Sumber Optik LED Sumber Optik LASER Kopling Daya Foto detector PIN dan APD

Transkripsi

1 Sumber Optik LED Sumber Optik LASER Kopling Daya Foto detector PIN dan APD

2 Sumber Optik LED dan LASER

3 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

4 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)

5 LED LASER

6 Semikonduktor Material semikonduktor memiliki sifat konduksi terletak diantara logam dan isolator Contoh material semikonduktor adalah silikon (Si) terletak di grup IV (memiliki 4 elektron terluar) yang bisa berikatan kovalen dengan atom lainnya sehingga membentuk kristal

7 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 pada semikonduktor intrinsic contoh: untuk material Si energi yang diperlukan agar elektron berpindah harus lebih besar dari 1.1 ev yang disebut sebagai band-gap energy

8 Konsentrasi elektron dan hole dikenal sebagai konsentrasi pembawa intrinsik (intrinsic carrier concentration): Dimana: K T k B m h m e m h Eg n i : konstanta karakteristik material : suhu mutlak : konstanta Boltzman = 1.38 x J/oK : massa diam elektron = 9.11 x Kg : Konstanta Planck = x JS : massa efektif elektron : massa efektif hole : energi gap (band gap energy) : konsentrasi pembawa intrinsik

9 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 dan elektron 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) yang memiliki 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

10 (a) Level donor pada bahan tipe n (b) Ionisasi dari campuran donor menghasilkan peningkatan distribusi konsentrasi elektron

11 (a) Level akseptor pada bahan tipe-p (b) ionisasi dari campuran akseptor meningkatkan distribusi konsentrasi hole

12 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 elektronhole karena setiap elektron berpindah ke pita konduksi selalu meninggalkan hole Proses rekombinasi elektron bebas melepaskan energi (photon-cahaya) dan turun dari pita konduksi menuju ke hole yang berada di pita valensi Kondisi seimbang : Laju pembangkitan = Laju rekombinasi Bahan intrinsik : pn = p 0 n 0 = n 2 i p 0 : konsentrasi hole seimbang n 0 : konsentrasi elektron seimbang n i : kepadatan/ konsentrasi pembawa bahan intrinsik

13 Pemberian sedikit campuran kimia pada kristal murni menghasilkan semikonduktor ekstrinsik Konduktifitas elektris sebanding dengan konsentrasi pembawa ada 2 jenis bahan pembawa muatan: 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 dan ekstraksi dari pembawa minoritas

14 pn Junction 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. Difusi (penyebaran) elektron melintasi pn junction menghasilkan potensial barrier (medan elektrik) di daerah deplesi

15 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 mundur (reverse bias) melebarkan daerah deplesi, tetapi memungkinkan pembawa minoritas (minority carrier) bergerak bebas

16 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 Bias maju (forward bias) mengecilkan potensial barrier memungkinkan pembawa mayoritas (majority carrier) berdifusi melintasi junction

17 Direct dan Indirect band gap Semikonduktor dapat diklasifikasikan menjadi dua jenis material yaitu directband-gap atau indirect-band-gap yang ditentukan oleh nilai band gap sebagai fungsi dari momentum (k). Disebut sebagai direct band gap material karena proses rekombinasi (turunnya elektron dari pita konduksi ke valensi dan memancarkan energi photon) bisa berjalan secara langsung akibat elektron dan hole memiliki momentum yang sama Rekombinasi elektron dan emisi photon yang berkaitan pada suatu bahan direct-band-gap (elektron dan hole memiliki nilai momentum sama)

18 Disebut indirect band gap material karena energi di pita konduksi minimum sedangkan di pita valensi maksimum dan keduanya memiliki nilai momentum yang berbeda sehingga untuk terjadinya proses rekombinasi tidak bisa berjalan secara langsung, harus melibatkan partikel ketiga yangberfungsi untuk memperbaiki nilai momentumnya tersebut agar rekombinasi bisa berlangsung. Partikel yang berperan tersebut adalah phonon Rekombinasi elektron pada suatu bahan indirect-band-gap (elektron dan hole memiliki nilai momentum berbeda) membutuhkan energi E ph dan momentum k ph

19 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 A o (angstroms ), note (1 A o = m) Grafik yang menunjukan hubungan antara bandgap energy dan wavelength dengan lattice constant pada suhu 300 K. Garis putusputus vertikal menunjukan nilai lattice contant yang sama (matched) antara GaAs dengan (Al x Ga 1-x ) 0.5 In 0.5 P

20 Light emitting diodes LEDS

21 Forward-bias pn junction Pembangkitan Cahaya 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

22 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

23

24 Dua konfigurasi dasar : 1. Emisi permukaan/depan atau Burrus 2. Emisi ujung Konfigurasi

25 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 shg HPBW 120 o.

26 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 dari bahan sekitarnya Struktur tersebut membentuk pandu gelombang yang mengarahkan radiasi optik ke inti fiber Pita penyambung lebar 50 s/d 70 μm agar sesuai dengan ukuran fiber 50 s/d 100 μm Pola emisi lebih terarah dibanding emisi permukaan Pada bidang sejajar dengan junction pola emisi lambertian, pada arah tegak lurus junction memiliki HPBW 25 s/d 35o cocok dengan ketebalan pandu gelombang

27 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 1 o C ~ 0.6 nm/c λ = h.c/e g λ (μm) =1,24/E g (ev)

28 Tipe panjang gelombang berdasarkan material GaP --> LED 665 nm Jarak pendek, sistem murah Ga1-x AlxAs --> LED dan laser nm Sistem fiber awal Ga 1-x In x As y P 1-y --> LEDs and lasers 1300 nm (akhir 80an, awal 90an, FDDI data links) 1550 nm (pertengahan 90an - sekarang)

29 Energi bandgap dan panjang gelombang keluaran sebagai fungsi dari bagian molekul Al untuk bahan Al x Ga 1-x As pada suhu ruang

30 Spektrum daya keluaran (pola emisi) LED Al x Ga 1-x As dengan x = 0,008

31 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 perangkat panjang gelombang yang panjang dibuat dengan substrat InP Garis horisontal ditarik ke kiri dari titik InP Panjang gelombang yang pendek Ga 1-x Al x As garis horisontal

32 Hubungan fundamental quantum-mechanical: atau Untuk campuran tiga bahan AlGaAs, besarnya Eg (ev): E g = 1, ,266 x +0,266 x 2 Untuk campuran empat bahan In 1-x Ga x As y P 1-y, besarnya Eg (ev): E g = 1,35-0,72 y + 0,12 y 2 dengan y 2,2 x

33 Contoh Bahan Sumber Al x Ga 1-x As dengan x = 0,07 Berapa Eg dan λ? Bahan Sumber In 1-x Ga x As y P 1-y, dengan x = 0,26 Berapa Eg dan λ?

34 Efisiensi Kuantum Internal Ekses elektron di bahan p-type dan hole di bahan n-type (minority carrier) terjadi di sumber cahaya semikonduktor (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 keperluan netralitas muatan kristal Jika injeksi pembawa (carrier) berhenti kepadatan pembawa kembali ke nilai keseimbangan Kepadatan ekses pembawa (minority carrier): t n noe Δn o τ t : kepadatan ekses elektron yang diinjeksikan diawal : carrier lifetime bergantung kepada komposisi material : waktu/ lamanya injeksi

35 Ekses pembawa dapat berekombinasi secara radiatif maupun non radiatif Pada rekombinasi radiatif akan menghasilkan emisi photon Jika elektron-hole berekombinasi nonradiatif melepaskan energi dalam bentuk 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 (η int ): int Rr Rr Rnr R r : laju rekombinasi radiatif per satuan volume (jumlah photon yang dihasilkan secara radiatif setiap detiknya/ jumlah photon per detik) R nr : laju rekombinasi nonradiatif

36 Untuk penurunan eksponensial ekses pembawa, lifetime rekombinasi radiatif : Lifetime rekombinasi non radiatif : Efisiensi kuantum internal : Lifetime rekombinasi bulk :

37 Jika besar arus yang diinjeksikan ke LED adalah sebesar I, maka jumlah rekombinasi yang terjadi setiap sekon nya adalah: I Rr Rnr dimana, q adalah muatan photon (1.602 x C) q Dengan melakukan substitusi dari persamaan sebelumnya, sehingga didapatkan: I Rr int q R r adalah jumlah photon yang dihasilkan setiap sekon nya dimana setiap photon memiliki energi sebesar hv, sehingga daya optik internal (P int ) yang dihasilkan didalam LED adalah sebesar: Pint int hci q h c λ I : konstanta planck ( x J.s) : kecepatan cahaya (3 x 10 8 m/s) : panjang gelombang (m) : besarnya arus yang diinjeksikan ke LED (A)

38 Contoh Sumber optik LED yang terbuat dari bahan semikonduktor InGaAs mampu menghasilkan emisi cahaya dengan panjang gelombang puncak 1310 nm yang memiliki waktu rekombinasi radiatif dan nonradiatif sebesar 30 dan 100 ns. Arus pacu (drive current) yang digunakan adalah 40 ma. Berapakah lifetime rekombinasi bulk (τ), efisiensi kuantum internal (η int ), daya power internal (P int )

39 Jawaban 1 r 1 nr ( ns) int r P hci ( x10 34 J. s)( 3x10 8 m / s)( 0. 04A) int int mw q 2 ( x10 19 C)( 1. 31x10 6 m)

40 Asumsi dasar pendekatan tanggapan transien : Tanggapan transien Kapasitansi muatan ruang junction C s bervariasi lebih lambat karena arus dibanding dengan kapasitansi difusi C d dipandang konstan Harga C s 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 %: I p t1 / 2 Cs ln ln 2 I p Is t Cs ln9 I p I p : amplitudo fungsi tangga arus utk memacu LED I s : arus saturasi dioda τ : lifetime pembawa minoritas k B : konstanta boltzman (1.38 x J/K) T : absolut temperatur pada pn junction q : muatan photon (1.602 x C) q 2kBT

41 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation LASER 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 bahan semikonduktor (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

42 Emisi Laser

43 Tiga proses utama pada Emisi Laser isotropic, random phase, narrowband gaussian In phase with incident photon

44 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 perlu permukaan 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 meningkatkan efisiensi kuantum eksternal

45 Ruang Resonator/ cavity side

46 Radiasi optis dalam ruang resonansi menentukan pola garis medan listrik dan magnet disebut mode dari 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 pn junction Moda tersebut menentukan karakteristik laser seperti pola radiasi dan kepadatan arus threshold Ruang resonator Fabry-Perot

47 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>g th g th : penguatan optis lasing (threshold) α t : loss total : koefisien absorbsi efektif bahan pada lintasan optis R 1, R 2 : Reflektifitas ujung laser 1 dan 2 L : panjang ruang resonansi Γ : faktor optical confinement (bagian daya optis di active layer)

48 Hubungan antara daya keluaran optik dengan arus pacu dioda laser Arus threshold I th : ekstrapolasi daerah lasing dari kurva daya terhadap arus

49 Efisiensi kuantum diferensial eksternal Efisiensi kuantum diferensial eksternal η ext adalah jumlah photon yg diemisikan setiap rekombinasi pasangan elektronhole radiatif diatas threshold η i : efisiensi kuantum internal, hasil pengukuran pada suhu ruang bernilai antara 0,6 s/d 0,7 Dari percobaan:

50 Kondisi steady state jika: Frekuensi resonansi Amplitudo: I (2L) = I (0) Phasa: e -j2βl = 1 2βL = 2πm Jika: Maka: β = 2лn/λ Keterangan L : panjang ruang resonansi β : konstanta yang nilainya bergantung pada spesifikasi konstruksi dari Laser n : indeks bias f : frekuensi λ : panjang gelombang m : integer c : kecepatan cahaya (3 x 10 8 m/s) Setiap frekuensi berkaitan dengan modus osilasi. Tergantung pada struktur laser akan terdapat beberapa frekuensi laser singlemode dan multimode

51 Relasi antara penguatan dan panjang gelombang dapat diasumsikan berbentuk gaussian: 2 o 2 2 g( ) g(0). e keterangan: λ o σ g(0) dengan : panjang gelombang di pusat spektrum : lebar spektral penguatan : penguatan maksimum yang sebanding inversi populasi Jarak antara 2 frekuensi yang berdekatan : f c 2Ln Jarak antara 2 panjang gelombang yang berdekatan: 2 2Ln spektrum dari multimode dioda laser dengan material GaAlAs atau GaAs

52 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?

53 Jawaban ) (. GHz x x x x Ln c f ) (.. nm x x x x Ln ) (... ) (. ) ( ). ( ) ( ) ( nm e e g g e g g x o o

54 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)

55 Tiga struktur dasar cara membatasi gelombang optis pada arah lateral (a) Gain-guided laser (b) Pandu gel positive-index (c) Pandu gel negative-index

56 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

57 4 metode dasar yang digunakan dalam currentconfinement (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

58 Dioda laser Buried Heterostructure: (a) GaAlAs dengan panjang gelombang pendek ( nm) (b) InGaAsP dengan panjang gelombang panjang ( nm)

59 Struktur positive-index optical-wave-confining (pembatasan gelombang optis): (a) Selectively diffused (b) Varying-thickness (c) Bent-layer

60 empat metode dasar pembatasan arus (current confinment) pada dioda laser

61 Untuk mendapatkan daya keluaran yang besar dapat juga dilakukan dengan teknik: (a) Thin-active-layer (TAL) (b) Large optical cavity (LOC)

62 Single-Mode Laser Single mode laser, memiliki modus longitudinal tunggal dan modus transverse tunggal Untuk mendapatkan modus longitudinal tunggal dapat dilakukan dengan 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

63 Struktur laser emisi permukaan (SEL -Surface Emitiing Laser) untuk bahan semikonduktor GaAlAs

64 3 jenis struktur laser menggunakan built-in frequency-selective resonator : (a) DFB (Distributed Feedback) (b) DBR (Distributed Bragg Reflector) (c) DR (Distributed Reflector)

65 Panjang gelombang Bragg: B ne 2 k Λ n e k : perioda gelombang : indeks bias efektif modus : orde grating Modus longitudinal dipisahkan simetris sekitar λ B : B 2 B 2neLe m 1 2 m L e : orde mode (0,1,2.), ex: firstorder mode (m=1), zero order (m=0) : panjang efektif grating

66 Spektrum keluaran terdistribusi sekitar λ B dari dioda laser DFB

67 Sifat daya keluaran optis yang bergantung pada suhu

68 Konstruksi pemancar dioda laser menggunakan thermoelectric cooler untuk tujuan stabilisasi

69 Titik bias dan wilayah modulasi amplitudo pada aplikasi analog LED

70 Titik bias dan wilayah modulasi amplitudo pada aplikasi analog Laser

71 Kopling Daya Penyaluran daya optis dari sumber ke fiber, terdapat beberapa parameter yang mempengaruhi proses 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

72 Efisiensi gandengan: ukuran daya emisi sumber yang dapat digandeng/dikopling ke fiber, yang dinyatakan sebagai berikut: keterangan: P F : Daya yang digandeng ke fiber P S : Daya yang diemisikan oleh sumber P P F s catatan: parameter radiansi (brightness) lebih penting dari daya keluaran total dalam efisiensi gandengan

73 Pola keluaran emisi Sistem koordinat bola digunakan untuk pengkarakteristikan pola emisi sumber cahaya

74 LED emisi permukaan memiliki pola keluaran lambertian yaitu sumber sama cerah jika dilihat dari setiap arah. Daerah proyeksi permukaan emisi bervariasi sebesar cos θ thd arah penglihatan -> daya yang dikirim pada sudut θ bervariasi sebesar cos θ relatif terhadap garis tegak lurus permukaan emisi). Pola radiansi sumber LED yang berpola lambertian dan LASER yang berpola sangat terarah. Keduanya memiliki B o normalisasi = 1

75 Pola emisi sumber lambertian: B = B o cos Ө B o : 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: B 1 sin T L, B cos B cos o 2 cos o 2 L : koefisien distribusi daya lateral (bil asli) L = 1 lambertian T : koefisien distribusi daya transversal (bil asli) T : umumnya jauh lebih besar dr L (laser L > 100)

76 Contoh Dioda laser memiliki HPBW 2θ = 10 o pada arah lateral (Ф = 0 o ) Hitung L! Berarti: sin Ф = 0 dan cos Ф = 1 Sehingga B(θ=5 o, Ф=0 o ) = B o (cos 5 o )L = ½ B o Jadi: L = log 0,5/log(cos 5 o ) = log 0,5/log 0,9962 = 182

77 Perhitungan gandengan daya Gambar sumber optik digandeng ke fiber optik. Daya diluar sudut penerimaan akan loss/hilang

78 Serat Step Index Daya diteruskan ke fiber : P LED,step = P s (NA) 2 P LED,step = (a/r s ) 2 P s (NA) 2 r s a r s > a P s = л 2 r s2 B 0 ; r s B 0 sr NA a : jari-jari daerah aktif (cm); : daya optik yang diradiasikan tegak lurus terhadap permukaan emisi (W/(cm 2.sr)); : steradian : numerical aperture serat optik : jari-jari inti serat (cm).

79 Contoh LED, r s = 35 μm, pola emisi lambertian pada arah aksial 150 W/(cm 2.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

80 Serat Graded Index a r P n P s 2 1 s LED,GI a r n B a 2 P s LED,GI r s a r s > a Jika indeks bias medium n berbeda dengan indeks bias inti n 1, daya digandeng ke fiber berkurang dengan faktor: n n n n R P coupled = (1-R) P emitted R : faktor koefisien refleksi Fresnell di permukaan ujung fiber

81 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: 2an 1 M 2 Daya diradiasikan setiap modus P S /M, dari sumber pada suatu panjang gelombang tertentu: Ps 2 B 0 M Dari kedua persamaan tersebut, dua sumber dengan panjang gelombang berbeda tetapi memiliki radiansi yang sama menghasilkan gandengan ke fiber sama besarnya. 2

82 Keseimbangan NA Suatu sumber sering dilengkapi dengan flylead. NA fly = NA f dan a fly = a f 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: P eq P 50 NA NA eq in P 50 : daya diharapkan pada titik 50 m berdasar launch NA (NA in )

83 Keseimbangan NA Contoh perubahan NA sebagai fungsi panjang fiber

84 Peningkatan gandengan Jika luas permukaan sumber > luas inti fiber daya dapat digandeng maksimum Jika luas permukaan sumber < luas inti fiber untuk meningkatkan efisiensi perlu dipasang lensa mini yang diletakkan diantara sumber dan fiber Fungsi lensa mini untuk (seolah-olah) memperbesar daerah emisi sumber sehingga sepadan dengan daerah permukaan inti fiber Jika faktor pembesaran daerah emisi M daya yang digandeng ke fiber akan meningkat dengan faktor yang sama Masalah dalam penggunaan lensa kesulitan pabrikasi dan penanganannya (taper ended fiber)

85 Beberapa skema pelensaan yang mungkin untuk peningkatan efisiensi gandengan sumber ke fiber

86 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: n s ' n q n ' n r 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

87 LED dengan lensa microsphere

88 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 jarijari kelengkungan positip dan permukaan cekung jari-jari negatip Dengan q =, n = 2,0; n = 1 dan r = - R L, maka diperoleh: S = f = 2 R L Berarti fokus terletak di titik A. Menempatkan LED di dekat permukaan lensa, perbesaran daerah emisi M : M R r 2 L 2 s R rs L 2

89 Daya dapat digandeng ke fiber dengan sudut penerimaan penuh 2θ: P L P s RL rs 2 sin 2 P S : daya keluaran total sumber tanpa lensa Efisiensi gandengan maksimum : max a 2 2 r s NA 1 untuk untuk r s a r s a NA NA

90

91 Gandengan dioda laser - fiber Dari hasil pengukuran Laser memiliki pola emisi dengan Full Width at Half Maximum (FWHM): Bidang tegak lurus Bidang sejajar : 5 10 o Near field sejajar : o : 3 9 μm Distribusi keluaran angular > sudut penerimaan fiber dan daerah emisi << luas penampang inti fiber dapat digunakan lensa bulat, silindris atau fiber taper untuk meningkatkan efisiensi.

92 Fiber collimator Pigtail collimator

93 PHOTODETECTOR 93

94 Detektor Silikon PIN 94

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 95

96 Detektor foto yg ada Photomultiplier (photocathode + multiplier dlm vacum tube) Pyroelectric detector (konversi photon ke panas konstanta dielektrik) Semiconductor-based photoconductor (pin dan APD) cocok u fiber optik. 96

97 Detektor PIN Konfigurasi detektor PIN 97

98 Sirkit dioda foto pin diberi tegangan mundur 98

99 Diagram pita energi dioda foto pin Photon datang memiliki energi energi band-gap photon akan memberikan energinya dan membangkitkan elektron (di depletion region) dr pita valensi ke pita konduksi photocarrier. 99

100 Carrier bermuatan mengalir melalui material, beberapa pasangan elektron-hole berekombinasi dan hilang. Elektron bergerak sejauh L n sedang hole bergerak sejauh L p. Jarak tsb disebut panjang difusi. Waktu yg dibutuhkan berekombinasi disebut carrier lifetime, elektron selama n dan hole selama p. L L n p D D n p n p D n : koefisien difusi elektron D p : koefisien difusi hole 100

101 Radiasi optis yg diserap material semikonduktor : P( x) P 0 (1 e S ( ) x ) α s (λ) : koefisien absorbsi pd panj gel λ P 0 : daya optis datang P(x) : daya optis diserap sejauh x Upper wavelength cutoff : ( m) C hc E g 1,24 E ( ev ) g Panj gel cutoff Si sekitar 1,06 μm, dan Ge sekitar 1,6 μm 101

102 Koefisien absorbsi sbg fungsi panj gelombang 102

103 Contoh Dioda-foto terbuat dr GaAs, memiliki energi band gap 1,43 ev pd 300 o K. Panjang gel cutoff : atau C C hc E g 1,24 1, ,625x10 J. s3 x10 m / s 19 1,43eV 1,6 x10 J / ev 0,867m 0,869m Dioda-foto tidak akan beroperasi utk photon dng panjang gelombang lebih dari 867 nm 103

104 Jika daerah deplesi memiliki lebar w, maka daya diserap : P( w) P0 (1 e Sw ) Jika memperhatikan reflektifitas permukaan diodafoto R f, maka arus foto primer I p : q hf S w I p P e ) 1 0(1 R f q : muatan elektron hf : energi photon 104

105 Efisiensi kuantum : Jumlah elektron hole yg dibangkitkan η = = Jumlah photon datang I p q // P 0 hf Responsivitas : I p P 0 q hf [A/W] Parameter ini sangat berguna karena menspesifikasikan arus foto yg dibangkitkan tiap satuan daya. 105

106 Perbandingan responsivitas dan efisiensi kuantum sbg fungsi panj gel 106

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? 107

108 Avalanche Photodiode (APD) 108

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. 109

110 Electrode SiO 2 I ph R E h > E g n + p e h + š p + (a) net Electrode (b) x 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 shg tercampur p doping E(x) Avalanche region Absorption region (a) A schematic illustration of the structure of an avalanche photodiode (APD) biased for avalanche gain. (b) The net space charge density across the photodiode. (c) The field across the diode and the identification of absorption and multiplication regions. x (c) 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall) 110

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. 111

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 : M I M : rata2 arus keluaran multiplikasi total I P : 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. I I M P Responsivitas : q hf M APD 0 M 112

113 Laju ionisasi carrier hasil percobaan 113

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? 114

115 Pengaruh teg bias thd penguatan arus 115