Program Pasca Sarjana, Magister Teknik ElektroUniversitas Gunadarma

Kuliah Ke-8Devais Photonik

Achmad Benny MutiaraTeknik Informatik

Fakultas Teknologi IndustriUniversitas Gunadarma

Salemba Raya, Januari 2002

POKOK BAHASAN==================

8.1 Transisi Radiatif dan Absorpsi Optikal8.2 Light Emitting Diode (LED)8.3 Diode Lasers (Light Amplification by StimulatedEmission of Radiation)mengkonversi energi listrikmen-jadi energi optikal8.4 Photodetectors à mendeteksi sinyal optic secaraelektronik8.5 Solar Cells

Pengantar==============

• Photonic devais: devais dimana Photon (kuanta ca-haya) memainkan peranan– Light Emitting Diode (LED) → mengkonversi en-ergi listrik menjadi energi optikal

– Diode Lasers (Light Amplification by Stimulated Emis-sion of Radiation) → mengkonversi energi listrikmenjadi energi optikal

– Photodetectors→ mendeteksi sinyal optik secaraelektronik

– Solar Cells → mengkonversi energi optikal men-jadi energi listrik

8.1 Transisi Radiatif & AbsorpsiOptikal

==============================================

• Lihat gbr. 1 (spectrum elektromagetik dari daerahoptic dan photon energi)

• Range cahay yang dapat dideteksi oleh mata à 0,4- 0,7 mikrometer

• Konversi dari panjang menjadi energi photon:λ =

c

v=hc

hv=

1, 24

hv (eV)µm

8.1.1 Transisi Radiatif=================

• Tiga proses untuk interaksi antara photon dan elek-tron dalam zat padat: absorpsi, emisi spontan, &emisi terstimulasi– Perhatikan gbr. 2: a) absorbsi, b) emisi spontan,dan c) emisi terstimulasi

– E1→ ground state; E2→ excited state– Setiap transisi yang melibat emisi atau absorpsiphoton dengan frekuensi v12 dinyatakan

hv12 = E1 −E2– PadaT kamar, kebanyakan atomberada di groundstate

– Keadaan ground state ini akan terganggu jika se-buah photon dengan energi tepat sama denganhv12 menimpa/mengenai sistem

– Sebuah atomdi keadaanE1mengabsorpsi photondan kemudian berpindah ke keadaan tereksitasiE2

∗ Perubahan dalam keadaan energi disebut prosesabsorpsi (gbr. 2a)

– Keadaan tereksitasi dari atom tidak stabil.– Dalam waktu yang singkat, tanpa adanya stimu-lasi eksternal, atom bertransisi kembali ke groundstate denganmemancarkan photon (berenergi hv12)∗ Proses ini disebut proses emisi spontan (gbr.2b)

– Jika sebuah photon hv12 mengenai sistem padasaat atom berada di keadaan tereksitasi (gbr. 2c),atom dapat distimulasi agar bertransisi ke groundstate danmemancar photon hv12(yang sefase den-gan photon datang)∗ Proses disebut proses emisi terstimulasi

• Proses dominan pada(a) LED→ emisi spontan(b) Laser→ emisi terstimulasi(c) Photodetektor dan solar cell→ absorpsi• Model matematis proses di atas:– Asumsikan populasi E1→ n1 & E2→ n2

– Pada kondisi kesetimbangan thermal dan untukE2 − E1 > 3kT, populasi dinyatakan dalam dis-tribusi Boltzman

n2n1= e−(E2−E1)/kT

= e−hv12/kT

eksponen negatif menunjukkan n2 < n1, yaitu bhwkebanyakan elektron berada pada tingkat energiyang lebih rendah

– KEADAAN STEADY∗ Laju emisi terstimulasi (yaitu jumlah transisi emisiterstimulasi per satuanwaktu) dan Laju emisi spon-tan di imbangi oleh laju absorpsi untuk memper-tahankan→ poppulasi n2 & n1 konstan.∗ Laju emisi terstimulasi proporsional dgn rapatenergimedanphoton ρ(hv12) (energi total dalammedan radiasi per satuan volume dan per satuanfrekuensi)

· Sehingga laju emisi terstimulasi dapat dinyatakansbb

B21n2ρ(hv12)dimana n2 = jumlah elektron di tingkat lebihtinggi; B21konstanta proporsional

∗ Laju emis spontan proporsional hanya dgn pop-ulasi tingkat yang lebih tinggi dan dapat diny-atakan sbb

A21n2dimana A21konstanta proporsional∗ Laju absorpsi ≈ elektron populasi pada tingkatyang lebih rendah dan kerapatan photon ρ(hv12)· Sehingga laju ini dapat dinyatakan

B12n1ρ(hv12)

∗ Jadi dalam keadaan Steady-State berlakuLaju emisi terstimulasi + Laju emisi spontan

= laju absorpsiatauB21n2ρ(hv12) +A21n2 = B12n1ρ(hv12); (#)

∗ Dari pers.(#) kita peroleh jugalaju emisi terstimulasilaju emisi spontan

=B21A21

ρ(hv12); (##)

· Implikasi pers.(##): U/meningkatkan agar lajuemisi terstimulasi > laju emisi spontan, makakerapatan photon ρ(hv12) harus sangat besar.

· U/ mencapai kerapatan yang besar ini, opticalresonant cavity digunakan untukmeningkatkanmedan photon

∗ Dari pers.(#) kita juga memperolehlaju emisi terstimulasi

laju absorpsi=B21B12

·n2n1

¸· Agar emisi terstimulasi > absorpsi, maka ker-apatan elektron pada tingkat yang lebih tinggiharus lebih besar ketimbang kerpatan elek-tron pada tingkat yang lebih rendah.· Kondisi ini disebutpopulation inverse, karenapada keadaan setimbang ’’the reverse is true ’’

∗ Kondisi very large photon field energy den-sity dan population inverse diharapkan, agarlaju emisi terstimulasi > laju absorpsi dan lajutsb juga > laju emisi spontan

8.1.2 Absorpsi Optik================

• Perhatikan gbr.3→ transisi dasar pada sebuah SK• Jika SK disinari (illuminated), photon diabsorpsi agartercipta pasangan e - h

• Gbr. 3a: jika energi photon = energi gap (hv = Eg)• Gbr. 3b: jika energi photon > energi gap→ terciptapasangan e - h dan energi lebih (hv−Eg) didissipasisebagai panas– Kedua proses di atas disebut transisi intrinsik(atau band to band transition)

• Gbr. 3c: juka energi photon < energi gap → pho-ton diabsorpsi hanya jika terdapat keadaan energidi daerah terlarang sebagai akibat chemical impu-rities atau physical defects– Proses disebut transisi ekstrinsik

• Kondisi sebaliknya juga benar, misal elektron padaujung pita konduksi berkombinasi dengan hole padaujung pita valensi, maka photon akan diemisi den-gan energi sama dengan energi gap

• Model matematis– Asumsi: SK disinari dengan photon (hv > Eg) danfluks photon Φ0 (satuan photon per satuan luas

(cm) per detik))– Ketika fluks photon menjalar sepanjang SK→∗ Fraksi photon yang diabsorpsi ≈ intensitas fluks– Dengan demikian, jumlah photon yang diabsoprsidalan jarak yang kecil4x dinyatakan sbb (gbr. 4a)

αΦ(x)4xdimanaα konstanta proporsional, dan disebut koe-fisien absorpsi

– Ingat: pers. kontinuitas

Φ(x +4x)− Φ(x) =dΦ(x)

dx4x = −αΦ(x)4x

dΦ(x)

dx= −αΦ(x); (*)

– Tanda negatif menunjukkan penurunan intensitasfluks photon akibat absorpsi

– Solusi pers. (*), dengan syarat batas Φ(x) = Φ0untuk x = 0

Φ(x) = Φ0 exp(−αx)– Fraksi fluks photon pada x =W (gbr. 4b)

Φ(W ) = Φ0 exp(−αW )– Koefisien absorpsi α merupakan fungsi hv.– Gbr.5 menunjukkan(i) Hasil pengukuran koefisien u/ berbagai SKyang digunakan u/ devais photonik

(ii) Koefisien untuk silikon amorp (garis putus-putus) yang penting untuk solar cells

– Koefisienmenurun secara cepat pada cutoff wave-lenght λc,yaitu

λc =1, 24

Egµm; (9)

karena absorpsi band-to-band optikal menjadi ke-cil jika hv < Eg atau λ > λc.

8.2 LED===========

• LED merupakan p-n junction• Emisi spontan→ ultraviolet, visible atau infrared– Visible LED→ aplikasinya sebgai information linkantara instrument elektronik dgn pemakainya

– Infrared LED→ opto-isolators dan optical-fiber com-munication8.2.1 Visible LED==============

• Gbr. 6→ responmata sebagai fungsi panjang gelom-bang.– Maks. sensitivitas dari mata ≈ 0,555 µm– respon mata akan nol pada ekstrim spektrum vis-ible sekitar 0,4 - 0,7 µm

– U/ normal vision, respon puncak mata → 1 Wattdari energi radian ekuivalen 683 lumen

• Karena mata hanya sensitif thp cahaya dgn energiphoton hv ≥ 1,8 eV (. 0, 7 µm), SK cocok harusmemilik energi gap lebih besar dari 1,8 eV

• Gbr.6 memperlihat energi gap berbagai SK– SK yang paling penting u/ visible LED → sistem

senyawa III-V alloy GaAs1−yPy– Senyawa ini terbentuk jika(i) lebih dari satu unsur group III terdistribusisecara random pada sisi kisi grup III (mis.gallium sites)

(ii) atau ebih dari satu unsur group V terdistribusisecara random pada sisi kisi grup V (mis.arsenic sites)

(iii) NOTASI: ( A & B grup III; C & D grup V; x & yfraksi mole)(A) AxB1−xC atau AB1−yCy (ternary sistem)(B) AxB1−xCyD1−y (quartenary sistem)

• Gbr. 7a: energi gap GaAs1−yPy sebagai fungsi darifraksi mole– U/ 0 < y < 0, 45: energi gap→ direct– U/ y > 0, 45: energi gap→ indirect

• Gbr. 7b: plot energi-momentum– Konduksi band memiliki 2 minima (p̄ = 0→ direct;p̄ = p̄max→ indirect)

– Elektron pada direct minimum di pita konduksi danhole di puncak pita valensi memiliki momentumyang sama

– Elektron pada indirect minimum di pita konduksi

dan hole di puncak pita valensi memiliki momen-tum yang berbeda

– Mekanisme transisi radiatif dijumpai terutama diSK direct-bandgap, misal Ga AS dan GaAs1−yPy(y < 0, 45), karena kekekalan momentum

– Energi photon ≈ energi gap SK– Namun, GaAs1−yPy (dgn y > 0, 45) dan GaP (SKindirect-bandgap) kemungkinan transisi radiatif san-gat kecil, karena interaksi kisi atau agent hambu-ran lain akan terlibat dalamproses pencapaian kekekalanmomentum (to conserve momentum)∗ Sehingga, padaSK indirect, pusat rekombinasikhusus dilibatkan u/ meningkatkan proses radi-atif∗ Pusat rekombinasi radiatif yang efisien padaGaAs1−yPy(y > 0, 45) dapat dibentuk denganmenambahkanNitrogen ke kisi kristal· N akan mengganti atom P· Struktur elektronik kulit luar N mirip P (GrupV), tetapi struktur inti elektronik kedua atom inisangat berbeda.· Perbedaan ini akan menghasilkan level trapelectron yang dekat ke dasar pita konduksi

∗ Pusat rekombinasi yang dihasilkan disebut iso-

electronic centre· Pusat ini sangat meningkatkan kemungkinantransisi radiatif pada SK indirect

• Gbr. 8 menunjukan efisiensi kuantum (yaitu jum-lah photon yang dibangkitkan per pasangan e - h)vs komposisi alloy GaAs1−yPy dgn atau tanpa N im-purity isoelectronic– Efisiensi tanpa N:(i)menurun secara dratis pada range 0, 4 < y <0, 5, karena terdapat perubahan dari directmenjadi indirect pada y = 0, 45

– Efisien dengan N:(i) Lebih tinggi u/ y > 5(ii) kemudian menurun steadily akibat peningkatanseparasi anatar direct dan indirect (gbr. 7b)

Basic LED Structure• Gbr. 9→ konfigurasi flat-dioda– direct LED (infrared): difabrikasi pada substrat GaAs(gbr. 9a)

– indirect LED (orange, yellow, dan green light): di-fabrikasi pada substrat GaP (Gbr. 9b)

– Graded-Alloy GaAs1−yPy layer dibuat secara epi-taksi u/ meminimumkan pusat non-radiatif pada in-

terface yang dihasilkan oleh mismatch kisi.Tiga loss mechanisms u/ mereduksi banyaknya

photon teremisi

1. Absorpsi di dalam material LED2. Reflection loss ketika cahayamelewati/meninggalkanSK menuju udara akibat perbedaan dalam indexrefraksi

3. Refeksi internal dari cahaya dgn sudut lebih besardari sudut kritis θc(gbr. 9a), berdasrkan hukumSNELL

sin θc =n̄1n̄2

dimana cahay bergerak dari medium dgn indeksrefraksi n̄2(u/ GaAs = 3,66 pada λ ≈ 0, 8 µm) kemedium n̄1(yaitu udara n̄1 = 1)– U/ GaAs, sudut kritis kira-kira 16; u/ GaP 17 dgnn̄2 = 3, 45

Karakteritik LED:• Forward current-voltage behaviour mirip p-n junc-tion GaAs

• Pada teganganmaju yang rendah, arus dioda didom-inasi oleh arus rekombinasi non-radiatif akibat utamadari rekombasi permukaan didekat perimeter dari LED-chip

• Pada tegangan maju yang lebih tinggi: arus diodadidominasi oleh arus difusi radiatif

• Pada tegangan yang sangat tinggi: arus dioda di-batasi oleh hambatan seri.

• Arus total dinyatakan sbbI = Id exp

·q(V − IRs)

kT

¸+ Ir exp

·q(V − IRs)

2kT

¸dimana Rs = hambatan seri devais; Id dan Ir arus-arus saturasi akibat difusi dan rekombinasi.

• U/ meningkatkan power output dari LED, Rs dan Irharus direduksiSpektrum Emisi LED:

• Mirip dengan respon mata (gbr. 6)• Lebar spektrum dinyatakan oleh Full Width at HalfMaxium (FWHW) intensity– Lebarnya bervariasi sbg fungsi λ2m, dimana λm pan-jang gelombang pada intensitas maksimum

– Dengan demikian, FWHMmenjadi lebih besar ketikapanjang gelombang di tingkatkan dari visiblemenujuinfrared

– Contoh:∗ pada λm = 0, 55 µm (green), FWHM sekitar 200Å, tetapi ketika λm = 1, 3 µm, FWHM lebih besar

1200 Å.APLIKASI visible LED:

• Dapat digunakan sbg indicator lamps dan displays.• Gbr. 10 menujukan dua LED lamps– LED lampsmengandung sebuah LED-chip dan se-buah plastic lens yang diwarnai∗ untuk digunakan sebagai optical filter dan∗ untuk meningkatkan contras

• Gbr. 11 menunjukan basics format LED-display

8.2.2 Infrared LED==============

• Infrared LED antara– GaAs LED yang mengemisi cahaya sekita 0,9 µm– dan senyawa III-V, seperti quarternaryGaxIn1−xAsyP1−yLED yang mengemisi cahaya sekitar 1,1 - 1,6 µm

• Aplikasi penting infrared LED(a) Opto-isolator, dimana sebuah sinyal masukanatau kontrol di decoupled dari sinyal ouputnya∗ Gbr. 12: opto-isolator yang mempunyai infraredLED sebagai sumber cahaya dan photodiode sbgdetektor∗ Ketika sinyal input diberikan ke LED, cahaya dibangk-itkan, yang selanjutnya dideteksi oleh photodi-ode∗ Cahaya kemudian dikonversi balikmenjadi sinyallistrik sebagai arus yang mengalir melalui resis-tor beban∗ Opto-isolatormentransmisikan sinyal dengan kec.cahaya dan diisolasi secara elektrik, karena tidakterdapat feedback elektrik dari output ke input

(a) Transmisi sinyal optik melalui fiber-optik spt padasistem komunikasi

∗ fiber optik: sebuah wave guide pada frekuensioptik∗ fiber: bentuk gelas yang lentur berdiameter100 µm;∗ fiber: flexible dan dapat menyearahkan (guide)sinyal optik sampai beberapa kilometer kesebuah receiver, mirip dgn cara bagaimanakabel koaxial mentransmisikan sinyal listrik∗ Dua tipe fiber optik (gbr.13):∗ tipe I: (gbr 13a)(A)memiliki cladding layer (SiO2 murni) yang

membalut inti gelas yang terdoping (mis:germanium doped glass)

(B) Glass memiliki indeks refraksi yang lebihtinggi daripada cladding layer

(C) Tipe fiber ini biasa disebut step index fiber(D) Cahaya ditransmisikan sepanjang fiber dgn

refleksi internal(E) Sudut kritis untuk refleksi internal sekitar

860 dgn n̄1 = 1, 457 (cladding layer) dann̄2 = 1, 460 (core)

∗ tipe II:(gbr. 13b)(A) Disebut Graded index fiber(B) Indeks menurun dari core center

berdasarkan parabolic law

(C) Rays transversing menuju ke cladding layermemiliki kecepatan yang lebih tinggi (akibatindeks refraksi yang lebih rendah) ketimbangdi core center

(D) Penyebaran Pulsa secara signifikan akandireduksi

(E) Ketika cahaya ditransmisikan sepanjangfiber-optik, sinyal chaya akan di-attenuated

(F) Akan tetapi, akibat transparansi dariultarpure silicate yang digunakan untukmaterial fiber dalan range panjanggelombang 0,8 - 1,6 µm, attenuation menjadibenar-benar rendah dan sebanding dgn λ−4

(G) Typical attenuation: 3 dB/km u/ λ ≈ 0, 8µm; 0,6 dB/km u/ λ ≈ 1, 3 µm; 0,2 dB/km u/λ ≈ 1, 55 µm

∗ Gbr. 14: sistem komunikasi fiber-optik point-to-point yang sederhana.· Sinyal listrik masukan dikonversi menjadisinyak optik dgn mengunakan optical source(LED or Laser)· Sinyal optik di-coupled ke fiber danb ditran-sisikan ke photodetektor dimana sinyal tsb.dikonversi balik menjadi sinyal listrik

• Salah satuKONFIGURASI DEVAISLED sbg optical-fiber communication → surface-emitting LED (gbr.15)∗ Cahaya diemisikan dari daerah permukaan pusatdan di-coupled ke fiber optik.∗ Substrate SK sangat tipis (very thin) 10 - 15 µm,untukmeminimumkan absorpsi danmembuat ujungdari fiber sangat dekat ke permukaan emisi.∗ Penggunaan heterojunction akan meningkatkanefisiensi yang dihasilkan akibat pengurungan car-rier oleh layers dari SK higher-bandgap yangmen-gelilingi daerah rekombinasi radiatif∗ Heterojunction dapat juga berfungsi sebagai jen-dela optis thp radiasi teremisi, karena higher-bandgapconfining layers tidak mengabsorpsi radiasi darilower-bandgap emitting region.

– Sinyal listrikmasukan secara umumdimodulasi padafrekuensi tinggi.∗ mengakibatkan pemunculan direct modulation dariinjected current pada sebuah LED∗ Elemen parasitik spt kapasitasi layer depletiondan resistansi seri dpt menyebabkan suatu de-lay dari carrier injection ke junction∗ dan konsekuensinya, suatu delay pada sinyal out-

put.∗ Ultimate limit seberapa cepat sinyal output da-pat divariasikan tergantung pada carrier lifetime,yg ditentukan oleh berbagai proses rekombinasi,spt surface recombination∗ Jika arus dimodulasi pada frekuensi angular ω,light output P (ω) dinyatakan

P (ω) =P (0)p1 + (ωτ )2

dimana P (0) = light output ketika ω = 0; τ =carrier lifetime.∗ ModulationBandwith4f didefinisikan sbg frekuensiketika light output terreduksi menjadi 1/2 dari ketikaω = 0, yaitu

4f = 4ω

2π=

1

2πτ∗ Gbr. 15 menunjukan pengukuran output powersbg fungsi dari modulation bandwith· Tampak output powermenurun ketika4f meningkat.· Garis tebal dan putus: hasil terbaik u/ LEDGaxAl1−xAdan InxGa1−xAsyP1−y· output power LED GaxAl1−xAs kira-kira 50%lebih tinggi dari LED InxGa1−xAsyP1−y untuk selu-ruh bandwith· Hal ini dikarenakan: energi photon 0,85 µm

(1,46 eV) lebih besar sekitar faktor 1,5 dari-pada energi photon 1,3 µm (0,95 eV), dan out-put power dari LED GaxAl1−xAs ditingkatkandengan faktor yang sama.

8.3 Laser Semikonduktor===============================

• Laser SK mirip laser Ruby dan laser gas helium-neon dalam hal(a) Radiasi emisinya sangat monokromatik(b) Menghasilkan berkas cahaya/sinar yang sangatterarah

• Laser SK berbeda dari laser lainnya:(a) Ukurannya kecil (panjang sekitar 0,1 mm)(b) Mudah dimodulasi pada frekuensi tinggi den-gan serderhana melalui pemodulasian aruspembiasan.∗ Karena properti unik ini, laser SK menjadi· sumber cahaya yang sangat penting untukkomunikasi fiber-optik· digunakan pada video recording, opticalreading, dan high-speed laser printing· Tambahan, dapat digunakan high-resolutiongas spectrocopy dan atmosphere pollutionmonitoring

8.3.1 Material SK===============

• SK→ direct bandgap– Hal ini diharapkan, karena momentum kristal akankekal (conserved), dan sehingga kemungkinan tran-sisi radiatif pd SK direct-bandgap menjadi tinggi

• Panjang gelombang emisi laser→ 0, 3− 30 µm– GaAsmaterial pertama yangmampumegemisi ra-diasi laser; dan kemudian

– Alloy senyawa III-V• Dua sistem alloy senyawa III-V penting:– AlxGa1−xAsySb1−y dan GaxIn1−xAsyP1−y8.3.2 Struktur Laser================Tiga Struktur Laser (gbr. 18):

1. Homojunction laser (laser p-n junction) (gbr. 18a):– Memiliki material SK yang sama pada kedua sisijunction

– Pasangan bidang paralel di cleaved/polishedtegak lurus thp sumbu <110>

– Dibawah kondisi bias tertentu, sinar laser akandiemisi dari bidang ini

– Strukture disebut juga Fabry-Ferot cavity(panjang' 300 µm)→ banyak digunakan u/ laserSK modern

2. Double-heterostructure (DH) laser (gbr. 18b)– Sandwitch thin layer SK (mis. GaAS) diantaralayer-layer SK yang berbeda (mis. AlxGa1−xAs)

– Laser difabrikasi menggunakan teknik pertum-buhan kristal epitaksi

– Memerlukan arus operasi yang lebih sedikitketimbang homojunction laser

3. DH laser dengan stripe geometry (gbr. 18c)– Oxide layer mengisolasi semua kecuali stripecontact∗ Konsekuensi: the lasing area terbatas padanarrow region under the contact.

– Lebar stripe 5 - 30 µm– Keuntungan stripe:(i)mereduksi arus operasi,(ii) eliminasi daerah multiple-emission sepanjangjunction

(iii)meningkatkan reliability yang merupakan hasildari pemindahan kebanyak perimeter junction

8.3.3 Operasi Laser

Population Inversion (PI)• Seperti pd 8.1.1, untuk meningkatkan emisi stimu-lasi bagi operasi laser diperlukan population inver-sion

• U/ mencapai PI, diasumsikan p-n junction dibentukdiantara degenerate SK, yaitu satu sisi junction didoping cukup tinggi sehingga level Fermi berada dibawah ujung pita valensi pada sisi-p dan diatas ujungpita konduksi di sisi-n

• Gbr. 19a: kondisi kesetimbangan thermal• Gbr. 19b: difoward bias, elektron diinjeksi dari sisi-ndan hole diinjeksi dari sisi-p ke daerah transisi

• Gbr. 19c: bias cukup besar, injeksi tinggi terjadi,yaitu konsentrasi besar elektron dan hole diinjeksike daerah transisi– Sebagai hasil: region d mengandung konsentrasibesar elektron di pita konduksi dan konsentrasi be-sar hole di pita valensi. KONDISI INI→ kondisi PI

• U/ transisi band-to-band, energi minimum yg diper-lukan adalah energi gap.– Sehingga kondisi penting untuk PI:

EFC −EFV > EgCarrier and Optical Confinement

==========================• Gbr. 20 menunjukkan representasi skematik dia-gram band dibawah kondisi forward-bias

• Gbr. 20a: profile indeks refraksi dan distribusi medanoptik u/ homojunction laser

• Gbr. 20b: profile indeks refraksi dan distribusi medanoptik u/ DH laser– Tampak pada DH laser, carrier terkurung pada ke-dua sisi dari daerah aktif oleh barrier heterojunc-tion, sedangkan pd Homojunction laser carrer da-pat bergerakmenjauhi daerah aktif dimana rekom-binasi radiatif terjadi

• Medan optikal juga terkurung di dalam daerah aktifmelalui abrupt reduction dari indeks refrakasi di luardaerah aktif

• Gbr. 21 menjelaskan peristiwa pengurungan optis– Tiga layer wave guide dielektrik dgn indeks refrak-tive n̄1, n̄2, dan n̄3,dimana sandwitch layer aktif be-rada diantara dua layer pengurung (confinement)(gbr. 21a)

– Dengan kondisi n̄2 > n̄1 ≥ n̄3 sudut berkas sinarθ12 pd interface layer 1/layer 2 (gbr 21b) melebihisudut kritis (pers.Snell diatas)

– Situasi yang sama terjadi untuk θ23pada interfacelayer 2/layer 3

– Dengan demikian, jika indeks refraksi pada layeraktif lebih besar daripada indek layer sekelilingnya,propagasi radiasi EM di guided (cofined) pada su-atu arah paralel thp interface layer

– Didefiniskan confinement factor Γ sbg ratio an-tara intensitas cahaya di dalam aktif layer dgn jum-lah intensitas cahaya keduanya di dalamdan diluardaerah aktif

Γ ' 1− exp(−C4n̄d)dimanaC konstanta,4n̄ perbedaan indeks refraksi,dan d ketebalan layer aktif∗ Jelas tampak, jika 4n̄ dan d bertambah besar,maka Γ menjadi lebih tinggi.

Threshold Current Density====================

• Salah satu parameter penting u/ operasi laser adalahkerapatan arus ambang Jth, yaitu kerapatan arusminimum yg diperlukan sehingga lasing terjadi.

• Gbr. 22: perbandingan Jthvs temperatur operasi u/laser homojuntion dan laser DH

• CATATAN:– Ketika T meningkat Jth u/ laser DHmeningkat jauhlebih lambat ketimbang Jth u/ laser homojunction.

– Karena nilai Jthrendah u/ laser DH pd T = 300 K,laser DH dapat dioperasikan terus menerus (con-tinuously) pada Temp. kamar.

– Karakteristik ini menyebabkan laser banyak digu-nakan pada sistem komunikasi fiber-optikGain g ( fluks energi optis yangmeningkat per sat-

uan panjang) bergantung pada kerapatan arus• g dapat dinyatakan sbg fungsi dari kerapatan arusnominal Jnom– Jnom didefinisikan untuk unity quantum eficiency(yaitu jumlah pembawa yang digenerasi per pho-ton, η = 1) sebagai kerapatan arus aktual, diru-

muskan sbbJ (A/cm2) =

Jnomd

η; (15)

dimana d ketebalan layer aktif (dalam µm);• Gbr. 23: perhitungan gain u/ laser DH GaAs.– Gain meningkat secara linier thp Jnom u/ 50 ≤ g ≤400 cm−1.

– Garis linier putus-putus dinyatakan sbb:g =

g0J0(Jnom − J0); (16)

dimana g0/J0 = 5× 10−2 cm-µm/A; J0 = 4, 5× 103A/cm2-µmDalam diskusi sebelumnya, pada arus yang ren-

dah tedapat emisi spontan pada semua arah# ketika arus meningkat, gain meningkat (gbr. 23)sampai ambang u/ lasing dicapai→ yaitu smpai gain memenuhi kondisi bhw gelom-bang cahaya membentuk transvesal penuh di cavitytanpa attenuation:

R exp [(Γg − α)L] = 1

atauΓg(threshold gain) = α +

1

Lln

·1

R

¸; (18)

dimana- Γ confinement factor,-α loss per satuan panjang akibat absorpsi danmekanisme

hamburan lainnya.- L panjang cavity (lihat gbr 18 dan 21),- R reflektansi dari ujung cavity (di asumsi R padakedua ujung sama)

Kombinasi pers. (15), (16), dan (18)

Jth (A/cm2) =J0d

η+ J0

d

g0ηΓ×·

α +1

Lln

·1

R

¸¸; (19)

$ Untuk mereduksi Jth, kita meningkatkan η,Γ, L,Rdan menreduksi d dan α.

8.3.4 Karakteristik Laser===================

• Gbr 24: perbandingan antara hasil perhitungan Jthberdasarkan pers. (19) dgn hasil eksperimental u/laser DHAlxGa1−xAs-GaAS (x = komposisi aluminium)– Kerapatan arus ambang menurun dengan menu-runnya d,mencapai suatuminimum dan kemudianmeningkat

– Peningkatan Jth pd ketebalan layer aktif yang san-gat sempit diakibat oleh ’’poor optical cofinement ’’

• Gbr. 25: Ketergantungan temperatur dari Jth u/ su-atu laser DH AlxGa1−xAs-GaAS stripe geometry cw.– Gbr. 25a: keluaran cahaya cw vs arus injeksi padaberbagai temp. antara 25 - 1150C

– CATATAN:∗ Linieritas yang sangat baik pada karakteristik light-current:· Arus ambang pd temp. tertentu merupakan ni-lai ekstrapolasi untuk power output nol

– Gbr. 25b: plot arus ambang sbg fungsi dari tem-peratur.∗ Arus ambang meningkat secara eksponensial

Ith ≈ exp·T

T0

¸dimana T dalam 0C;T0 = 1100 C u/ laser.Untuk komunikasi fiber-optik, sumber optik harus

dapat dimodulasi pada frekuensi tinggiTidak spt LED yang power output menurun dgn

meningkatnya bandwith modulasi, power output laserGaAs atau GaInP tetap pada level konstan (mis. 10mW per facet) pada frekuensi dgn range GHz.• Gbr. 26: spektrum emisi dari laser tipikal.– Pd arus rendah: emisi spontan memiliki distribusispektral yang lebar dgn intensitas FWHW 10 0 -500 Å

– Ketika arus mendekati ambang: distribusi spek-trum menjadi lebih sempit

– Diatas ambang: laser mendekati emisi monokro-

matik hampir-sempurna dgn lebar spektrumdalamorde 1 - 10 Å.

• Gbr. 27: spektrum emisi resolusi tinggi u/ sebuahlaser DH InP-GaxIn1−xAsyP1−y stripe geometry– Strip dibentuk melalui pemboman proton dari areaadjacent ke stripe u/ memproduksi daerah high-resistivity

– Daerah lasing dibatasi oleh daerah pusat yg tidakdibombardir

– Pada arus diatas ambang: terdapat banyak garis-garis emisi yang diposisikan mendekati nilai ratadgn jarak pemisah ' 7, 5 Å.

– Garis emisi ini termasuk mode longitudinal (akanditurunkan dibawah)∗ Pada Fabry-Ferot Cavity (gbr. 18 dan 21a):· jika jumlah genap 1/2-panjang gelombang tepatdiantara dua bidang ujung, sinar yang koher-ent dan dikuatkan akan direfleksi bolak-balikdi dalam cavity.· Dengan demikian, u/ emisi terstimulasi, pan-jang cavity memenuhi kondisi

m

·λ

2n̄

¸= L

ataumλ = 2n̄L; (21a)

dimanam bilanga integer dan n̄ indeks refraksipd SK yg terkait dgn panjang gelombang λ

· Separasi4λ diantaramode yang diizinkan padaarah longitudinal merupakan perbedaan dalampanjang gelombang yang berkorespondensi dgnm dan m+1· Turunkan pers.(21a) thp λ :

4λ =λ24m

2n̄L [1− (λ/n̄)(dn̄/dλ)]· Karenamode longitudinal ini, laser stripe geom-etry bukanmerupakan spectrally pure light source.

∗ Laser dapat mengemisi sinar diatas range seki-tar 50 Å,spt tampak pada gbr.27· Untuk sistem komunikasi fiber-optik, sumbersinar ideal adalah sumber ygmemiliki frekuensitunggal.· Hal ini karena pulsa sinar dari frekuensi berbedaakan melintasi fiber optik dgn kecepatan yangberbeda· Akibatnya→ pulsa spread

• LASER DASAR STRIPE GEMOETRY– telah dimodifikasi dgn berbagai cara u/ mencapai

operasi frekuensi tunggal– Pendekatannya adalah cleaved-coupled cavity (C3)laser(gbr 28a)

– Laser C3 terdiri dari two standard Febry-Ferot cav-ity laser diodes∗ self-aligned dan very closely coupled sehinggamembentuk dua cavity resonator.

8.4 Photodetector (PD)===========================

• Devais SK yang mampu mengkonversi sinyal optismenjadi sinyal listrik

• Operasi PD meliputi tiga langkah(a) Generasi pembawa oleh sinar datang (incidentlight)

(b) Transport pembawa dan/atau multiplikasi olehmekanisme penguatan arus apappun yang ada

(c) Interaksi arus dgn rangkain eksternal untukmenghasil sinyal output

• Aplikasinya cukup luas:– sensor infrared pada isolator-optis– detektor pada komunikasi fiber-optik– Note: u/ aplikasi ini photodetector harus memiliki∗ sensitivitas yang tinggi pada panjang gelombangoperasi∗ kecepatan respon yang tinggi∗ Noise yang rendah∗ Harus kompak,∗ Menggunakan teganang bias atau arus yg ren-dah

∗ dan reliable dibawah kondisi operasi yg diper-lukan8.4.1 Photoconductor================

• Terdiri dari sebuah lempeng SK dgn kontak ohmikpada kedua ujung dari lemping (gbr. 29)

• Ketika sinar jatuh pd permukaan photokonduktor, pasan-gan e - h digenerasi baik melalui transisi band-to-band (intrisik) atau transisi dgn melibatkan tingkatenergi daerah terlarang (ekstrinsik),– Hasilnya: peningkatan konduktivitas– U/ intrinsik photoconductor, konduktivitasnya

σ = q(µnn + µpp)

∗ dan peningkatan konduktivitas dibawah illuminasidiakibat utama karena peningkatan jumlah pem-bawa∗ Panjang gelombang cutoff dalamhal ini dinyatakanoleh pers.(9)

– U/ ekstrinsik photodetector, eksitasi photo terjadiantara ujung pita dan sebuah level energi di dalamband gap∗ Dalam hal ini, panjang gelombang cutoff diten-tukan oleh kedalaman level energi forbidden-gap

• Andaikan operasi photoconductor dibawah illuminasi.– Pada t = 0, jumlah pembawa digenerasi dalam su-atu unit volume untuk fluks photo n0

– U/ waktu kemudian, jumlah pembawa n(t) pd vol-ume yang sama meluruh melalui rekombinasi

n(t) = n0 exp

·− tτ

¸dimana τ lifetime pembawa.

– Denga kata lain, laju rekombinasi adalah 1/τ .– Jika diasumsikan arus steady dari fluks photon ygmengenai secara uniform permukaan photodetec-tor (gbr 29) dgn luas A = WL, jumlah total photonyang datang ke permukaan

Popt/hv per satuan waktudimana Popt power optikal datang dan hv energiphoton

• Pada keadaan steady, laju generasi pembawa harussama dgn laju rekombinasi.– Jika ketebalan detektor D jauh lebih besar darilight penetartion depth 1/α,

– Laju generasi pembawa steady-state per satuanvolum

G =n

τ=

η(Popt/hv)

WLD; (25)

dimana η = efisiensi kuantum dan n jumlah pem-bawa per satuan volume (kerapatan pembawa).

– Arus photoIp = (σξ)WD

= (qµnnξ)WD

= (qnvd)WD; (26)dimana ξ medan listrik di dalam photodetector danvd carrier drift velocity.

– Subtitusi pers.(25) ke (26)

Ip = q

·ηPopthv

¸ ·µnτξ

L

¸– Jika didefinisikan arus photo sbb

Iph ≡ q·ηPopthv

¸gain arus photo dari pers.(26)

Gain ≡ IpIph

=µnτξ

L=

τ

trdimana tr = carrier transit time.

– Gain tergantung pada ratio dari lifetime dan transittime.