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

Sumber Optik LED

Sumber Optik LASER

Kopling Daya

Sumber Optik

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

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)

“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

• 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 : konstanta karakteristik material T : suhu mutlak

k_B : konstanta Boltzman = 1.38 x 10-23 _J/oK

m : massa diam elektron = 9.11 x 10-31 _Kg

h : Konstanta Planck = 6.626 x 10-34 _JS

m_e : massa efektif elektron m_h : massa efektif hole

Eg : energi gap (band gap energy) n_i : 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)

(a) Level donor pada bahan tipe n

(b) Ionisasi dari campuran donor menghasilkan peningkatan distribusi konsentrasi elektron

(a) Level akseptor pada bahan tipe-p

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 elektron-hole karena setiap elektron berpindah ke pita konduksi selalu meninggalkan elektron-hole • Proses rekombinasi  elektron bebas melepaskan energi (photon-cahaya) dan turun

dari pita konduksi menuju ke hole yang berada di pita valensi • Kondisi seimbang : Laju pembangkitan = Laju rekombinasi • Bahan intrinsik : pn = p₀n₀ = n_i2

– p₀ : konsentrasi hole seimbang – n₀ : konsentrasi elektron seimbang

• 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

“Difusi (penyebaran) elektron melintasi pn junction menghasilkan potensial barrier (medan

elektrik) di daerah deplesi” 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 tipepdan tipen(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.

“Bias mundur (reverse bias) melebarkan daerah deplesi, tetapi memungkinkan pembawa minoritas

(minority carrier) bergerak bebas” Ketika eksternal baterai dicatu kedalam pn

junction dengan kutub positif dihubungkan

dengan material tipe n dan kutub negatif dihubungkan dengan material tipe p (seperti pada gambar) hubungan ini disebut sebagai reverse bias. Akibat dari reverse bias ini adalah daerah deplesi semakin melebar baik di sisi (p) maupun

(n) sehingga secara efektif mampu meningkatakan barrier potential dan mencegah

majority carrier untuk melintasi daerah

sambungan (pn junction), tetapi minority carrier

tetap bisa bergerak (melintasi) daerah sambungan.

“Bias maju (forward bias) mengecilkan potensial barrier memungkinkan pembawa mayoritas (majority carrier)

berdifusi melintasi junction” 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

Direct dan Indirect band gap

“Rekombinasi elektron dan emisi photon yang berkaitan pada suatu bahan direct-band-gap (elektron dan hole memiliki nilai

momentum sama)”

Semikonduktor

dapat

diklasifikasikan

menjadi dua jenis material yaitu

direct-band-gap atau indirect-direct-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 pada suatu bahan indirect-band-gap

(elektron dan hole memiliki nilai momentum berbeda) membutuhkan energi E_ph dan momentum k_ph

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

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 antarabandgap energy dan

wavelength denganlattice constant pada suhu 300 K. Garis putus-putus vertikal menunjukan nilai lattice contant yang sama

L

ight –

e

mitting

d

iodes

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

Konfigurasi

• Dua konfigurasi dasar :

1.

Emisi permukaan/depan atau Burrus

2.

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 120

o.

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 1

o

_{C ~ 0.6 nm/C}

λ = h.c/E

_g

• 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

– Ga

_1-x

In

_x

As

_y

P

_1-y

--> LEDs and lasers

• 1300 nm (akhir ’80an, awal ’90an, FDDI data links)

• 1550 nm (pertengahan ’90an - sekarang)

Energi bandgap dan panjang gelombang keluaran sebagai fungsi dari bagian molekul Al untuk bahan

Al_xGa_1-xAs pada suhu ruang

Spektrum daya keluaran (pola emisi) LED Al_xGa_1-xAs

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

• Hubungan fundamental quantum-mechanical:

atau

Untuk campuran tiga bahan AlGaAs, besarnya Eg (eV): E_g = 1,424 + 1,266 x +0,266 x2

Untuk campuran empat bahan In_1-xGa_xAs_yP_1-y, besarnya Eg (eV): E_g= 1,35 -0,72 y + 0,12 y2

Contoh

• Bahan Sumber Al

_x

Ga

_1-x

As dengan x = 0,07

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):

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



t

e

o

n

n









• Ekses pembawa dapat berekombinasi secara radiatif maupun non radiatif

• Pada rekombinasi radiatif akan menghasilkan emisi photon

• Jika elektron-hole berekombinasi nonradiatif  melepaskan energi dalam

bentuk panas (vibrasi lattice)

• Efisensi kuantum internal yang terjadi di active region (depletion region) adalah

bagian pasangan elektron-hole yang berekombinasi secara radiatif

• Efisiensi kuantum internal (η

_int

):

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

– R_nr : laju rekombinasi nonradiatif

nr R r R r R   int 

Untuk penurunan eksponensial ekses pembawa, lifetime rekombinasi radiatif :

Lifetime rekombinasi non radiatif :

Efisiensi kuantum internal :

• Jika besar arus yang diinjeksikan ke LED adalah sebesar I, maka jumlah rekombinasi yang terjadi

setiap sekon nya adalah:

• Dengan melakukan substitusi dari persamaan sebelumnya, sehingga didapatkan:

• R

_r

adalah jumlah photon yang dihasilkan setiap sekon nya dimana setiap photon memiliki energi

sebesar hv, sehingga daya optik internal (P

_int

) yang dihasilkan didalam LED adalah sebesar:

q

I

nr

R

r

R





dimana, q adalah muatan photon (1.602 x 10-19 _C)

q

I

r

R





int





q

hcI

P

_{int }

_int

h : konstanta planck (6.6256 x 10

-34_J.s)

c : kecepatan cahaya (3 x 108_m/s)

λ : panjang gelombang (m)

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.

Jawaban

) ( . ns nr r 1 23 100 1 30 1 1 1 _{   }    

77

0

30

1

23

.

.

int







r







mW m x C x A s m x s J x q hcI P 292 6 10 31 1 19 10 602 1 04 0 8 10 3 34 10 6256 6 77 0 . ) . )( . ( ) . )( / )( . . ( . int int _{ }      

Tanggapan transien

• Asumsi dasar pendekatan tanggapan transien :

– Kapasitansi muatan ruang junction C

_s

bervariasi lebih lambat karena arus dibanding dengan

kapasitansi difusi C

_d

dipandang konstan

– Harga C

_s

antara 350 s/d 1000 pF untuk arus menengah sampai besar

• Berdasar asumsi tersebut, rise time sampai titik setengah arus (juga titik setengah daya) LED:

• Rise time 10 s/d 90 %:

2 2 1/  _ ln  ln s I p I p I s C t 9 90 10 _ln          _  p I s C t _T B k q 2  

I_p : amplitudo fungsi tangga arus utk memacu LED

I_s : arus saturasi dioda

τ : lifetime pembawa minoritas

k_B : konstanta boltzman (1.38 x 10-23 _J/K)

T : absolut temperatur pada pn junction q : muatan photon (1.602 x 10-19 _C)

L

ight

A

mplification by

S

timulated

E

mission of

R

adiation

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

“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

• Radiasi optis dalam ruang resonansi menentukan pola garis medan listrik dan magnet disebutmode

dari cavity (modes of the cavity) • Mode longitudinal:

– Berkaitan dng panjang ruangan L

– Menentukan spektrum frekuensi radiasi optis yg diemisikan

– Jika L > λ maka > 1 modus longitudinal • Mode lateral:

– Terletak pada bidang pn junction

– Tergantung dinding sisi samping dan lebar ruang resonator (cavity)

– Menentukan bentuk profil lateral berkas laser (laser

beam)

• Mode transverse:

– Berkaitan dengan medan elektromagnet dan profil berkas laser yang arah nya tegak lurus bidang pn junction

• Moda tersebut menentukan karakteristik laser

• Lasing: kondisi dimana memungkinkan terjadinya penguatan cahaya di dalam laser diode

• Syarat terjadi lasing: ada inversi populasi (population inversion) yang signifikan.

• Inversi populasi bisa terjadi kalau memiliki gain g>g

_th

g_th : penguatan optis lasing (threshold)

α_t : loss total

: koefisien absorbsi efektif bahan pada lintasan optis

R₁, R₂ : Reflektifitas ujung laser 1 dan 2

L : panjang ruang resonansi

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

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

Efisiensi kuantum diferensial eksternal

• Efisiensi kuantum diferensial eksternal η

_ext

adalah jumlah

photon yg diemisikan setiap rekombinasi pasangan

elektron-hole radiatif diatas threshold

η_i : efisiensi kuantum internal, hasil pengukuran pada suhu ruang bernilai antara 0,6 s/d 0,7

Frekuensi resonansi

• Kondisi steady state jika:

– Amplitudo: I (2L) = I (0)

– Phasa: e

-j2βL

_{= 1  2βL = 2πm}

Jika:

β = 2лn/λ

Maka:

Setiap frekuensi berkaitan dengan modus osilasi.

Tergantung pada struktur laser akan terdapat beberapa frekuensi  laser singlemode dan

multimode

Keterangan

L : panjang ruang resonansi

β : konstanta yang nilainya bergantung pada spesifikasi konstruksi dari Laser

n : indeks bias

f : frekuensi

λ : panjang gelombang

m : integer

• Relasi antara penguatan dan panjang

gelombang dapat diasumsikan berbentuk

gaussian:





e

g

g

o



















    



2 2 2

0).

(

)

(

keterangan:

λ_o : 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:

Ln

c

f

2





Ln

2

2









“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 ?

Jawaban

) ( . GHz x x x x Ln c f 81 7 3 6 10 500 2 8 10 3 2      ) ( . . nm x x x x Ln _{2 500 10} 6 _{3 7} 0 2 2 9 10 850 2 2             









) ( . . . ) ( . ) ( ). ( ) ( ) ( nm e e g g e g g x o o 7 1 5 0 5 0 0 5 0 0 2 2 2 9 10 2 2 2 2 2 2 2                                             

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

current-confinement (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

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

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

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:

• Modus longitudinal dipisahkan simetris sekitar λ

_B

:











 





2

1

2

2

m

e

L

e

n

B

B







Λ

: perioda gelombang

n

_e

: indeks bias efektif modus

k

: orde grating

k

e

n

B





2



m : orde mode (0,1,2….), ex:

first-order mode (m=1), zero first-order (m=0)

“Konstruksi pemancar dioda laser menggunakan

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)])

• Efisiensi gandengan: ukuran daya emisi sumber yang dapat digandeng/dikopling ke

fiber, yang dinyatakan sebagai berikut:

• keterangan:

P

_F

: Daya yang digandeng ke fiber

P

_S

: Daya yang diemisikan oleh sumber

• catatan: parameter radiansi (brightness) lebih penting dari daya keluaran total dalam efisiensi

gandengan

s F

P

P





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 B_o normalisasi = 1”

• Pola emisi sumber lambertian: B = B_o cos Ө

• B_o : radiansi sepanjang garis tegak lurus terhadap permukaan emisi

• LED emisi ujung dan laser memiliki pola emisi yang lebih komplek. Perangkat tersebut memiliki radiansi berbeda pada bidang sejajar B(θ,0) dan bidang tegak lurus B(θ,90) terhadap bidang emisi.

• Radiansi dapat didekati dengan formula umum:

 













L o 2 T o 2

cos

B

cos

cos

B

sin

,

B

1

_

_

_{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 = 10

o

_{pada arah lateral (Ф = 0}

o

₎

• Hitung L !

• Berarti: sin Ф = 0 dan cos Ф = 1

• Sehingga  B(θ=5

o

_{, Ф=0}

o

_{) = B}

o

(cos 5

o

)L = ½ B

o

Perhitungan gandengan daya

Gambar sumber optik digandeng ke fiber optik. Daya diluar sudut penerimaan akan loss/hilang

Serat Step Index

• Daya diteruskan ke fiber :

P

_LED,step

= P

_s

(NA)

2

_r

s

≤ a

P

_LED,step

= (a/r

_s

)

2

_P

s

(NA)

2

r

s

> a

P

_s

= л

2

_r

s2

B

0

;

r

_s

: jari-jari daerah aktif (cm);

B

₀

: daya optik yang diradiasikan tegak lurus terhadap

permukaan emisi (W/(cm

2

_.sr));

sr

: steradian

NA

: numerical aperture serat optik

a

: jari-jari inti serat (cm).

Contoh

• LED, r

_s

= 35 μm, pola emisi lambertian pada arah aksial

• 150 W/(cm

2

_.sr)

• Fiber step index 1 : a1 = 25 μm, NA = 0,20

• Fiber step index 2 : a2 = 50 μm, NA = 0,20

Serat Graded Index

                 





a r 2 2 1 n P 2 P_{LED,GI s 1}2 s                  







a r 2 2 1 n B a 2 P_LED,GI 2 2 _{0 1}2 s r_s ≤ a r_s > a

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

2 1 1

n

n

n

n

R

_

















P

_coupled

= (1-R) P

_emitted

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:

• Daya diradiasikan setiap modus P_S/M, dari sumber pada suatu panjang gelombang tertentu:

• Dari kedua persamaan tersebut, dua sumber dengan panjang gelombang

berbeda tetapi memiliki radiansi yang sama menghasilkan gandengan ke fiber sama besarnya.











2 1 an 2 2 M         2 0 s _B M P  

Keseimbangan NA

• Suatu sumber sering dilengkapi dengan flylead.

• NA

_fly

= NA

_f

dan a

_fly

= a

_f

 loss gandengan kecil

• Beberapa puluh meter pertama modus tak merambat dalam fiber  terjadi excess power loss:

• LED emisi permukaan terpengaruh efek tersebut • Laser kurang terpengaruh

• Modus yang menjalar terjadi keseimbangan setelah beberapa puluh meter (sekitar 50 m)

• Daya di titik keseimbangan:















in eq 50 eq

NA

NA

P

P

P50 : daya diharapkan pada titik 50 m

Keseimbangan NA

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:

s : jarak sumber dr pusat lensa

q : jarak bayangan dr pusat lensa

n : indeks bias lensa

n’ : indeks bias media celah

r : jari-jari kelengkungan lensa

r

n

n

q

n

s

n

_

'

_

'



• 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

jari-jari kelengkungan positip dan permukaan cekung  jari-jari-jari-jari

negatip

• Dengan q = ∞, n = 2,0; n’ = 1 dan r = - R

_L

, maka diperoleh:

• S = f = 2 R

_L

• Berarti fokus terletak di titik A.

• Menempatkan LED di dekat permukaan lensa, perbesaran

daerah emisi M :

2 s L 2 s 2 L

r

R

r

R

M

_



















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



2 2 s L

sin

rs

RL

P

P















P_S: daya keluaran total sumber tanpa lensa

Efisiensi gandengan maksimum :

 

























1

NA

r

a

2 ₂ s max



a

NA

r

_s

_

untuk untuk

_NA

a

r

_s



Gandengan dioda laser - fiber

• Dari hasil pengukuran Laser memiliki pola emisi dengan Full Width

at Half Maximum (FWHM):

• Bidang tegak lurus

: 30 – 50

o

• Bidang sejajar : 5 – 10

o

• 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

93

94

95

Syarat foto detektor

• High response atau sensitifitas

• Noise rendah

• Respon cepat atau bandwidth lebar

• Tidak sensitif thd variasi suhu

• Kompatibel dgn fiber

• Murah

96

Detektor foto yg ada

• Photomultiplier (photocathode + multiplier dlm vacum tube)

• Pyroelectric detector (konversi photon ke panas 

konstanta dielektrik)

• Semiconductor-based photoconductor (pin dan APD) cocok u

fiber optik.

97

Konfigurasi detektor PIN

98

99

Photon datang memiliki energi ≥ energi band-gap  photon akan memberikan energinya dan membangkitkan elektron (di depletion region) dr pita valensi ke pita konduksi 

photocarrier.

100 p p p n n n

D

L

D

L









D_n : koefisien difusi elektron D_p : koefisien difusi hole

Carrier bermuatan mengalir melalui material, beberapa pasangan elektron-hole berekombinasi dan hilang. Elektron bergerak sejauh L_n sedang hole bergerak sejauh L_p.

Jarak tsb disebut panjang difusi.

Waktu yg dibutuhkan berekombinasi disebut carrier lifetime, elektron selama



_n dan hole selama



_p.

101

Radiasi optis yg diserap material semikonduktor :

)

1

(

)

(

x

P

₀

e

S

(

)

x

P











α_s(λ) : koefisien absorbsi pd panj gel λ P₀ : daya optis datang

P(x) : daya optis diserap sejauh x

Upper wavelength cutoff :

)

(

24

,

1

)

(

eV

E

E

hc

m

g g C









102

103

Contoh

Dioda-foto terbuat dr GaAs, memiliki energi band gap 1,43 eV pd 300o _K.

Panjang gel cutoff :















m

m

eV

J

x

eV

s

m

x

s

J

x

E

hc

C g C









867

,

0

43

,

1

24

,

1

869

,

0

/

10

6

,

1

43

,

1

/

10

3

.

10

625

,

6

19 8 34











 _ atau

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

104

Jika daerah deplesi memiliki lebar w, maka daya diserap :

)

1

(

)

(

w

P

₀

e

S

w

P









Jika memperhatikan reflektifitas permukaan dioda-foto R_f, maka arus foto primer I_p :



_f



w

p

P

e

R

hf

q

I



(

1





S

)

1



0



q : muatan elektron hf : energi photon

105

Efisiensi kuantum :

Jumlah elektron hole yg dibangkitkan η = --- =

Jumlah photon datang

P

hf

q

I

_p

/

/

0 Responsivitas :

hf

q

P

I

_p









0

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

106

Perbandingan responsivitas dan efisiensi kuantum sbg fungsi panj gel

107

Contoh

InGaAs pd panj gel 1100 nm < λ < 1600 nm, memiliki efisiensi kuantum 60 %.

Berapa responsivitasnya pd panj gel 1300 nm ?

Jika daya optis yg datang 10 μW, berapa arus foton yg dibangkitkan ?

108

109

Avalanche Photodiode

APD secara internal melipat gandakan arus foto sinyal primer sebelum memasuki sirkit penguat 

meningkatkan sensitifitas penerima.

Mekanisme pelipatgandaan elektron/hole disebut impact ionization.

Carrier baru yg dibangkitkan juga dipercepat oleh

medan listrik kuat, shg menguatkan energi utk impact ionization selanjutnya.

Phenomena tsb disebut efek avalanche.

Dibawah tegangan breakdown jumlah carrier yg dibangkitkan tertentu, sedangkan diatas tegangan breakdown carrier yg dibangkitkan dpt tak terbatas.

110

Konstruksi p+πpn+ _{reach-through APD (RAPD)}

p-type : resistivitas tinggi p+ _{: heavily doped p-type}

n+ _{: heavily doped n-type}

π : bahan intrinsik tdk murni krn kurang hati2 shg tercampur p doping š p+ SiO₂ Electrode _{n et} x x E(x) R E h > E_g p I_{p h} e– h+ Absorption region Avalanche region (a) (b) (c)

(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.

Electrode

© 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)

111

Pd penggunaan normal RAPD bekerja pd modus depleted penuh.

Cahaya memasuki device mel daerah p+ _{dan diserap bahan}

π yg bekerja sbg daerah pengumpul carrier yg dibangkitkan oleh photon.

Saat diserap photon memberikan energi, shg membangkitkan pasangan elektron-hole yg

kemudiandipisahkan oleh medan listrik di daerah π.

Elektron yg dibangkitkan oleh photon bergeser dr daerah π ke pn+ _{junction yg terdapat medan listrik kuat.}

112

Ionization rate : jumlah rata2 pasangan elektron-hole yg dibangkitkan persatuan jarak tempuh.

Banyak bahan memiliki laju ionisasi elektron α berbeda dng laju ionisasi hole β.

Perbandingan k = β/α merupakan ukuran unjuk kerja photodetector. Faktor multiplikasi : P M

I

I

M 

I_M : rata2 arus keluaran multiplikasi total I_P : arus foto tanpa multiplikasi primer

Dlm praktek mekanisme avalanche adalah proses statistik, krn tidak semua pasangan carrier yg dibangkitkan dlm

dioda menghasilkan multiplikasi sama == > M : harga rata2.

Responsivitas :

M

M

hf

q

APD







0

113

114

Contoh

Suatu APD memiliki efisiensi kuantum 65 % pd panj gel 900 nm. Jika daya optis 0,50 μW menghasilkan arus foto multiplikasi 10 μA, berapa faktor multiplikasi M ?

115