Sumber Optik LED Sumber Optik LASER Kopling Daya Foto

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

0 downloads 54 Views 3MB Size
Sumber Optik LED Sumber Optik LASER Kopling Daya Foto detector PIN dan APD

Sumber Optik LED 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)

“LASER”

“LED”

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

• 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

• Konsentrasi elektron dan hole dikenal sebagai konsentrasi pembawa intrinsik (intrinsic carrier concentration):

Dimana:

K T kB m h me mh Eg ni

: konstanta karakteristik material : suhu mutlak : konstanta Boltzman = 1.38 x 10-23 J/oK : massa diam elektron = 9.11 x 10-31 Kg : Konstanta Planck = 6.626 x 10-34 JS : massa efektif elektron : massa efektif hole : energi gap (band gap energy) : 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 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

(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 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 :



Bahan intrinsik : pn = p0n0 = ni2 – p0 – n0 – ni

Laju pembangkitan = Laju rekombinasi

: konsentrasi hole seimbang : konsentrasi elektron seimbang : 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 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

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”

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

sambungan.

bergerak

(melintasi)

daerah

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

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”

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)”

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 Eph dan momentum kph

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 dan wavelength dengan lattice constant pada suhu 300 K. Garis putusputus 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. 2.

Emisi permukaan/depan atau Burrus 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 shg HPBW 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 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

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 sebagai fungsi 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 perangkat panjang gelombang yang panjang dibuat dengan substrat InP

• Garis horisontal ditarik ke 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 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  no e  Δno τ t

: kepadatan ekses elektron yang diinjeksikan diawal : carrier lifetime bergantung kepada komposisi material : waktu/ lamanya injeksi

• 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 (ηint):  int  – Rr – Rnr

Rr Rr  Rnr

: laju rekombinasi radiatif per satuan volume (jumlah photon yang dihasilkan secara radiatif setiap detiknya/ jumlah photon per detik) : laju rekombinasi nonradiatif

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: I dimana, q adalah muatan photon (1.602 x 10-19 C) Rr  Rnr  q • Dengan melakukan substitusi dari persamaan sebelumnya, sehingga didapatkan:

Rr 

 int I q

• 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:

hcI Pint   int q

h c λ I

: konstanta planck (6.6256 x 10-34 J.s) : kecepatan cahaya (3 x 108 m/s) : panjang gelombang (m) : besarnya arus yang diinjeksikan ke LED (A)

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 (ηint), daya power internal (Pint)

Jawaban 

1

r



1

 nr



1 1   23.1( ns ) 30 100

 23.1  int    0.77 r 30

hcI (6.6256 x10 34 J .s )(3x108 m / s )(0.04 A) Pint   int  0.77  29.2mW  19  6 q (1.602 x10 C )(1.31x10 m)

Tanggapan transien • Asumsi dasar pendekatan tanggapan transien : – Kapasitansi muatan ruang junction Cs bervariasi lebih lambat karena arus dibanding dengan kapasitansi difusi Cd dipandang 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: t1 / 2 

• Rise time 10 s/d 90 %: Ip Is τ kB T q

Ip Cs ln   ln 2 I p Is

 C  t10 90   s    ln 9  I p   

: amplitudo fungsi tangga arus utk memacu LED : arus saturasi dioda : lifetime pembawa minoritas : konstanta boltzman (1.38 x 10-23 J/K) : absolut temperatur pada pn junction : muatan photon (1.602 x 10-19 C)



q 2k BT

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

“Emisi Laser”

“Tiga proses utama pada Emisi Laser”

isotropic, random phase, narrowband gaussian

In phase with incident 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 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

“Ruang Resonator/ cavity side”



Radiasi optis dalam ruang resonansi menentukan pola garis medan listrik dan magnet disebut mode dari cavity (modes of the cavity)



Mode 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 dng panjang ruangan L Menentukan spektrum frekuensi radiasi optis yg diemisikan Jika L > λ maka > 1 modus longitudinal

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”

• 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 αt R1, R2 L Γ

: penguatan optis lasing (threshold) : loss total : koefisien absorbsi efektif bahan pada lintasan optis : Reflektifitas ujung laser 1 dan 2 : panjang ruang resonansi : faktor optical confinement (bagian daya optis di active layer)

Arus threshold Ith: ekstrapolasi daerah lasing dari kurva daya terhadap arus

“Hubungan antara daya keluaran optik dengan arus pacu dioda laser”

Efisiensi kuantum diferensial eksternal • Efisiensi kuantum diferensial eksternal ηext adalah jumlah photon yg diemisikan setiap rekombinasi pasangan elektronhole radiatif diatas threshold ηi : efisiensi kuantum internal, hasil pengukuran pada suhu 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: Maka:

β = 2лn/λ

Keterangan L β n f λ m c

: panjang ruang resonansi : konstanta yang nilainya bergantung pada : indeks bias : frekuensi : panjang gelombang : integer : kecepatan cahaya (3 x 108 m/s)

spesifikasi konstruksi dari Laser

Setiap frekuensi berkaitan dengan modus osilasi. Tergantung pada struktur laser akan terdapat beberapa frekuensi  laser singlemode dan multimode

• Relasi antara penguatan dan panjang gelombang dapat diasumsikan berbentuk gaussian:    2    o   2 2    g ( )  g (0). e keterangan: λo : panjang gelombang di pusat spektrum σ : lebar spektral penguatan g(0) : penguatan maksimum yang sebanding dengan inversi populasi

Jarak antara 2 frekuensi yang berdekatan : Jarak antara 2 panjang gelombang yang berdekatan:

f 

 

c 2 Ln

2 2 Ln

“spektrum dari multimode dioda laser dengan material 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 c 3x108 f    81(GHz ) 2 Ln 2 x500 x10  6 x3.7

2  850 x10 9    2       0.2( nm) 2 Ln 2 x500 x10  6 x3.7

   2    o   2 2   

g ( )  g (0). e g ( )  0.5 g (0)    2    o   2 2   

 0.5 e  ( 2 x10  9 ) 2    2   2  0.5 e   1.7( nm)

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 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

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 dasar pembatasan 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 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

“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: 2ne  B  k

Λ ne k

: perioda gelombang : indeks bias efektif modus : orde grating

• Modus longitudinal dipisahkan simetris sekitar λB : B 2 

1   B  m   2ne Le  2

m Le

: orde mode (0,1,2….), ex: firstorder mode (m=1), zero order (m=0) : panjang efektif grating

“Spektrum keluaran terdistribusi sekitar λB dari dioda laser DFB”

”Sifat daya keluaran optis yang bergantung pada suhu”

“Konstruksi pemancar dioda laser menggunakan thermoelectric 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 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

• Efisiensi gandengan: ukuran daya emisi sumber yang dapat digandeng/dikopling ke fiber, yang dinyatakan sebagai berikut: PF  Ps

• keterangan: PF: Daya yang digandeng ke fiber PS: Daya yang diemisikan oleh sumber • catatan: parameter radiansi (brightness) lebih penting dari daya keluaran total dalam efisiensi gandengan

Pola keluaran emisi

Sistem koordinat bola digunakan untuk pengkarakteristikan pola emisi sumber cahaya





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 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:

1 sin 2  cos 2    T B ,  Bo cos  Bo cos L 

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)

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 PLED,step = (a/rs)2 Ps (NA)2

rs ≤ a 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 PLED ,GI

   r 2    2 Ps n1  1   s     2  a    2

PLED ,GI  2 a

2 2

  

B0 n12  1 



2  rs     2 a 

   

rs ≤ a

rs > a

Jika indeks bias medium n berbeda dengan indeks bias inti n1, daya digandeng ke fiber berkurang dengan faktor:

 n1  n   R    n1  n 

2

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:

  2an1  M     2   2



Daya diradiasikan setiap modus PS/M, dari sumber pada suatu panjang gelombang tertentu: Ps  B0 2 M



Dari kedua persamaan tersebut, dua sumber dengan panjang gelombang berbeda tetapi memiliki radiansi yang sama menghasilkan gandengan ke fiber sama besarnya.

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:

 NAeq   Peq  P50   NAin 

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 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)

Beberapa skema pelensaan yang mungkin untuk peningkatan efisiensi 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:

n n' n'  n   s q r

s q n n’ r

: jarak sumber dr pusat lensa : jarak bayangan dr pusat lensa : indeks bias lensa : indeks bias media celah : jari-jari kelengkungan lensa

“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 jarijari kelengkungan positip dan permukaan cekung  jari-jari negatip

• 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, perbesaran daerah emisi M :

M

RL2 rs2

 RL      rs 

2



Daya dapat digandeng ke fiber dengan sudut penerimaan penuh 2θ: 2

 RL  2 PL  Ps   sin   rs  PS : daya keluaran total sumber tanpa lensa

Efisiensi gandengan maksimum :

 max

 a  2   NA2   r   s  1 

untuk

untuk

rs  NA a rs  NA a

Gandengan dioda laser - fiber • Dari hasil pengukuran Laser memiliki pola emisi dengan Full Width at 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 daerah emisi << luas penampang inti fiber  dapat digunakan lensa bulat, silindris atau fiber taper untuk meningkatkan efisiensi.

Fiber collimator

Pigtail collimator

PHOTODETECTOR

93

Detektor Silikon PIN

94

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

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

Detektor PIN

Konfigurasi detektor PIN 97

Sirkit dioda foto pin diberi tegangan mundur

98

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

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.

Ln 

Dn n

Lp 

D p p

Dn : koefisien difusi elektron Dp : koefisien difusi hole

100

Radiasi optis yg diserap material semikonduktor :

P( x)  P0 (1  e

 S (  ) x

)

αs(λ) : koefisien absorbsi pd panj gel λ P0 : daya optis datang P(x) : daya optis diserap sejauh x Upper wavelength cutoff :

hc 1,24 C ( m)   Eg Eg (eV ) Panj gel cutoff Si sekitar 1,06 μm, dan Ge sekitar 1,6 μm

101

Koefisien absorbsi sbg fungsi panj gelombang 102

Contoh Dioda-foto terbuat dr GaAs, memiliki energi band gap 1,43 eV pd 300o K. Panjang gel cutoff :

C atau







hc 6,625 x10 34 J .s 3x108 m / s    0,869 m 19 1,43eV  1,6 x10 J / eV Eg

C 





1,24  0,867 m 1,43

Dioda-foto tidak akan beroperasi utk photon dng panjang gelombang lebih dari 867 nm

103

Jika daerah deplesi memiliki lebar w, maka daya diserap :

P(w)  P0 (1  e

 S w

)

Jika memperhatikan reflektifitas permukaan diodafoto Rf, maka arus foto primer Ip :

Ip

q  S w  P0 (1  e )1  R f  hf

q : muatan elektron hf : energi photon

104

Efisiensi kuantum : Jumlah elektron hole yg dibangkitkan η = -------------------------------------------------------- = Jumlah photon datang

Ip / q P0 / hf

Responsivitas :

 

Ip P0



q

[A/W]

hf

Parameter ini sangat berguna karena menspesifikasikan arus foto yg dibangkitkan tiap satuan daya.

105

Perbandingan responsivitas dan efisiensi kuantum sbg fungsi panj gel 106

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

Avalanche Photodiode (APD)

108

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

Electrode

R

Ip h

SiO2 E

h > Eg

e– +

n p

h+

š

n et

(a)

p+

Electrode

(b) x

Konstruksi p+πpn+ reach-through APD (RAPD) E(x)

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

(c) x Absorption region Avalanche 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. © 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)

110

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

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 :

IM M  IP

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 :

 APD 

q hf

M  0 M 112

Laju ionisasi carrier hasil percobaan

113

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

Pengaruh teg bias thd penguatan arus 115