BAB IV PENERAPAN OPTOELEKTRONIKA Pada bab-bab terdahulu telah dipaparkan komponen-komponen optoelektronis; macam komponen, dasar kerja, watak-watak, unjuk-kerja komponen, dan sebagainya. Dalam bab ini akan dibahas secara singkat beberapa contoh penerapan komponen-komponen tersebut dalam sistem optoelektronis. Pokok bahasan pada bagian ini meliputi penerapan di bidang peraga, bidang deteksi isyarat, bidang pengendalian daya (power control), bidang mikrokomputer, bidang telekomunikasi, serta bidang militer. IV-1 Penerapan LED sebagai piranti peraga Hampir semua sistem elektronis selalu melibatkan komponen optoelektronis. LED misalnya, digunakan secara luas baik sebagai piranti peraga ( display. indikator) maupun sebagai sumber cahaya untuk berbagai keperluan sistem elektronis. Pada bagian ini dibahas contoh penggunaan LED sebagai piranti peraga ( display, indikator). IV-1.1 Peraga Grafik Balok ( Bar Graph Display) Gambar 7.1 melukiskan contoh peraga grafik balok serta tanggapann kerjanya, untuk membandingkan aras tegangan masukan digunakan piranti pembanding (komparator), U 1 hingga U 4. Tegangan masukan dan tegangan prasikap masing- tingkat masing diberi nama-sandi dan V in dan V cc. Aras tegangan ambang untuk setiap berturut-turut dinyatakan dengan V 1, V 2, V 3 dan V 4 dengan nilai masing-masing:
Gambar 4.1 LED sebagai peraga grafik balok Apabila nilai tegangan masukan melampui suatu aras tegangan ambang tertentu (pada suatu tingkat) maka LED pada posisi tersebut akan katif (menyala). Makin tinggi aras tegangan masukannya makin banyak aras tegangan ambang setiap tingkat yang terlampui; yang diperagakan dengan makin banyaknya LED yang aktif (menyala). Cara kerja sistem tersebut dapat dinyatakan sebagi berikut. Apabila: V in > V 1 makaa LED 1 aktif V in > V 2 makaa LED 1. LED 2 aktif V in > V 3 makaa LED 1, LED 2, LED 3 aktif V in > V 4 makaa LED 1, LED 2, LED 3, LED 4 aktif IV-1.2 Peraga Indikator Posisi Dengan mengubah konfigurasi untai peraga grafik balok yang telah dibicarakan, dapat diperoleh peraga indikator posisi. yang tampak pada gambar 4.2. LED pada setiap tingkat akan aktif bila nilai tegangan masukan sesuai dengan jangkauan
tegangan tingkat tersebut. Jadi setiap saat ada tegangan masukan hanya satu LED saja yang aktif menyala untuk uk menunjukkan nilai jangkauan tersebut. Secara singkat ungkapan tersebut dapat dinyatakan dengan lima pertidaksamaan berikut: Apabila: V in < V 1 maka LED 1 aktif V 1 < V in < V 2 maka LED 2 aktif V 2 < V in < V 3 maka LED 3 aktif V 3 < V in < V 4 maka LED 4 aktif V in < V 5 maka LED 5 aktif Gambar 4.2 LED sebagai peraga posisi IV-1.3 Peraga Karakter Dalam kehidupan sehari-hari suatu informasi akan mudah dimengerti apabila diperagakan dalam bentuk gambar atau karakter (huruf dan angka). Jenis peragaan karakter yang paling populer adalah peraga LED 7-segmen. Gambar 4.3 merupakan contoh susunan beberapa sistem stem peraga karakter. Peragaan karakter dapat dibentuk dengan ruas-ruas (segmen) atau dengan susunan mamks titik (dot matrix) yang mempunyai berbagai macam m susunan dan ukuran. Beberapa macam wujud piranti peraga karakter LED tampak pada gambar 4.4.
IV-1.4 Peraga dengan Penyinaran Belakang (Back Lighting) Suatu informasi yang diperagakan, baik dalam bentuk karakter maupun dalam bentuk gambar pada suatu panel, akan tampak lebih jelas untuk dilihat apabila perbedaan intensitas cahayaa pada karakter/gambar dan latar belakangnya cukup besar (cukup kontras). Salah satu metode untuk mewujudican hal ini adalah cara penyinaran dari belakang (back lighting). Contoh peragaan gambar/karakter dengan metode ini tampak pada garnbar 4.5.
Gambar 4.5 Peraga dengan penyinaran belakang: a) Peragaan gambar, b) Peragaan karakter IV-2 Penerapan LED dan Fotodetektor untuk Deteksi Asap Pada bagian ini dibahas penggunaan LED dan totodetektor pada sistem deteksi asap. Contoh penggunaan piranti ini adalah di gedung-gedung atau peralatan lain
untuk rnendeteksi adanya asap (misalnya akibat kebakaran). Dasar kerja piranti ini adalah sebagai berikut. Sumber Cahaya (LED) dan foto detektor dipasang sedernikian sehingga kedua piranti tidak dapat berhubungan langsung. Apabila ada asap melingkupi ruang antara LED dan detektor maka cahaya LED akan dihamburkan dan dipantulkan kesana-kemari sehingga ada sebagian yang terdeteksi oleh fotodiode; yang selanjutnya isyarat ini diproses untuk diambil informasinya. Posisi Kedua komponen tersebut dapat diatur secara sesumbu (koaksial) atau secara radial; seperti tampak pada Gambar 4.6a dan 4.6b. Untuk penggunaan di dalam ruangan, kedua susunan sistem deteksi asap tersebut dapat digunakan. Untuk mendeteksi adanya asap pada cerobong asap atau di dalam pipa udara, susunann radial lebih cocok karena tidak ada halangan bagi asap/udara untuk bergerak sepanjang pipa. IV-3 Penerapan Optoisolator Pada Bab III telah dibahas piranti optoisolator (disebut juga Optocoupler ) beserta watak-wataknya. Watak yang terpenting adalah kemampuan isolasi yang tinggi. Watak isolasi yang tinggi ini banyak dimanfaatkan untuk berbagai keperluan. Pada bagian ini dibahas contoh penggunaan optoisolator dalam bidang elektronika dan bidang pengendalian daya (power control).
IV-3.1 Penggunaan Optoisolator dalam Bidang Elektronika Optoisolator banyak digunakan baik dalam untai analog, untai digital, maupun untai gabungan kedua macamm untai tersebut. Salah satu fungsi pengisolasian adalah mengurangi/ meniadakan ground looping. Penerapan Optoisolator untuk isolasi Isyarat Analog a. Teknik Isolasi Isyarat Analog ke Analog Sebagai contoh, penerapan piranti optoisolator untuk isolasi isyarat analog adalah pada untai Penguat Isolasi dc Servo, yang tampak pada Gambar 4.7.. Gambar 4.7 Penguat Isolasi de Servo Prinsip kerja untai ini adalah pengalihan suatu besaran (tegangan, arus elekrik) dari suatu untai ke untai yang lain, sedemikian sehingga secara kelistrikan kedua untai tersebut saling taktergandeng. Pada Gambar 4.7 tampak bahwa pada kedua untai yang tak tergandeng tersebut terdapat sumber arus tetap lcc1 dan 1 cc2 untuk memberi prasikap pada LED. Besaran yang akan dialihkan adalah V in ke V out ; dengan perantaraan arus I F1 dan I F2. Fungsi piranti optoisolator disini adalah sebagai piranti pengalili isyarat, sehingga besaran yang dialihkan secara kelistrikan saling taktergandeng. Pemantauan dan pengendalian dilakukan dengan membandingkan arus keluaran optoisolator l cc1 dan I cc2, dengan piranti pembanding (komparator). Apabila terjadi selisih antara I cc1 dan I cc2 (terjadi perubahan I F1, V in ) maka arus I F2 yang berasal dan U 2 akan berubah. Perubahan anus I F2 dipantau oleh fotodiode; dan anus I C2 akan berubah menyesuaikan diri sampai terjadi keseimbangan.
b. Penerapan Optoisolator pada Piranti Pengubah Analog-ke-Digital (ADC) Pengisolasian isyarat analog dapat dilakukan baik dengan isolasi secara analog maupun isolasi secara digital. Isolasi secara digital untuk isyarat analog dilakukan berdasar beberapa alasan di antaranya: 1) Faktor kesalahan (ketidaklinearan) yang dapat terjadi relatif kecil; 2) Stabilitas isolasi digital terhadap pengaruh suhu lebih mantap 3) Kadang, pada beberapa erapa penerapan, isyarat analog harus diubah ke bentuk digital untuk diproses secara digital; misalnya dengan mikroprosesor. Dalam hal ini isolasi digital digunakan untuk memisahkan piranti masukan analog dengan piranti keluaran digital. Contoh penerapan optoisolator oisolator pada piranti Pengubah Isyarat Analog-ke-Digital tampak pada Gambar 4.8a dan 4.8b, berturut-turut untuk keluaran ADC paralel dan keluaran ADC seri. Optoisolator dipasang pada keluaran ADC untuk mengisolasi untai ADC dengan untai digital berikutnya.
Gambar 4.8 Penggunaan optoisolator pada ADC a) Konfigurasi keluaran paralel b) Konfigurasi keluaran seri c. Isolasi Isyarat Analog menggunakan Teknik Pengubahan Analog-ke-Digital- ke-analog Teknik Isolasi jenis ini pada prinsipnya sama dengan teknik isolasi analog-ke- proses Analog, seperti yang telah dibicarakan terdahulu, dengan tambahan bahwa pengubahan dilakukan secara digital; sehingga menjadi berkonfigurasi Analog-kelebih kebal Digital-ke-Analog, Keunggulan teknik ini adalah bahwa isyarat-terisolasi terhadap perubahan nisbah alih arus (CTR). Teknik ini cocok digunakan pada piranti yang membutuhkan kestabilan kerja yang tinggi. Contoh teknik isolasi ini adalah menggunakan pengubahan Tegangann (analog)- kefrekuensi (digital) dan sebaliknya, yang dipasang berturutan; seperti tampak pada Gambar 4.9.
Gambar 4.9 Teknik isolasi syarat analog dengan pengubahan Tegangan-ke- Frekuensi dan sebaliknya Penerapan Optoisolator pada Isyarat Digital Berikut ini dibahas contoh sederhana penerapan optoisolator padaa beberapa untai digital; diantaranya, pada Untai Penerima Isyarat pada Ujung Jalur Transmisi, pada Transmisi Isyarat secaraa Dua Arah (Dupleks), pada Sistem Mikroprosesor. a. Optoisolator pada Penerima di Ujung Jalur Transmisi Apabila data ditransmisikan melalui jalur transmisi, ada kemungkinan terjadi arus ground looping, atau pengaruh tegangan mode bersama yang mengganggu keutuhan data yang dikirim. Usaha untuk mengurangi gangguan tersebut antara lain dengan memasang piranti optoisolator pada ujung jalur transmisi tersebut. Contoh penerapan teknik tersebut tampak pada Gambar 4. 10a dan 4. 10b, yang berturut-turut menggunakan penghambat seri tunggal dan penghambat paralel tunggal pada ujung akhir jalur transmisi. Gambar 4.10 Penggunaan Optoisolator pada Ujung Jalur Terminal
b. Penerapan Optoisolator pada Sistem Dupleks Contoh Penerapan optoisolator pada jalur transmisi, yang telah dipaparkan terdahulu adalah untuk sistem simpleks. Berikut ini adalah contoh penerapan Optoisolator pada sistem transmisi dupleks. Isyarat yang dikirim dan diterima masing- Gambar 4.11 memperlihatkan salah satu contoh sistem transmisi dupleks tersebut. masing diisolasi antara sumber dan penerima dengan menggunakan optoisolator. c. Penggunaan Optoisolator pada Sistem Mikrokomputer Untuk menghindari adanya kalang-tanah (ground looping) yang terjadi pada untai-untai di dalam mikrokomputer, maka pada sambungan antar satuan dapat dipasang optoisolator. Tentu saja hal ini dengan pertimbangan sampai seberapa jauh pengaruh kalang tanah terhadap kestabilan kerja sistem tersebut. Biasanya bagian- satuan bagian yang layak untuk diisolasi dengan optoisolastor adalah hubungan pengolah dengan piranti-piranti sekitarannya, yang menggunakan jalur yang cukup panjang dalam ukuran mikrokornputer. Sebagai contoh untai isolasi yang disarankan menurut kebutuhannya adalah bus data yang menghubungkann antar satuan, yang tampak pada Gambar 4.12. Optoisolator pada untai ini dilambangkan dengan segitiga dengan anak-anak panah yang menggambarkan arah isyarat.
Gambar 4.12 Pengantarmukaan bus yang terisolasi Gambar 4.13 melukiskan untai sistem mikrokomputer yang disarankan menggunakan pengantarmukaan yang terisolasi optoisolasor.
Gambar 4.13 Sistem mikrokomputer yang menggunakan pengarmukaan yang terisolasi 1V-3.2 Penerapan Optoisolator pada Pengendalian Daya Watak isolasi yang tinggi banyak dimanfaatkan untuk memisahkan piranti pengendali dan yang dikendalikan. Daya isyarat yang kecil dapat mengendalikan terhubung/terputusnya saklar sumber daya yang besar dengan perantaraan rele. Pada Gambar 4.14 tampak untai pengendali rele; yang selanjutnya dapat digunakan untuk mengendalikan sumber daya yang cukup besar.
Gambar 4..14 Pengendali hubungan/buka (rele) IV - 4 Penerapan Optoelektronika dalam Bidang Telekomunikasi Pada mulanya, serat optis dirancang untuk menyalurkan isyarat dengan jarak yang jauh; yaitu dengan memanfaatkan penyusutan daya yang kecil, lebarbidang yang cukup besar, serta kekebalan terhadap gangguan elektromagnetis dan cross talk. Kemudian penerapannya makin meluas karena keunggulan-keunggula lainnya dibanding kabel logam. Hingga saat ini di negara-negara yang maju sudah banyak terpasang sistem telekomunikasi yang menggunakan gunakan serat optis sebagai jalur transmisinya. Di Indonesia, walaupun baru beberapa buah juga sudah dipasang sistem komunikasi ini. Sebagai contoh adalah sistem yang dibangun Perumtel di Jakarta, antara TVRI dan Stadion Senayan dan di Ujung Pandang (di pusat pengolahan data Departemen Hankam). Pada bagian ini dibahas secara singkat penerapan pada sistem komunikasi isyarat analog maupun digital. Untuk memanfaatkan lebar-bidang bidang yang besar pada serat optis dilakukan sistem per jamakan (multiplexing). Secara garis besar sistem komunikasi serat optis dapat dilukiskan dengan diagram kotak pada Gambar 4.15.
Gambar 4.15 Diagram kotak sistem komunikasi optis Isyarat masukan dapat berupa isyarat analog maupun digital. isyarat dimasukkan ke dalam untai pemancar untuk memodulasi LED/laser. Cahaya termodulasi LED disalurkan melalui kabel serat optis. Pada ujung yang lain dipasang detektor PIN atau APD. Isyarat terdeteksi selanjutnya diolah di dalam untai yang dibawanya.
IV-4.1 Sistem Transmisi Analog Gambar 4.16 memperlihatkan diagram kotak sistem komunikasi analog
Gambar 4.16 Sistem komunikasi optis analog Pada sistem analog dapat dilakukan sistem modulasi AM dan FM. Isyarat yang dapat disalurkan baik berupa isyarat audio maupun isyarat gambar. Tabel 4.1 memperlihatkan beberapa sistem transmisi analog yang dapat dilakukan. lv - 4.2 Sistem Transmisi Digital Salah satu keunggulann sistem transmisi digital adalah kekebalan informasinya terhadap derau. Untuk memperkuat daya isyarat dan mengurangi derau diperlukan piranti pengulang (repeater) pada setiap jarak tertentu. Penggunaan serat optis memungkinkan jarak pengulang bertambah panjang. Berikut mi disajikan diagram kotak perlengkapan sistem komunikasi digital secara sederhana. Gambar 4.17 memperlihatkan diagram kotak piranti pemancar/penenma yang mengolah isyarat yang akan dikirimkan atau isyarat yang diterima. Gambar 4.18 memperlihatkan diagram kotak pengulang pada suatu sistern komunikasi optis. Isyarat dan beberapa sumber dapat disalurkan melalui seutas serat optis dengan cara penjamakan. Pada ujung penerimanya, isyarat diurai kembali sehingga diperoleh isyarat aslinya.
Gambar 4.18 Diagram kotak pengulang Kemungkinan penggunaan sistem komunikasi digital disajikan pada Tabel 4.2.
Sistem transmisi serat optis juga digunakan pada televisi kabel (CATV) dan juga pada pemancar televisi untuk menyalurkan data antar satuan pengelola isyarat. Gambar 4. 19 memperlihatkan contoh penggunaan sistem optoelektronika di stasion televisi. Apabila jarak antar beberapa ruang studio cukup besar, misalnya antar Studio, Master Control, dan Pemancar. maka kemungkinan tirnbulnya gangguan terhadap gambar dan suara akibat induksi elektromagnetis cukup besar, baik yang berasal dari isyarat pancaran yang berdaya tinggi maupun dari transformatorr tegangan tinggi. Gangguan tersebut lebih sulit dihindarkan apabila antara pengirim dan penerima terdapat selisih potensial (ac) karena pertanahan yang kurang baik. Apabila isyarat yang disalurkan diubah ke bentuk isyarat optis maka gangguan tersebut dapat dihindarkan, karena transmisi serat optis meniadakan kalang pertanahan (ground looping). Gambar 4.19 Contoh penggunaan sistem optoelektronika di stasion televisi IV- 4.3 Pertimbangan sistem Seperti telah diketahui pada sistem transmisi menyeluruh. susutan isyarat terjadi di setiap bagian sistem. Agar susutan total dapat dijaga tetap kecil, distribusi susutan di setiap bagiannya perlu dipertimbangkan sebaik-baiknya. Kecuali itu, lebar bidang
sistem penyeluruh juga ditentukan oleh lebar bidang masing-masing, khususnya yang paling sempit. Dalam hal susutan, perhatian juga terpusat pada bagian yang memberikan S/N terkecil. Berikut ini disampaikan secara garis besar pertimbangan sistem secara menyeluruh dalam kedua aspek watak, yaitu S/N dan lebar bidang. Sebagai contoh diambil isyarat video dan stasion TV yang disalurkan ke pemancarnya yang cukup jauh, yaitu dalam orde km. Jika, sesuai standar, isyarat TV berlebar bidang 6 MHz dan S/N = 10 5 (5 db) dan penyaluran menggunakan serat optis mode jamak (S1 atau GRIN) dengan LED pada kisaran 0,8 hingga 0,9µm serta foto detektor PIN. Selanjutnya diterapkan persamaan: S N = M n 2 m MηeP RL 2 hf ηep 2eRL f I D + 4kT f hf 2 Untuk modulasi 100% perlu dihitung nilai R L, yaitu hambatan beban detektor. Andaikan kapasitas diode PIN adalah 5pF dan ketanggapan p = 0,5 A/W pada λ = 0,85 µm. Nilai maksimum R L, untuk frekuensi putus 6 MHz adalah: R L 1 = 2πC f D 3 db 1 = = 5305Ω 12 6 2π (5.10 )(6.10 ) Untuk memperlonggar lebar bidang diambil R L 5100 agar penyempitan akibat sumber dan serat masih ada tempatnya. Dengan R L ini lebar bidang adalah 6,24 MHz. Karena dipakai diode PIN, maka sistem akan terbatasi derau ternal, sehingga S N ( P) 2 ρ 0,5RL = 4kT f e η e menjadi lebih sederhana, karena juga p= hf derau preamp adalah 2 (3 db), suhu setaranya T e = FT = 2 x 300 = 600 o K Maka S 5 0,5.5100 = 10 = 23 6 N 4(1,38 x10 )600(6,24x10 ). Jika suhu lingkungan 300 0 K dan angka
Sehingga 23 6 4(1,38 x10 )600(6,24x10 ) P= = 5,7 µw 2 0,5.5100.(0,5) Untuk mudahnya bulatkan P =6 µw, sehingga pada aras daya ini diode PIN memberikan arus rerata I = P = 3 µa Karena arus gelap diode PIN jauh lebih rendah dan 3 µa, maka dapat diabaikan. Derau tennal yang ditimbulkan oleh sumber arus adalah 2 NT i kt f = 4 R = Dan nderau tambahan 2 i NS L 23 6 4(1,38 x10 )600(6,24x10 ) 17 = 2eI f = 2(1,6 x 10 19 5100 )(3x10 6 = 4,052x10 6 )(6,24x10 ) = 0,599x10 Ternyata daya derau termal lebih kurang tujuh kali lebih besar dari daya derau tambahan, sehingga memang dominan seperti telah diduga sebelumnya. Jika dipakai bias 5 V, arus maksimum yang diizinkan adalah 5 I maks = = 980µA 5100 yang jauh lebih besar dari arus kerja 3 µa tersebut. Jadi tak khawatir jenuh. Sumber cahaya LED yang dipakai adalah jenis pancar permukaan (surface emitting), dengan arus kerja rerata P dc = 1 mw pada panjang-gelombang 0,85µm. Waktu bangkitnya adalah 12 ns, lebar spektralnya 35 nm, dan permukaan pancarannya berdiameter kurang dan 50 µm. Jika dipakai serat SI mode jamak, lebar bidang optisnya: f dbxl 33MHZxkm 3 = maka bagi daya 5 db/km dan diameter teras 50 µm; NA = 0,24. Jika dipakai serat GRIN mode jamak, dengan NA aksial = 0,24 dan lebar bidang optis f dbxl 500MHZxkm 3 = 17
dan dengan sumber berupa diode laser, maka rugi daya 5 db/km dan diameter teras 50 µm. Kemudian, jika sumber mengeluarkan daya I mw (0 db) sedang penerima memerlukan 6 im (-22,2 dbm) ), maka susutan sistem menyeluruh tidak boleh lebth dan 22,2 dbm. Susutan gandengan sumber-serat adalah: Selain itu ada susutan akibat pantulan pada ujung masuk dan keluar serat sebesar 0,2 db. Andaikan hanya ada dua penghubung (konektor), yaitu pada pengirim dan pada penerima, dan masing-masing membuat susutan 1 db, makaa terdapat susutan menyeluruh: 22,2 12,4 0,4 2 = 7,4 db yang diizinkan untuk serat SI dan 22,2 15,4 0,4 2 = 4,4 db yang diizinkan untuk serat GRIN. Dengan susutan 5 db/km, untuk serat SI, panjang maksimum adalah 7,4 Lmax = = 1, 48km 5 Dengan susutan 5 db/km, untuk serat SI, panjang maksimum adalah 4,4 Lmax = = 0,88km = 880 m 5 Waktu bangkit sistem menyeluruh τ s mencakup waktu bangkit sumber τ Ls, dan fotodetektor τ PD dengan hubungan: τ 2 2 2 S = τ LS + τ sf + τ PD Andaikan hubungan waktu bangkit dapat dinyatakan dalam lebar bidang dengan persamaan: maka selanjutnya
dan waktu bangkit LED maka atau Mengingat lebar bidang elektris dan optis suatu serat dihubungkan dengan persamaan maka untuk serat SI pada sistem TV tersebut, hasil kali lebar bidang-panjang adalah 0,71(33)=23,4 MHz x km Waktu bangkit yang terkait adalah: Berdasarkan hasil perhitungan sebelumnya, yaitu rf =11,9 ns, maka panjang serat yang diperbolehkan adalah Dengan demikian ternyata pertimbangan lebar bidang lebih membatasi panjang serat ( 783 m), karena pertimbangan daya memberikan batas yang lebih panjang ( 1480 m). Kasus mi disebut terbatasi lebar bidang (bandwidth limited) bukan terbatasi daya (poer limited). Untuk memperpanjang jangkauan serat, beberapa hal dapat dilakukan, misalnya penurunan hambatan beban RL. Sistem Digital Ambil suatu sistem untuk menyalurkan isyarat digital berupa rentet pulsa NRZ (non return to zero) 400 Mbps melalui lintasan sepanjang 100 km dengan pesat ralat
10-9. Tanpa pengulang (repeater) akan diperlukan pemancar, serat, dan fotodetektor bermutu tinggi untuk sistem ini. Jika bentuk pulsa asli cukup ideal (lihat gambar), maka sebagai akibat ketidaksempurnaan sistem, bentuk tersebut akan berubah yang diungkap dalam besaran waktu bangkit τ s. Untuk lebar pulsa t dan periode pengulangan T, pertimbangan yang dapat dipakai adalah agar waktu bangkit tidak lebih dan 70% periode pulsa, yaitu : 0,7 τ s 0,7T = R NRZ Denan R NRZ sebagai pesat data yang tidak lain sama dengan RZ (return to zero) ketentuan tersebut dibagi dua, sehingga : τ s 0,35 R NRZ 1. Untuk pulsa T Gambar 4.20 Perubahan bentuk pulsa akibat ketidaksempurnaan sistem dari Untuk isyarat NRZ 400 Mbps tersebut, waktu bangkit ditentukan tidak boleh lebih
0,7 τ s = 1, 75ns 8 4 10 = yang dipengaruhi oleh sifat sumber (τ LS ), serat (τ F ), dan fotodiode (τ PD) dengan hubungan: τ 2 2 2 S = τ LS + τ sf + τ PD Pada serat 0,35 τ = = ττ F f3 db ( elektrik ) Pelebaran pulsa sepanjang 100 km serat ini tidak boleh lebih dari 1,75 ns, atau 17,5 ps/km. Ternyata syarat ini tidak dapat dipenuhi oleh serat-serat SI ataupun GRIN, yang biasanya menyebabkann pelebaran pulsa berturut-turut 15 ns/km dan 1 ns/km. Serat mode tunggal juga hanya sampai 0,5 ns (500 ps)/km padapanjang-gelombang ±0,8 µm. Perhatian terpaksa dialihkan ke serat mode tunggal yang bekerja pada panjang gelombang 1,3 atau 1,55 µm (inframerah). Selain itu, susutan serat perlu diperhatikan karena 100 km cukup jauh bila tanpa pengulang. Panjang-gelombangg 1,55 µm memberikan susutan minimum, yaitu (misalnya) 0,25 db/km. Untuk bahan silika murni dan pemandu gelombang serat SI faktor dispersinya berturut-turut M = -20ns/(nm x km) dan M = 4,5 ns/(mnxkm) pada = 1,55 µm. Gabungan kedua faktor dispersi memberikan faktor dispersi menyeluruh : Sumber yang memenuhi syarat untuk mode tunggal (baik mode longitudinal maupun transversal) adalah diode laser InGaAsP yang mempunyal pola pancar minip diode rambatan tunggal seratnya. Di samping itu, lebar spektral diode laser ml cukup sempit, yaitu 0,15 nm dengann waktu bangkit I ns, sehingga pelebaran pulsa totalnya adalah :
yang juga merupakan waktu bangkit serat dan besarnya masth jauh di bawah 1,75 ns (LED mempunyai lebar spektral 50 tim sehingga pelebaran pulsanya 77,5 ns dan rnempunyai NA terlalu rendah). Selanjutnya, waktu bangkit fotodiode diperhitungkan sebagai berikut : Kapasitas fotodiode C d harus cukup kecil untuk memenuhi waktu bangkit tersebut, dan agar hambatan paralel dapat cukup besar untuk menjaga kepekaan deteksi yang tinggi. Sebagai contoh, untuk C d = 1 pf dan waktu bangkit terbatasi waktu transit VTR = 0,5 ns. Waktu bangkit terbatasi untai yang terkait adalah : Sedang Aspek susutan sistem diperhitungkan berdasarkan aras-aras daya sebagai berikut. Andaikan daya keluar sumber 5 dbm (3,2 mw), rugi gandengan sumber-serat 3 db, rugi dua konektor masing-masing 1 db, rugi 50 sambungan serat masing-masing 0,1 db (setiap 2 krn), maka susutan menyeluruh, termasuk 25 db dalam serat adalah 25 + 3 + (2 x 1) + (50 x 0.1) = 35 db Dengan aras daya sumber 5 dbm, di penenma terdeteksi 5 35 = 30 dbm aras daya. Dengan APD diperlukan -40 dbm untuk menjamin pesat ralat 10-9 pada 400 Mbps. Dengan demikian besar power margin adalah -30 (-40) = 10 db untuk penerima APD ini. Nilai ini cukup tinggi, karena biasanya cukup sebesar 6 db saja. Dengan PINFET yang 8 db kurang peka dibanding APD, power margin tinggal 2 db.
Pertimbangan dan segi pesat ralat bit (BER bit error rate) dilukiskan sebagai berikut. Untuk sistem terbatasi kuantum, pesat ralat dengan arus gelap yang dapat diabaikan adalah dengan n sebagai jumlah rerata fotoelektron yang dihasilkan ketika bit 1 diterirna. Untuk pesat ralat 10-9 -, n s 20,,7 atau dibulatkan n s = 21. Jumlah foton yang diperlukan untuk menghasilkan foto elektron sebanyak ini adalah : dengan µ sebagai efisiensi kuantum yang terkait. dengan sebagai lebar pulsa. Untuk isyarat NRZ, = 1/R, sehingga daya puncak : sedang untuk isyarat RZ dayaa puncak adalah dua kali P di atas. atau P = 1,08 x 10 mw (-59,7 dbm). Di bawah kondisi terbatasi kuantum ideal, sistem harus menyampaikan daya optis ke fotodetektor paling tidak sebesar -59,7 dbm, untuk menjamin BER = 10-9. Pengandaian efisiensi kuantum 70% akan menaikkann aras yang diperlukan menjadi -58 dbm. Penerima APD yang mempunyai kepekaan -40 dbm adalah 18,1 db lebih buruk dan batas kuantum tersebut. Ini terjadi pada operasi di wilayah 1,3 hingga 1,6 jim, sebagai akibat tinggi derau pada fotodiode gugusan In GaAs. Jika ketanggapan detektor diketahui, maka kepekaan terbatasi kuantum diperoleh dengan persamaan :
Karena runtun sandi dapat dianggap mengandung 1 dan 0 dalam jumlah yang sama, maka daya rerata adalah separo daya puncaknya, yaitu : Perhatikan, persamaan di atas yang mengatakan bahwa rnakin besar panjangdetektor gelombang makin rendah daya foton yang diperlukan detektor (makin peka). Kepekaan penenma terbatasi derau termal dinyatakan dalam ketanggapan dengan persamaan : Hubungan BER dengan S/N dinyatakan dengan persamaan : Berdasarkan persamaan ini, untuk BER = 10-9 diperlukan S = 142(21,5dB ). Dengan N hambatan R L =594 Ω, maka 594( ρp) 142 = 4 kt f e 2 Jika kapasitas fotodiode C d = 1 pf, lebar bidang yang terkecil adalah : f = f 3 db = 1 2π (594)(1x10 12 268MHz ) = Untuk suhu 300 K, angka derau 2, dan ketanggapan detektor 1 A/W, makaa kepekaan penerima 1 P = ρ (142)(4kT e f ) 594 = 1,46 µw(-28,4 db) 1 = ρ (142)(4 1,38 10 300 2,68 10 594 23 23 Dibanding dengan kepekaan terbatasi kuantum (-59,7 dbm), maka kepekaan terbatasi derau termal ini adalah 31,3 db Iebih baik. Namun, karena aras daya pada penerima hanya -30 dbm (menurut perhitungan terdahulu), kepekaan tersebut ternyata -28,4 (-30) = 1,6 db Iebth rendah dan yang diperlukan. Jadi diode PIN berterminasi resistor tidak dapat dipakai (kurang peka).
Peningkatan kepekaan dapat diperoleh dengan menggunakan sisi depan penerirna yang berimpedans atau beriransimpedans tinggi. Penyama (equalizer) perlu ditambahkan pada penerima dan untuk operasi 400 Mbps, penerima PINFET irnpedans dan translinpedans tinggi InGaAs hybrid telah tersedia dengan kepekaan sekitar -32 dbm (power margin 2 db). Fotodiode guguran InGaAs lebih peka daripada PINFET impedans tinggi tersebut pada wilayah panjang-gelombang besar. Tercatat kepekaan APD = -40 dbm, sehingga terdapat power margin 10 dbm. IV-5 PENERAPAN OPTOELEKTRONIKA DALAM BIDANG MILITER Komponen-komponen elektronika yang digunakan dalam bidang militer biasanya mempunyai standar yang khusus, karena media penggunaannya yang cukup berat, penuh gangguan fisis maupun nonfisis. Komponen yang digunakan harus mempunyai keandalan yang tinggi. Komponen-komponen optoelektronika menawarkan keunggulan -keunggulan yang cocok digunakan dalam bidang militer, baik sebagai komponen di pusat pengendali maupun pada peralatan-peralatan militer. Pengolahan data yang besar di pusat pengendali memerlukan lebar bidang media penyalur informasi yang tinggi, kebal terhadap induksi elektromagnetis, kebal terhadap pengaruh lingkungan seperti perubahan suhu, kelembaban, dan terhadap bahan yang menyebabkan korosi. Peralatan-peralatan militer harus memenuhi persyaratan - persyaratan yang khusus dan mempunyai keandalan yang prima, karena medan penggunaarmya yang sangat berbeda dengan peralatan-peralatan yang digunakan pada bidang sipil. Dengan keunggulan-keunggulan yang ditawarkan oleh komponen-komponen optoelektronika maka tantangan masalah-masalah tersebut akan dapat diatasi. Peralatan-peralatan militer yang bersifat mobil lebih banyak mengalami gangguan-gangguan baik fisis maupun nonfisis. Gangguan fisis meliputi goncangan, benturan, dan sebagainya. Gangguan nonfisis meliputi ancaman keamanan terhadap data yang akan diolah. Berat peralatan-peralatan militer yang bergerak yang biasanya menggunakan instalasi kabel logam dapat dikurangi dengan mengganti jalur-jalur transmisi tersebut dengan serat optis dengan pertimbangan-pertimbangan yang cukup matang. Misalnya pada pesawat tempur, peluru kendali, kapal perang, peralatan untuk komunikasi, dan sebagainya.
IV-6 PENERAPAN OPTOELEKTRONIKA PADA PERALATAN YANG BERGERAK (MOBILE APPLICATION) Kelincahan gerakan suatu peralatan antara lain ditentukan oleh berat peralatan sendiri. Terutarna dengan rnemanfaatkan watak serat optis yang ringan, komponen mi digunakan pada peralatan yang bergerak, antara lain pesawat udara, kapal laut, tank tempur, dan sebagainya. Pada pesawat terbang dan kapal laut, berat komponen-komponen diusahakan sekedil mungkin agar gerakannya lincah dan jumlah kemampuan muatan bertambah. Kecenderungan automatisasi pada pesawat terbang memerlukan data dan pengolah data yang lebih banyak, baik untuk komunikasi, navigasi, maupun pengendalian pesawat. IV-7 PENERAPAN OPTOELEKTRONIKA DI BIDANG INSTRUMENTASI, ROBOTIKA, DAN KEDOKTERAN Seperti halnya piranti-piranti elektronis, piranti-piranti optoelektroms juga banyak digunakan dalam bidang instrumentasi, baik sebagai pengganti sensor maupun piranti pengolali datanya. Di bidang robotika, piranti-piranti optoelektronis banyak digunakan, baik pada sensor maupun pada komputer pengendalinya. Di bidang kedokteran, penggunaan piranti-piranti optoelektronika sudah merupakan kebutuhan utama, naik sebagai sensor maupun alat-alat kedokteran lainnya. Dan fakta-fakta yang telah ada dan studi kelayakan yang dilakukan oleh para ahli, tidak mustahil di masa mendatang sistem-sistem eletronis akan menjadi teknologi yang usang dan digantikan oleh teknologi moderen optoelektronika.