KOMPONEN SISTEM KOMUNIKASI SERAT OPTIK1. Sumber Optik

Ada dua jenis sumber optik yang sering digunakan, yakni LED (Light Emitting Diode)

dan LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation).

Beberapa karakteristik yang harus dipenuhi oleh sumber optik adalah sbb :

• Ukuran dan konfigurasi kompatibel dengan cahaya yang dimasukkan ke dalam

serat.

• Mempunyai akurasi yang tinggi dalam mengkonversi sinyal listrik masukan untuk

mengurangi distorsi dan derau.

• Cahaya yang dihasilkan berada pada panjang gelombang di mana serat

mempunyai redaman dan dispersi rendah, dan di mana detektornya dapat bekerja

secara efisien.

• Kemudahan dalam memodulasi sinyal.

• Cahaya yang dihasilkan harus dapat di-couple ke dalam serat dengan efisien agar

menghasilkan daya optik yang cukup.

• Menghasilkan cahaya dengan lebar pita frekuensi yang cukup sempit untuk

meminimumkan dispersi.

• Cukup stabil terhadap pengaruh luar.

• Mempunyai keandalan tinggi dan harga yang cukup murah agar dapat menandingi

teknik transmisi konvensional.

Bahan sumber optik mempunyai kriteria antara lain merupakan formasi p-n junction,

efisien dalam transisi radioaktif dan panjang gelombang yangdihasilkan digunakan

sepenuhnya. Bahan yang cocok dengan kriteria ini adalah golongan III dan golongan

IV dalam sistem periodik.

Contoh bahan-bahan sumber optik

Tabel Bahan-Bahan Sumber Optik

1.2. LED

Bagian utama dari LED adalah p-n junction yang disebut sebagai daerah aktif. LED

memerlukan bias maju agar dapat beroperasi. Proses emisi cahaya pada LED

adalah sbb : bila p-n junction mendapatkan bias maju maka elektron dan hole

diinjeksikan ke daerah p dan n. Masing-masingnya sebagai pembawa minoritas

akan dapat bergabung kembali (rekombinasi) dengan melepaskan :

energi radiasi berupa foton memberikan cahaya keluaran dan energi non radiasi

berupa foton didisipasikan sebagai panas.

Hasil cahaya keluaran inkoheren dengan : spektrum lebar dan emisi tidak terarah.

Jenis LED yang digunakan :

a. Surface Emitter (dioda burrus) LED

Karakteristiknya : tipe high radiance, radiasi keluaran dengan sudut pancar 180o ,

bersifat lambertian source, memerlukan bias maju, emisi cahaya melalui permukaan,

daerah aktif berbentuk lingkaran dengan diameter 50 µm, kemasan pigtail dengan

serat optik langsung pada daerah aktif

sepanjang 30 cm.

b. Edged Emitter LED.

Karakteristiknya : radiasi keluaran lebih terarah, daerah aktif berbentuk pipih segi

empat (stripe), spektrum pancaran berbentuk ellips, emisi cahaya ke arah samping

atau ujung, memerlukan bias maju, lebar spektrum keluaran sudut paralel : 120o

dan sudut yang tegak lurus = 25o – 35o.

Panjang gelombang emisi puncak ditentukan oleh bahan yang digunakan dengan

dopan yang ditambahkannya. Dengan mengatur komposisi bahan dapat merubah

harga Eg.

Tabel 8 Energi Gap Berbagai Bahan LED

Terlihat bahwa menambah Al akan menurunkan panjang gelombang. Sedangkan

menambah In dan P akan memperbesar panjang gelombang.

Karakteristik penting LED adalah : (1) kurva daya optik keluaran terhadap arus pacu

(2) kecepatan respon atau rise time, dan (3) BWlistrik= 0,35 GHz/trns. Biasanya

harga rise time LED = 5 s.d. 250 ns.

1.3. LASER

Laser merupakan sumber optik yang koheren. Bahan dasarnya berupa gas, cairan,

kristal dan semikonduktor. Pengoperasian laser harus menggunakan arus bias yang

besar di atas arus threshold. Proses pembentukan laser :

1. Absorpsi foton; proses perpindahan elektron dari energi valensi ke energi

konduksi.

2. Emisi Spontan; proses di mana elektron dalam keadaan tereksitasi di energi

konduksi kembali ke energi dasar dengan melepas foton.

3. Emisi terangsang (stimulated); proses saat keadaan inversi populasi elektron

tereksitasi yang mendapat rangsangan (pacu) akan serentak melepaskan foton

dalam jumlah banyak. Panjang gelombang emisi keluaran :

λadalah panjang gelombang cahaya keluaran, n adalah indeks bias daerah aktif, L

adalah panjang rongga resonansi optik dan q adalah jumlah mode yang berosilasi.

Jarak antar komponen cahaya keluaran :

Komunikasi jarak jauh memerlukan laser monomode (single mode).

Perkembangan lases monomode adalah sbb :

- DFB : Distributed Feedback Laser

- DBR : Distributed Bragg Reflector Laser

- DR : Distributed Reflector Laser

- SEL : Surface Emitting Laser.

Keluaran Laser bersifat : mendekati monokromatik (hanya mempunyai 1

panjang gelombang), koheren (panjang gelombang berada dalam 1 fasa), dan

sangat terarah (diagram arahnya sangat konvergen).

Karakteristik dioda laser adalah sbb :

• daya optik keluarannya besar.

• ada penguatan optik.

• harus bekerja di atas arus threshold.

• memiliki rongga resonan optik (Fabry Perrot Resonator).

• Disipasi panas besar, sehingga diperlukan stabilitasi temperatur.

• Arus threshold dipengaruhi temperatur.

1.4. Perbandingan LED dan LASER:

Tabel 9 Perbandingan LED dan Laser

3.4. Detektor

Detektor berfungsi untuk mendeteksi cahaya yang datang dan mengubahnya

ke besaran listrik. Syarat-syarat yang harus dimiliki oleh sebuah detektor optik

adalah sbb :

1. Mempunyai sensitivitas tinggi.

2. Responnya cepat.

3. Derau yang dihasilkan kecil.

4. Tersedia cukup bandwidth untuk menyalurkan data rate yang diinginkan.

5. Tidak sensitif terhadap perubahan suhu.

6. Secara fisik kompatibel dengan dimensi kabel.

7. Mempunyai waktu operasi yang lama.

Dari bahan semikonduktor, ada 2 tipe detektor optik : (1) dioda PIN (P intrinsic

N), dan (2) dioda APD (Avalanche Photo Diode).

3.4.1. Detektor optik Dioda PIN

Gambar 51 Skema Detektor Optik

Prinsip kerja dioda PIN :

- Mengubah energi optik (foton) yang diterima menjadi arus keluaran

berdasarkan photo voltaic effect.

- Memerlukan bias mundur (reverse bias).

Gambar Mekanisme Deteksi Cahaya Dilihat Dari Energi Elektron

Bila foton yang datang ≥band gap energy bahan semikonduktor, foton memberikan

energinya dan membangkitkan elektron dari pita valensi dan pita konduksi. Proses

ini membangkitkan pasangan elektron-hole bebas yang disebut photo carrier. Photo

carrier ini dihasilkan pada daerah deplesi. Medan listrik yang tinggi timbul de daerah

deplesi menyebabkan carrier terpisah dan dikumpulkan melintasi reverse biased

junction. Hal ini menimbulkan arus yang mengalir pada sirkuit eksternal. Arus ini

disebut photo current (Ip).

Karakteristik detektor optik dioda pin :

a. Responsitivity (R).

di mana : Ipadalah arus photo detector, P0adalah daya optik diterima, ηadalah

efisiensi kuantum, e adalah muatan elektron, h adalah konstanta Planck, dan f

adalah frekuensi.

b. Efisiensi kuantum (η).

Efisiensi Kuantum adalah perbandingan antara pasangan elektron-hole primer

terhadap foton yang datang pada diode.

R dalam A/W, dan λadalah panjang gelombang dalam µm.

c. Kecepatan respon (rise time).

Ditentukan oleh karakteristik rise time detektor tersebut.

d. Daya optik minimum (MRP : Minimum Required Power). Merupakan daya

minimum diperlukan pada BER (Bit Error Rate) tertentu.

3.4.2. Detektor Optik Dioda APD

Prinsip kerja dioda APD :

APD bekerja pada reverse bias yang besar pada medan listrik yang tinggi terjadi

avalanche effect yang menghasilkan impact ionization berantai dan terjadi

multiplikasi avalanche sehingga terjadi penguatan atau multiplikasi arus. Cahaya

datang pada p + , kemudian diserap oleh bahan πyang bertindak sebagai daerah

penumpul untuk carrier cahaya yang dibangkitkan. Pada waktu foton memberikan

energinya, pasangan elektron-hole dibangkitkan, yang kemudian dipisahkan oleh

medan listrik pada daerah π. Elektron tadi berjalan pada daerah πmenuju pn +

junction di mana terjadi medan listrik yang tinggi. Di sini carrier multiplication terjadi.

Multiplikasi M photodiode ditentukan :

M = IM/Ip

di mana IMadalah nilai rata-rata total arus output yang dimultiplikasi, dan Ip adalah

arus photo yang tidak dimultiplikasi.

Karakteristik dioda APD :

Responsivity = RAPD= RPINM

di mana M adalah faktor multiplikasi APD dan berharga antara 10 – 250.

Panjang gelombang operasi : λ= 1,24/Eg(eV) µm.

Gambar Operasi Berbagai Tipe Sumber, Serat Dan Detektor Optik