan hole memiliki nilai momentum berbeda)
membutuhkan energi Eph dan momentum kph
Disebut indirect band gap material karenaenergi di pita konduksi minimum sedangkan di pita valensi maksimum dankeduanya memiliki nilai momentum yang berbeda sehingga untuk terjadinya proses rekombinasi tidak bisa berjalan secaralangsung, harus melibatkan partikel ketigayangberfungsi untuk memperbaiki nilaimomentumnya tersebut agar rekombinasibisa berlangsung. Partikel yang berperantersebut adalah phonon
Fabrikasi Semikonduktor
Pada fabrikasi peralatan/bahan semikonduktor
(kristal), struktur kristalnya bisa terdiri dari lebih dari
satu jenis material sehingga proses penyusunan-nya
harus melalui perhitungan yang sangat hati-hati.
Struktur kristal bisa terdiri dari single atom (ex: Si, Ge)
atau group atom (ex: InP, GaP GaAs) yang polanya
harus tersusun dengan jarak yang presisi. Pola
penyusunan atom yang berulang sehingga bisa
membentuk kristal itu disebut sebagai lattice dan jarak
(spasi) antar atom atau group atom disebut sebagai
lattice spacing/lattice constant. Spasi antar atom/
group atom itu berjarak sekitar kurang dari 10 Ao
(angstroms ), note (1 Ao = 10-10 m)
Grafik yang menunjukan hubungan antara bandgap energy danwavelength dengan lattice constant pada suhu 300 K. Garis putus-
putus vertikal menunjukan nilai lattice contant yang sama(matched) antara GaAs dengan (AlxGa1-x)0.5In0.5P
Light –emitting diodes
LEDS
Pembangkitan Cahaya
• Forward-bias pn junction
– Doping lebih banyak daripada dioda elektronik
– Tambahan fitur untuk menahan pembawa muatan dan medan cahaya
• Pembangkitan cahaya
– Rekombinasi radiatip elektron dan hole
– Rekombinasi radiatip dan nonradiatip
• Efisiensi meningkat dgn membanjiri wilayah pembangkitan cahaya dgn ...– Pembawa muatan kerapatan tinggi dan...
– Cahaya berdaya tinggi
• Forward-biased pn junction– Hole diinjeksikan ke material n– Elektron diinjeksikan ke material p
• Carrier rekombinasi dengan mayoritas– carrier dekat junction
• Energi dilepas ≈ material bandgap• Energi Eg
– Jika radiatip, f ≈ Eg /h
• Transisi Radiatip• Emisi Spontan:
• Tidak koheren• Polarisasi Random• Arah Random• Menambah noise pada sinyal
– Emisi terstimulasi :• Koheren (sama phasa, polarisasi, frekuensi dan arah)
• Silikon dan germanium radiator tidak efisien• Digunakan campuran semikonduktor
Konfigurasi
• Dua konfigurasi dasar :1. Emisi permukaan/depan atau Burrus
2. Emisi ujung
Emisi permukaan :• Bidang daerah aktif pengemisi cahaya
diorientasikan tegak lurus sumbu fiber.• Suatu sumur di-etsa/etched pd bahan
substrat device, dimana fiber ditanam utk menerima cahaya.
• Daerah lingkaran aktif berdiameter 50 μm dan tebal s/d 2,5 μm.
• Pola emisi isotropik secara esensial(lambertian) dng pola daya cos θ shgHPBW 120o.
Emisi Ujung :• Terdiri dari daerah junction aktif merupakan
sumber inkoheren dan dua lapisan pemandu• Lapisan pemandu memiliki indeks bias lebih
rendah dari daerah aktif tetapi lebih besar daribahan sekitarnya
• Struktur tersebut membentuk pandu gelombangyang mengarahkan radiasi optik ke inti fiber
• Pita penyambung lebar 50 s/d 70 μm agar sesuaidengan ukuran fiber 50 s/d 100 μm
• Pola emisi lebih terarah dibanding emisipermukaan
• Pada bidang sejajar dengan junction pola emisilambertian, pada arah tegak lurus junction memiliki HPBW 25 s/d 35o cocok denganketebalan pandu gelombang
Panjang Gelombang dan Material
• Ada hubungan antara panjang gelombang (wavelength) dengan bandgap energy dari suatu material
• Panjang gelombang dan bandgap energy juga merupakan fungsi dari suhu, akan bertambah 0.6 nm setiap perubahan suhu 1oC ~ 0.6 nm/C
λ = h.c/Eg
λ (μm) =1,24/Eg (eV)
• Tipe panjang gelombang berdasarkan material– GaP --> LED
• 665 nm
• Jarak pendek, sistem murah
– Ga1-x AlxAs --> LED dan laser• 800 → 930 nm
• Sistem fiber awal
– Ga1-xInxAsyP1-y --> LEDs and lasers• 1300 nm (akhir ’80an, awal ’90an, FDDI data links)
• 1550 nm (pertengahan ’90an - sekarang)
Energi bandgap dan panjang gelombang keluaran sebagaifungsi dari bagian molekul Al untuk bahan
AlxGa1-xAs pada suhu ruang
Spektrum daya keluaran (pola emisi) LED AlxGa1-xAs
dengan x = 0,008
Material Sumber• Hambatan panjang gelombang dan lattice
spacing– Lattice spacing:
• Lapisan atomic spacing • Harus sama saat
lapisan dibuat (toleransi of 0.1%)• Garis horisontal hanya pada diagram
– Paling banyak perangkatpanjang gelombang yang panjangdibuat dengan substrat InP
• Garis horisontal ditarikke kiri dari titik InP
– Panjang gelombang yang pendek
• Ga1-xAlxAs garis horisontal
• Hubungan fundamental quantum-mechanical:
atau
Untuk campuran tiga bahan AlGaAs, besarnya Eg (eV):
Eg = 1,424 + 1,266 x +0,266 x2
Untuk campuran empat bahan In1-xGaxAsyP1-y, besarnya Eg (eV):
Eg= 1,35 -0,72 y + 0,12 y2
dengan y ≈ 2,2 x
Contoh• Bahan Sumber AlxGa1-xAs dengan x = 0,07
Berapa Eg dan λ ?
• Bahan Sumber In1-xGaxAsyP1-y, dengan x = 0,26 Berapa Eg dan λ ?
Efisiensi Kuantum Internal
• Ekses elektron di bahan p-type dan hole di bahan n-type (minority carrier) terjadi di sumber cahayasemikonduktor (LED) karena injeksi pembawa di permukaan kontak perangkat tersebut (LED)
• Kepadatan ekses elektron Δn sama dengan ekses hole Δp, karena pembawa diinjeksikan terbentuk(dimasukan kedalam LED) dan berekombinasi dalam pasangan elektron hole untuk keperluannetralitas muatan kristal
• Jika injeksi pembawa (carrier) berhenti kepadatan pembawa kembali ke nilai keseimbangan
• Kepadatan ekses pembawa (minority carrier):
Δno : kepadatan ekses elektron yang diinjeksikan diawal
τ : carrier lifetime bergantung kepada komposisi material
t : waktu/ lamanya injeksi
t
eonn
• Ekses pembawa dapat berekombinasi secara radiatif maupun non radiatif
• Pada rekombinasi radiatif akan menghasilkan emisi photon
• Jika elektron-hole berekombinasi nonradiatifmelepaskan energi dalambentuk panas (vibrasi lattice)
• Efisensi kuantum internal yang terjadi di active region (depletion region) adalah bagian pasangan elektron-hole yang berekombinasi secara radiatif
• Efisiensi kuantum internal (ηint):
– Rr : laju rekombinasi radiatif per satuan volume (jumlah photon yang dihasilkan secararadiatif setiap detiknya/ jumlah photon per detik)
– Rnr : laju rekombinasi nonradiatif
nrRrR
rR
int
Untuk penurunan eksponensial ekses pembawa, lifetime rekombinasi radiatif :
Lifetime rekombinasi non radiatif :
Efisiensi kuantum internal :
Lifetime rekombinasi bulk :
• Jika besar arus yang diinjeksikan ke LED adalah sebesar I, maka jumlah rekombinasi yang terjadi setiap sekon nya adalah:
• Dengan melakukan substitusi dari persamaan sebelumnya, sehingga didapatkan:
• Rr adalah jumlah photon yang dihasilkan setiap sekon nya dimana setiap photon memiliki energi sebesar hv, sehingga daya optik internal (Pint) yang dihasilkan didalam LED adalah sebesar:
q
InrRrR dimana, q adalah muatan photon (1.602 x 10-19 C)
q
IrR int
q
hcIP intint
h : konstanta planck (6.6256 x 10-34 J.s)c : kecepatan cahaya (3 x 108 m/s)λ : panjang gelombang (m)I : besarnya arus yang diinjeksikan ke LED (A)
Contoh
• Sumber optik LED yang terbuat dari bahan semikonduktor InGaAs mampu menghasilkan emisicahaya dengan panjang gelombang puncak 1310 nm yang memiliki waktu rekombinasi radiatif dannonradiatif sebesar 30 dan 100 ns. Arus pacu (drive current) yang digunakan adalah 40 mA. Berapakah lifetime rekombinasi bulk (τ), efisiensi kuantum internal (ηint), daya power internal (Pint)
Jawaban
)(. nsnrr
123100
1
30
111
77030
123.
.
int
r
mWmxCx
AsmxsJx
q
hcIP 229
61031119106021
0408103341062566770 .
).)(.(
).)(/)(..(.intint
Tanggapan transien• Asumsi dasar pendekatan tanggapan transien :
– Kapasitansi muatan ruang junction Cs bervariasi lebih lambat karena arus dibanding dengankapasitansi difusi Cddipandang konstan
– Harga Cs antara 350 s/d 1000 pF untuk arus menengah sampai besar
• Berdasar asumsi tersebut, rise time sampai titik setengah arus (juga titik setengah daya) LED:
• Rise time 10 s/d 90 %:
221 lnln/
sI
pI
pI
sCt
99010 ln
pI
sCt TBk
q
2
Ip : amplitudo fungsi tangga arus utk memacu LEDIs : arus saturasi diodaτ : lifetime pembawa minoritaskB : konstanta boltzman (1.38 x 10-23 J/K)T : absolut temperatur pada pn junctionq : muatan photon (1.602 x 10-19 C)
Light Amplification by Stimulated Emission of RadiationLASER Diodes
• Ukuran sumber laser dari sebesar butiran garam s/d sebesar ruangan
• Media lasing bisa berasal dari gas, cairan, padat atau semikonduktor
• Untuk sistem fiber optik secara eksklusif menggunakan sumber laser yang berasal dari bahansemikonduktor (dioda laser semikonduktor)
• Dioda laser semikonduktor ini memiliki karakteristik yang sama dengan sumber laser konvensional lainnya (seperti dari padatan ataupun gas) yang mana memiliki radiasi emisi (pancaran cahaya) yang coherent (fasa dan periode) sehingga menyebabkan pancaran optik (cahaya) nya sangat monochromatis dan sangat terarah
“Emisi Laser”
“Tiga proses utama pada Emisi Laser”
isotropic, randomphase, narrowband
gaussian
In phase withincident photon
Mode dioda laser dan Kondisi batas• Radiasi pada dioda laser terjadi dalam ruang resonator Fabry-Perot• Ukuran ruang panjang (longitudinal) 250 s/d 500 μm, lebar (lateral) 5 s/d
15 μm tebal (transverse) 0,1 s/d 0,2 μm
• Dioda laser jenis lain adalah Distributed FeedBack (DFB), tidak perlupermukaan terpisah untuk optical feedback, tetapi menggunakan Bragg reflector (grating) atau variasi indeks bias (distributed-feedback corrugation) pada struktur multilayer sepanjang dioda
• Reflektor dielektrik disisi belakang laser digunakan untuk mengurangi loss di ruangan, mengurangi kepadatan arus threshold dan meningkatkanefisiensi kuantum eksternal
“Ruang Resonator/ cavity side”
• Radiasi optis dalam ruang resonansi menentukanpola garis medan listrik dan magnet disebut modedari cavity (modes of the cavity)
• Mode longitudinal:– Berkaitan dng panjang ruangan L– Menentukan spektrum frekuensi radiasi optis yg
diemisikan– Jika L > λ maka > 1 modus longitudinal
• Mode lateral:– Terletak pada bidang pn junction– Tergantung dinding sisi samping dan lebar ruang
resonator (cavity)– Menentukan bentuk profil lateral berkas laser (laser
beam)
• Mode transverse: – Berkaitan dengan medan elektromagnet dan profil
berkas laser yang arah nya tegak lurus bidang pnjunction
• Moda tersebut menentukan karakteristik laser seperti pola radiasi dan kepadatan arus threshold
“Ruang resonator Fabry-Perot”
• Lasing: kondisi dimana memungkinkan terjadinya penguatan cahaya di dalam laser diode
• Syarat terjadi lasing: ada inversi populasi (population inversion) yang signifikan.
• Inversi populasi bisa terjadi kalau memiliki gain g>gth
gth : penguatan optis lasing (threshold)αt : loss total
: koefisien absorbsi efektif bahan pada lintasan optisR1, R2 : Reflektifitas ujung laser 1 dan 2L : panjang ruang resonansiΓ : faktor optical confinement (bagian daya optis di active layer)
“Hubungan antara daya keluaran optik dengan arus pacu dioda laser”
Arus threshold Ith: ekstrapolasi daerah lasing dari kurva daya terhadap arus
Efisiensi kuantum diferensial eksternal
• Efisiensi kuantum diferensial eksternal ηext adalah jumlah photon yg diemisikan setiap rekombinasi pasangan elektron-hole radiatif diatas threshold
ηi : efisiensi kuantum internal, hasil pengukuran padasuhu ruang bernilai antara 0,6 s/d 0,7
Dari percobaan:
Frekuensi resonansi• Kondisi steady state jika:
– Amplitudo: I (2L) = I (0)
– Phasa: e-j2βL = 1 2βL = 2πm
Jika: β = 2лn/λ
Maka:
Setiap frekuensi berkaitan dengan modus osilasi.Tergantung pada struktur laser akan terdapat beberapa frekuensi laser singlemode danmultimode
KeteranganL : panjang ruang resonansiβ : konstanta yang nilainya bergantung pada spesifikasi konstruksi dari Lasern : indeks biasf : frekuensiλ : panjang gelombangm : integerc : kecepatan cahaya (3 x 108 m/s)
• Relasi antara penguatan dan panjanggelombang dapat diasumsikan berbentukgaussian:
egg
o
22
2
0).()(
keterangan:λo : panjang gelombang di pusat spektrumσ : lebar spektral penguatang(0) : penguatan maksimum yang sebanding dengan inversi populasi
Jarak antara 2 frekuensi yang berdekatan :
Jarak antara 2 panjanggelombang yang berdekatan:
Ln
cf
2
Ln2
2
“spektrum dari multimode dioda laser denganmaterial GaAlAs atau GaAs”
Contoh
• Laser GaAs yang dioperasikan pada 850 nm memiliki resonator dengan panjang 500 μm dan indeks bias n = 3.7
a) Berapa jarak frekuensi (∆f) dan panjang gelombang (∆λ)terdekatnya ?
b) Jika pada titik setengah daya, λ – λo = 2 nm, berapa lebar spektral (σ) dari penguatan tersebut?
Jawaban
)(
.
GHzxxx
x
Ln
cf 81
736105002
8103
2
)(.
.
nmxxx
x
Ln20
736105002
2910850
2
2
)(.
.
.
)(.)(
).()(
)(
nm
e
e
gg
egg
x
o
o
71
50
50
050
0
22
29102
22
2
22
2
Struktur dioda laser dan pola radiasi
• Cara membatasi gelombang optis:
– Gain-guided, pita elektrode sempit (< 8 μm) diletakkan sepanjang dioda
– Index-guided :
• Positive-index waveguide, daerah tengah memiliki indeks bias lebih tinggi dibandingkan dengan daerah pinggir semua cahaya terpandu dipantulkan pada batas dielektrik. Pemilihan nilai indeks bias dan lebar daerah indeks bias yang tinggi akan dapat menghasilkan laser yang hanya memiliki modus lateral fundamental
• Negative-index waveguide, daerah tengah memiliki indeks bias lebih rendah dibandingkan dengan daerah pinggir sebagian cahaya dipantulkan dan sebagian dibiaskan keluar sehingga terjadi menimbulkan loss (redaman)
Tiga struktur dasar cara membatasi gelombang optis pada arah lateral(a) Gain-guided laser(b) Pandu gel positive-index(c) Pandu gel negative-index
• Index-guided, dapat dibuat menggunakan salah satu dari 4 struktur dasar berikut:– Buried Heterostructure (BH)– Selectively diffused construction– Varying-thickness structure– Bent-layer configuration
• Selain melakukan pembatasan gelombang optis, agar bisa didapatkan daya keluaran optis yang besar diperlukan juga pembatasan terhadap arus pacu secara ketat pada lapisan aktif sehingga lebih dari 60 % arus berkontribusi terhadap proses lasing
• 4 metode dasar yang digunakan dalam current-confinement (pembatasan arus pacu) adalah:– Preferential-dopant diffusion– Proton implantation– Inner-stripe confinement– Regrowth of back-biased pn junction
setiap metode menahan arus pada kedua sisi daerah lasing, dengan cara membuat daerah highresistivity atau memberikan tegangan mundur (reverse bias) pada pn junction
Dioda laser Buried Heterostructure:(a) GaAlAs dengan panjang gelombang pendek (800 – 900 nm)(b) InGaAsP dengan panjang gelombang panjang (1300 – 1600 nm)
Struktur positive-index optical-wave-confining(pembatasan gelombang optis):
(a) Selectively diffused(b) Varying-thickness(c) Bent-layer
“empat metode dasarpembatasan arus (current confinment) pada dioda
laser”
Untuk mendapatkan daya keluaran yang besar dapat juga dilakukan dengan teknik:
(a) Thin-active-layer (TAL)(b) Large optical cavity (LOC)
Single-Mode Laser
• Single mode laser, memiliki modus longitudinal tunggal dan modustransverse tunggal
• Untuk mendapatkan modus longitudinal tunggal dapat dilakukandengan beberapa cara:– Mengurangi panjang ruang lasing (L) sehingga jarak frekuensi (Δf ) lebih
besar dari lebar garis transisi laser• Misalnya ruang Fabry-Perot L = 250 μm, Δλ = 1 nm, pada λ = 1300 nm. Jika L menjadi
25 μm, maka Δλ = 10 nm. Tetapi membuat panjang tersebut sulit dilakukan.
– Laser emisi permukaan (SEL-Surface Emitiing Laser)
– Struktur yang memiliki built-in frequency selective resonator
“Struktur laser emisi permukaan (SEL -Surface Emitiing Laser) untuk bahan semikonduktor
GaAlAs”
3 jenis struktur laser menggunakan built-in frequency-selective resonator :
(a) DFB (Distributed Feedback)(b) DBR (Distributed Bragg Reflector)(c) DR (Distributed Reflector)
• Panjang gelombang Bragg:
• Modus longitudinal dipisahkan simetris sekitar λB :
2
1
2
2m
eLen
BB
Λ : perioda gelombang
ne : indeks bias efektif modus
k : orde gratingk
enB
2
m : orde mode (0,1,2….), ex: first-
order mode (m=1), zero order (m=0)
Le : panjang efektif grating
“Spektrum keluaran terdistribusi sekitar λB dari dioda laser DFB”
”Sifat daya keluaran optis yang bergantung pada suhu”
“Konstruksi pemancar dioda laser menggunakanthermoelectric cooler untuk tujuan stabilisasi”
“Titik bias dan wilayah modulasi amplitudo pada aplikasi analog LED”
“Titik bias dan wilayah modulasi amplitudo pada aplikasi analog Laser”
Kopling Daya
• Penyaluran daya optis dari sumber ke fiber, terdapat beberapa parameter yang mempengaruhiproses kopling daya:
• Fiber :
• NA (Numerical Aperture) fiber
• Ukuran inti
• Profil indeks bias
• Beda indeks bias inti-kulit
• Sumber :
• Ukuran
• Radiansi/brightness (daya yg diradiasikan pd satusatuan sudut ruang tiap satuan luas permukaanemisi [W/(Cm2.steradial)])
• Distribusi daya angular
• Efisiensi gandengan: ukuran daya emisi sumber yang dapat digandeng/dikopling kefiber, yang dinyatakan sebagai berikut:
• keterangan:
PF: Daya yang digandeng ke fiber
PS: Daya yang diemisikan oleh sumber
• catatan: parameter radiansi (brightness) lebih penting dari daya keluaran total dalam efisiensigandengan
s
F
P
P
Pola keluaran emisi
Sistem koordinat bola digunakan untuk pengkarakteristikan pola emisi sumber cahaya
• LED emisi permukaan memiliki pola keluaran lambertian yaitu sumbersama cerah jika dilihat dari setiap arah.
• Daerah proyeksi permukaan emisi bervariasi sebesar cos θ thd arahpenglihatan -> daya yang dikirim pada sudut θ bervariasi sebesar cos θrelatif terhadap garis tegak lurus permukaan emisi).
“Pola radiansi sumber LEDyang berpola lambertian danLASER yang berpola sangatterarah. Keduanya memiliki Bo
normalisasi = 1”
• Pola emisi sumber lambertian: B = Bo cos Ө
• Bo : radiansi sepanjang garis tegak lurus terhadap permukaan emisi
• LED emisi ujung dan laser memiliki pola emisi yang lebih komplek.
Perangkat tersebut memiliki radiansi berbeda pada bidang sejajar B(θ,0)
dan bidang tegak lurus B(θ,90) terhadap bidang emisi.
• Radiansi dapat didekati dengan formula umum:
Lo
2
To
2
cosB
cos
cosB
sin
,B
1 L : koefisien distribusi daya lateral (bil asli)
L = 1 lambertianT : koefisien distribusi daya transversal (bil asli)T : umumnya jauh lebih besar dr L (laser L > 100)
Contoh
• Dioda laser memiliki HPBW 2θ = 10o pada arah lateral (Ф = 0o)
• Hitung L !
• Berarti: sin Ф = 0 dan cos Ф = 1
• Sehingga B(θ=5o, Ф=0o) = Bo(cos 5o)L = ½ Bo
• Jadi: L = log 0,5/log(cos 5o) = log 0,5/log 0,9962 = 182
Perhitungan gandengan daya
Gambar sumber optik digandeng ke fiber optik.Daya diluar sudut penerimaan akan loss/hilang
Serat Step Index• Daya diteruskan ke fiber :
PLED,step = Ps (NA)2 rs ≤ a
PLED,step = (a/rs)2 Ps (NA)2 rs > a
Ps = л2 rs2 B0 ;
rs : jari-jari daerah aktif (cm);
B0 : daya optik yang diradiasikan tegak lurus terhadap permukaan emisi (W/(cm2.sr));
sr : steradian
NA : numerical aperture serat optik
a : jari-jari inti serat (cm).
Contoh
• LED, rs = 35 μm, pola emisi lambertian pada arah aksial
• 150 W/(cm2.sr)
• Fiber step index 1 : a1 = 25 μm, NA = 0,20
• Fiber step index 2 : a2 = 50 μm, NA = 0,20
• Bandingkan daya di gandeng oleh kedua fiber tersebut
Serat Graded Index
a
r
2
21nP2P s2
1sGI,LED
a
r
2
21nBa2P s2
1022
GI,LED
rs ≤ a
rs > a
Jika indeks bias medium n berbeda dengan indeks bias inti n1, dayadigandeng ke fiber berkurang dengan faktor:
2
1
1
nn
nnR
Pcoupled = (1-R) Pemitted
R : faktor koefisien refleksi Fresnell di permukaan ujung fiber
Gandengan daya thd panjang gelombang• Daya optik yang digandeng ke fiber tidak tergantung pada panjang gelombang
tetapi hanya brightness/radiansi.
• Pada fiber optik MM (Multi Mode) jumlah modus yang menjalar:
• Daya diradiasikan setiap modus PS/M, dari sumber pada suatu panjang gelombang tertentu:
• Dari kedua persamaan tersebut, dua sumber dengan panjang gelombang berbeda tetapi memiliki radiansi yang sama menghasilkan gandengan ke fiber sama besarnya.
2
1an2
2M
20
s BM
P
Keseimbangan NA
• Suatu sumber sering dilengkapi dengan flylead.
• NAfly = NAf dan afly = af loss gandengan kecil
• Beberapa puluh meter pertama modus tak merambat dalam fiber terjadi excess power loss:
• LED emisi permukaan terpengaruh efek tersebut
• Laser kurang terpengaruh
• Modus yang menjalar terjadi keseimbangan setelah beberapa puluh meter (sekitar 50 m)
• Daya di titik keseimbangan:
in
eq
50eqNA
NAPP P50 : daya diharapkan pada titik 50 m
berdasar launch NA (NAin)
Keseimbangan NA
Contoh perubahan NA sebagai fungsi panjang fiber
Peningkatan gandengan• Jika luas permukaan sumber > luas inti fiber daya dapat digandeng
maksimum
• Jika luas permukaan sumber < luas inti fiber untuk meningkatkanefisiensi perlu dipasang lensa mini yang diletakkan diantara sumberdan fiber
• Fungsi lensa mini untuk (seolah-olah) memperbesar daerah emisisumber sehingga sepadan dengan daerah permukaan inti fiber
• Jika faktor pembesaran daerah emisi M daya yang digandeng kefiber akan meningkat dengan faktor yang sama
• Masalah dalam penggunaan lensa kesulitan pabrikasi danpenanganannya (taper ended fiber)
Beberapa skema pelensaan yang mungkin untuk peningkatanefisiensi gandengan sumber ke fiber
Microsphere tanpa bayangan
• Asumsi:
• Lensa bulat memiliki indeks bias n 2,0
• Media celah udara (n’ = 1)
• Daerah emisi lingkaran
• Permukaan pengemisi terletak di fokus lensa
• Lensa gaussian:
s : jarak sumber dr pusat lensa
q : jarak bayangan dr pusat lensa
n : indeks bias lensa
n’ : indeks bias media celah
r : jari-jari kelengkungan lensa
r
nn
q
n
s
n ''
“LED dengan lensa microsphere”
• Konvensi :• Cahaya menjalar dari kiri ke kanan• Jarak objek diukur ke kiri positip, kekanan negatip• Jarak bayangan ke kanan positip, kekiri negatip• semua permukaan cembung dilihat dari sumber memiliki jari-
jari kelengkungan positip dan permukaan cekung jari-jarinegatip
• Dengan q = ∞, n = 2,0; n’ = 1 dan r = - RL , maka diperoleh:• S = f = 2 RL
• Berarti fokus terletak di titik A.
• Menempatkan LED di dekat permukaan lensa, perbesarandaerah emisi M :
2
s
L
2s
2L
r
R
r
RM
• Daya dapat digandeng ke fiber dengan sudut penerimaan penuh 2θ:
2
2
sL sinrs
RLPP
PS : daya keluaran total sumber tanpa lensa
Efisiensi gandengan maksimum :
1
NAr
a 2
2
smax
NAa
rs untuk
untuk NAa
rs
Gandengan dioda laser - fiber
• Dari hasil pengukuran Laser memiliki pola emisi dengan Full Widthat Half Maximum (FWHM):
• Bidang tegak lurus : 30 – 50o
• Bidang sejajar : 5 – 10o
• Near field sejajar : 3 – 9 μm
• Distribusi keluaran angular > sudut penerimaan fiber dan daerahemisi << luas penampang inti fiber dapat digunakan lensa bulat,silindris atau fiber taper untuk meningkatkan efisiensi.
Fiber collimator
Pigtail collimator
93
PHOTODETECTOR
94
Detektor Silikon PIN
95
Syarat foto detektor
• High response atau sensitifitas
• Noise rendah
• Respon cepat atau bandwidth lebar
• Tidak sensitif thd variasi suhu
• Kompatibel dgn fiber
• Murah
• Tahan lama
96
Detektor foto yg ada
• Photomultiplier (photocathode + multiplier dlm vacum tube)
• Pyroelectric detector (konversi photon ke panaskonstanta dielektrik)
• Semiconductor-based photoconductor (pin dan APD) cocok u fiber optik.
97
Konfigurasi detektor PIN
Detektor PIN
98
Sirkit dioda foto pin diberi tegangan mundur
99
Photon datang memiliki energi ≥ energi band-gap photon
akan memberikan energinya dan membangkitkan elektron (di
depletion region) dr pita valensi ke pita konduksi
photocarrier.
Diagram pita energi dioda foto pin
100
ppp
nnn
DL
DL
Dn : koefisien difusi elektron
Dp : koefisien difusi hole
Carrier bermuatan mengalir melalui material, beberapa
pasangan elektron-hole berekombinasi dan hilang.
Elektron bergerak sejauh Ln sedang hole bergerak
sejauh Lp.
Jarak tsb disebut panjang difusi.
Waktu yg dibutuhkan berekombinasi disebut carrier
lifetime, elektron selama n dan hole selama p.
101
Radiasi optis yg diserap material semikonduktor :
)1()()(
0
xSePxP
αs(λ) : koefisien absorbsi pd panj gel λ
P0 : daya optis datang
P(x) : daya optis diserap sejauh x
Upper wavelength cutoff :
)(
24,1)(
eVEE
hcm
gg
C
Panj gel cutoff Si sekitar 1,06 μm, dan Ge sekitar 1,6 μm
102
Koefisien absorbsi sbg fungsi panj gelombang
103
Contoh
Dioda-foto terbuat dr GaAs, memiliki energi band gap 1,43
eV pd 300o K.
Panjang gel cutoff :
m
meVJxeV
smxsJx
E
hc
C
g
C
867,043,1
24,1
869,0/106,143,1
/103.10625,619
834
atau
Dioda-foto tidak akan beroperasi utk photon dng panjang
gelombang lebih dari 867 nm
104
Jika daerah deplesi memiliki lebar w, maka daya
diserap :
)1()( 0
wSePwP
Jika memperhatikan reflektifitas permukaan dioda-
foto Rf, maka arus foto primer Ip :
f
w
p RePhf
qI S
1)1(0
q : muatan elektron
hf : energi photon
105
Efisiensi kuantum :
Jumlah elektron hole yg dibangkitkan
η = -------------------------------------------------------- = Jumlah photon datang hfP
qI p
/
/
0
Responsivitas :
hf
q
P
I p
0
Parameter ini sangat berguna karena menspesifikasikan
arus foto yg dibangkitkan tiap satuan daya.
[A/W]
106
Perbandingan responsivitas dan efisiensi kuantum sbg
fungsi panj gel
107
Contoh
InGaAs pd panj gel 1100 nm < λ < 1600 nm, memiliki
efisiensi kuantum 60 %.
Berapa responsivitasnya pd panj gel 1300 nm ?
Jika daya optis yg datang 10 μW, berapa arus foton yg
dibangkitkan ?
108
Avalanche Photodiode (APD)
109
Avalanche Photodiode
APD secara internal melipat gandakan arus foto sinyal
primer sebelum memasuki sirkit penguat
meningkatkan sensitifitas penerima.
Mekanisme pelipatgandaan elektron/hole disebut
impact ionization.
Carrier baru yg dibangkitkan juga dipercepat oleh
medan listrik kuat, shg menguatkan energi utk impact
ionization selanjutnya.
Phenomena tsb disebut efek avalanche.
Dibawah tegangan breakdown jumlah carrier yg
dibangkitkan tertentu, sedangkan diatas tegangan
breakdown carrier yg dibangkitkan dpt tak terbatas.
110
Konstruksi p+πpn+ reach-through APD (RAPD)
p-type : resistivitas tinggi
p+ : heavily doped p-type
n+ : heavily doped n-type
π : bahan intrinsik tdk murni krn kurang hati2 shgtercampur p doping
š p+
SiO2Electrode
net
x
x
E(x)
R
E
h > Eg
p
Iph
e– h+
Absorption
region
Avalanche
region
(a)
(b)
(c)
(a) A schematic illustration of the structure of an avalanche photodiode (APD) biasedfor avalanche gain. (b) The net space charge density across the photodiode. (c) Thefield across the diode and the identification of absorption and multiplication regions.
Electrode
© 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)
n+
111
Pd penggunaan normal RAPD bekerja pd modus depleted
penuh.
Cahaya memasuki device mel daerah p+ dan diserap bahan
π yg bekerja sbg daerah pengumpul carrier yg dibangkitkan
oleh photon.
Saat diserap photon memberikan energi, shg
membangkitkan pasangan elektron-hole yg
kemudiandipisahkan oleh medan listrik di daerah π.
Elektron yg dibangkitkan oleh photon bergeser dr daerah π
ke pn+ junction yg terdapat medan listrik kuat.
Pd daerah medan listrik kuat terjadi pelipat gandaan carrier.
112
Ionization rate : jumlah rata2 pasangan elektron-hole yg
dibangkitkan persatuan jarak tempuh.
Banyak bahan memiliki laju ionisasi elektron α berbeda dng
laju ionisasi hole β.
Perbandingan k = β/α merupakan ukuran unjuk kerja
photodetector.
Faktor multiplikasi :
P
M
I
IM
IM : rata2 arus keluaran multiplikasi total
IP : arus foto tanpa multiplikasi primer
Dlm praktek mekanisme avalanche adalah proses statistik,
krn tidak semua pasangan carrier yg dibangkitkan dlm
dioda menghasilkan multiplikasi sama == > M : harga rata2.
Responsivitas : MMhf
qAPD 0
113
Laju ionisasi carrier hasil percobaan
114
Contoh
Suatu APD memiliki efisiensi kuantum 65 % pd panj gel
900 nm. Jika daya optis 0,50 μW menghasilkan arus foto
multiplikasi 10 μA, berapa faktor multiplikasi M ?
115
Pengaruh teg bias thd penguatan arus