OPTICAL SOURCESOPTICAL SOURCESOPTICAL TRANSMITTEROPTICAL TRANSMITTER

Keiser, Chapter 4Sumber Optik

       

                    

Fungsi Pemancar OptikMengkonversikan sinyal listrik ke bentuk cahaya dan mengirimkannya ke media transmisi

fiber optic wireless optic media.

Transmitter optik, biasanya terdiri dari gabungan

sumber optik, modulator (direct – indirect)channel coupler.

Diagram Optical Transmitter

Driver

Sumber Optik Modulator Channel Coupler

Fiber Optik

Sumber Sinyal

Modulasi optik cahaya sebagai carrier, shg modulasi baseband bisa bermacam-macam.

Sumber Photon ?Pada dasarnya sumber optik = sumber photonThermal incandecent sources, Non-thermal fluorecent, White light sources, HeNe Sources phosporecent sources and Fluorecent sources, Spontaneous Emission LED Light Emitting DiodesStimulated Emission ILD Injection Laser Diodes dan

Daya Sumber OptikBiasanya dalam orde miliwatt, dBm.Power (dBm) = 10.log10(Power/1mW)

Pada sumber optik LED, dayanya secara umum < - 10 dBm.Pada sumber optik LASER, dayanya dari 0 – 10 dBm.

Aspek Pemilihan ?Fiber :

Geometri fibernyaRedaman, attenuation()Bandwidth, group-delay diatorsionModal characteristic dari fiber

Sumber Source powerSpectral widthRadiation patternModulation capability

Ada apa dibalik LED dan LASER

LED dan LASER berbahan Semikonduktor yang dipilih agar secara fisika mampu menghasilkan cahaya.Biasanya mempunyai struktur PN Junction DiodesPada semikonduktor dilakukan pengaturan doping “minority carrier” pada recombination region, untuk mengatur kondisi dari non radiative (absorbsion) ke kondisi radiatif (spontaneus dan stimulated)

FISIKA SEMIKONDUKTORPerlakuan terhadap sumber optik sama dengan perlakuan terhadap sumber semikonduktor yang lain fisika semikonduktor.Perlu mengetahui istilah dan definisi dari hal-hal yang terkait dengan itu, agar bisa memperdalamnya : apabila diperlukan.

Energi BandSebuah junction PN baru akan aktif apabila berhasil melewati batas energi minimum yang digambarkan sebagai “energi-band”.Konduktifitas junction sangat tergantung pada “conduction band” dan “valence band” yang dipisahkan oleh “energy gap” atau “band-gap”.Besarnya parameter diatas ditentukan oleh konsentrasi “intrinsic dan extrinsic carrier”.

BAND DIAGRAM

Tiga Kondisi Eksitasi

hv

E1

E2

hv

E1

E2

hv

hv

hv

E1

E2

Absorbsi

Spontant

Stimulated

E1 = conduction band

E2 = Valence band

Contoh SoalCarilah konsentrasi carrier intrinsik dari sebuah semikonduktor GaAs pada 3000 K. Lihat contoh 4-1 Keiser. !Kerjakan soal 4-1 dan 4-2 hal 193 …

Intrinsic & ExtrinsicIntrinsic tanpa campuran, impurities. Atau kondisi awal material semikonduktor.Ekstrinsic karena adanya campuran, penambahan satu jenis “carrier” mengakibatkan berkurangnya carrier lain mass action law. Conduction band (electron), Valence band (hole)Muncul dua jenis carrier :

Majority CarriersMinority Carriers

Example 4-2 Keiser hal 146.

PN JunctionAda daerah batas depletion region, space charge region; yang mempunyai barrier potential.Reverse bias dan forward bias menghasilkan produk yang berbeda, terutama apabila diinginkan proses pencahayaan illuminated photodiode.Optical radiation dihasilkan oleh recombination of excess minority carriers dengan forward bias.

Direct and Indirect GapDirect and Indirect Gap merupakan pembagian lain dari semikonduktor ditinjau dari bentuk atau fungsi dari band gap. Direct transisi elektron secara langsungIndirect transisi elektron melalui lebih dari satu tahap, perlu energi photon tambahan Eph.

LED Light Emitting Diodes, diode yang secara spontan mengasilkan photon apabila dikenai arus listrik.Cahaya yang dihasilkan “incoherent” dalam ruang (spatial) ataupun waktu (temporal)Cahaya mempunyai spectral yang lebar, berdistribusi COSINE dengan energi 1 sampai dengan 2kBT.LED cocok untuk fiber multimode karena sifatnya yang tidak coherent.Ada metode “spectral slicing” atau “grating” yang digunakan untuk memecah spectral ke spektrum kecil yang terkendali.

CONTOH LED STRUKTUR

Wavelength vs Intensitas

LED DETAIL100-200 MbpsMultimode FiberParameter :

High radiance (brightness) output watt-degree/m2Fast emission response time BWHigh quantum efficiency

LED structure (1)Perlu mengoptimalkan charge carrier dan stimulantnya agar terhadi optical emission carrier and optical confinement.Bisa direalisasikan dengan homojunction atau heterojunction double heterostructure.

LED Structure (2)Surface Emitter, Burrus, Front Emitter bidang pancar tegak lurus sumbu fiber pola radiasinya lambertian pattern sekitar 1200

Edge Emitter bidang pancar membentuk sudut dengan bantuan lensa.

Material Sumber CahayaMaterial group III (Al, Ga, In) –V (P, As, Sb)Group III untuk 800-900 nm.Full width half maximum (FWHM) group III sekitar 36 nm.Gabungan berbagai material akan menghasilkan FWHM yang berbeda, fig. 4.12.

Quantrum Efficiency ?Besarnya energi yang dibutuhkan untuk menghasilkan energi cahaya.

P = ext.Pint = Pint/(n(n+1)2)

Modulasi LED ?Modulasi pada LED adalah mirip dengan modulasi frekuensi FM.Bahwa tegangan yang diberikan untuk eksitasi LED akan mengasilkan gelombang cahaya dengan l yang berubah-ubah. Sebagaimana ditunjukkan pada gambar 4-16.

LASER BASIC

LASER DIODESMerupakan pengembangan dari LED. Light Amplifier using Stimulated Emission of radiation, a device that emits a high-intensity, narrow-spectral-width, highly directional or near-zero-divergence beam of light by stimulating electronic, ionic, or molecular transitions to higher energy levels and allowing them to fall to lower energy levels. Lasers are capable of producing intense light and heat when focused at close range, and they have many applications in industry, medicine, telecom munications, scientific research, and military operations. (An acronym for light amplification by stimulated emission of radiation.) Demo 1962, praktis 1970 …

LASERDari kondisi spontaneus ditingkatkan energinya dengan cara stimulasi (stimulated emission). Incoming Photon hanyalah berperan sebagai triger bagi sumber photon kedua, yang akan menghasilkan cahaya dengan frekuensi, phase, arah propagasi dan polarisasi yang sama. Yang berbeda adalah intensitasnya. Cara stimulasi adalah menggunakan metode “pumping” dengan menginjeksikan elektron ke layer tertentu, sehingga terjadi kondisi tidak seimbang (in-equilibrium) population inversion.Laser mempunyai keunggulan lain yaitu terpaut dengan “tunability”, “coherent” dan “derectional”. Laser juga bisa diterapkan pada monomode atau multimode fiber

Dioda Laser (2)> 200 MHzResponse time < 1 nsOptical bandwidth < 2 nmDaya > puluhan miliwattMemerlukan LASING CAVITY !!! – Fabry Perot Resonator cavity longitudinal 250 m-lateral 500 m, transfersal 5-15 m.Degree of coherence 0.88

Jenis LASER LaserSingle Longitudinal Mode LASER (SLM)

DFB Structure : Distributed Feedback Laser Diode. Lasing DFB menggunakan konsep reflektor berlapis-lapis (grating) Bragg reflector menggunakan pemantul dengan index refraksi yang berbeda-beda.Coupled Cavity, melalui penataan cavity atau reflektor eksternal sehingga menimbulkan “mode of cavity” yang berbeda external cavity semiconductor laser.

Strukture Dioda LASERHomostrukturDouble heterostructure Burried Double heterostructureSurface Emitter

Lihat Paul E. Green. Jr.

LASER Radiation PatternSecara umum gabungan radiasi LASER sama dengan LED.Tetapi, setiap mempunya yang berbeda-beda gambar 4.21.Dalam laser dikenal metode-metode pengaturan pola confining optical wave.Pengaturan berbasis kurva P-I

Dioda Laser (4)Modulasi bisa untuk > 2.5 Gb/s.Metode CW, ASKMetode FSK, PSKTDMA, CDMA …Direalisasikan melalui bentuk device BULK (3D), Quantum Well (lembaran 2D), Quantum Wire (garis-garis) dan Quantum Dot.

Wireless LASER, Exo.

LINEARITASSumber harus diupayakan linear terutama bila dihubungkan dengan indeks modulasi.Harus disadari bahwa selalu ada harmonisa yang harus diatasi.Penyebab terbesar ketidak linearan adalah suhu.

NOISEShot noise : spontaneus & recombination noise.Modal / speckle noise : dari mode cavity yang tidak sempurnaMode - Partition noise : pembagian mode yang tidak rata.Reflection : adanya pantulan pada saat coupling.

ReliabilityUnjuk Kerja menurun sebagai fungsi waktu

Lifetime. Time to Failure

Operating time sangat tergantung pada suhu operasi figure 4.40.