Operasi Pemancar Dan Penerima Optik

Operasi Pemancar dan Penerima Serat Optik

Disusun Oleh : 2. Heru W. (0210630062) 3. Andi Mochamad M. (0410633013) 4. Firman Fajar O. (0410633033) 5. Priasmara Adi P. (0410633061) 6. Donny Kurniawan (0510633021)

17/04/09

Pemancar Optik • Sumber Optik (Light Source) merupakan hal terpenting dari sebuah Pemancar Optik. • Syarat-syarat bagi sumber optik untuk transmisi serat optik adalah : 1.Dapat langsung dimodulasi sampai frekuensifrekuensi tinggi dengan arus yang kecil dan tegangan yang rendah. 2.Sebanyak mungkin daya optik dalam serat. 3.Panjang gelombang di daerah 850 nm; 1300 nm dan 1550 nm. 4.Lebar spektrum sempit. 5.Umur (lifetime) sumber sepanjang mungkin. 6.Temperatur, bentuk pelaksanaan dan harga.

17/04/09

• Ada 2 macam sumber optik yang dipakai : 1. Laser Dioda (LD). 2. High Radiance Light Emiting Diode (LED).

17/04/09

Blok Diagram Pemancar Optik

O p t ic a l s ig n a l O u t

E le c r ic a l S ig n a l I n P r e a m p lif ie r

S ig n a l C o n d it io n e r

V o lt a g e g a in

B ia s C u r r e n t S o u r c e

L ig h t S o u r c e ( L E D o r L D )

F ib e r P ig t a il

D r iv e r

Gambar 2 : Blok diagram Pemancar Optik Sumber : Reference Manual for Telecommunications Engineering, Second Edition. Roger L. Freeman 17/04/09

• Driver mempunyai fungsi : 1. Merubah sinyal elektrik ke sinyal optik. 2. Temperature Compensation, untuk memastikan arus pada drive tidak melebihi kapasitas arus dari sumber optik, terutama pada LD. 3. Bias Current Source untuk melindungi sumber optik dan megoptimalisasi respon optik.

17/04/09

Laser Dioda (LD) • Dipakai pada sistem moderat band sampai wideband. • Mempunyai respon time yang cepat (kurang dari 1 ns). • Mempunyai core yang kecil dan nilai NA (Numerical Aperture) yang kecil pula. • Panjang gelombang lebih sempit dibanding dengan LED, yaitu : 1 nm. • Life time sekitar 105 sampai 106 jam.

17/04/09

Laser Dioda (LD) • Lebih mahal dari LED. • Biasa digunakan untuk sumber bagi single-mode fiber. • LD penting untuk pengkopelan pada serat-serat single mode. • Pada multi mode akan timbul desis mode yang disebabkan karena adanya pola-pola interferensi (berasal dari perbedaan fasa antara mode sumber dan konektor-konektor yang ada di dalam serat).

17/04/09

Gambar 3 : Struktur Laser Diode Sumber : www.google.co.id

17/04/09

Gambar 4 : Laser Diode Sumber : www.google.co.id 17/04/09

High Radiance Light Emiting Diode (LED) • Sebuah semikonduktor hasil recombining antara elektron dan hole (lubang-lubang). • LED lebih murah dibandingkan LD karena tidak menggunakan thermal atau stabilisasi optik. • Mempunyai lifetime yang lebih lama, yaitu : 106 sampai 107 jam. • Mempunyai lebar spektrum yang lebih besar, yaitu 40 nm. • Mempunyai input coupling yang rendah (efisien). • Dapat dimodulasi sampai kecepatan-kecepatan yang tinggi, walaupun daya optik akan berkurang dengan bertambahnya kecepatan. 17/04/09

High Radiance Light Emiting Diode (LED) • Ada 2 macam jenis LED, yaitu : 1. Radiator Luas Permukaan. 2. Radiator Tepi. • Jenis LED ditentukan oleh tempat di bidang permukaan yang memancar, sehingga terjadi pengkopelan pada serat. • Radiator luas permukaan mempunyai daya optik yang lebih besar, tetapi efisiensi kopelnya dengan serat 50/125 µm lebih rendah dari radiator tepi. • Rise time radiator tepi lebih kecil dari dari radiator permukaan, sehingga memungkinkan didapatnya kecepatan lebih tinggi.

17/04/09

Gambar 5 : LED radiator luas permukaan

Gambar 6 : LED radiator tepi Sumber : www.google.co.id

Sumber :www.google.co.id 17/04/09

•

Daya optik yang dibangkitkan LED dapat dihitung dengan persamaan : PLED = ηq . iD . VG (1)

dimana :

PLED= daya optik dari LED (W) ηq= efisiensi junction quantum (photos per elektron) iD = arus LED (A) VG= energy-gap pd P-N junction (eV)

17/04/09

•

Dari daya yang diperoleh ada sedikit yg dikopel ke dalam fiber, yaitu : PF= PLED . T . (NA)2 (2)

dimana : PF= daya yang dikopel dalam fiber (W) T = Transmission koefisien antara LED dan fiber NA = Numerical Aperture dari fiber.

17/04/09

Gambar 7 : Struktur LED Sumber : www.google.co.id 17/04/09

Gambar 8 : LED (Light Emiting Diode) Sumber : www.google.co.id 17/04/09

Characteristic

LED

LD

Coupled Powera (µW)(max)(into 50- µm core)

>50

3000

Radiant Power (mW)(max)

20

20

Spectral linewidth (nm)

30 to 150

<1 to 5

Waveleght (nm)(max)

1550

1550

Drive Current (mA)

10 to 200

10 to 200

Modulation Bandwidth (GHz)(max)

1

6

Lifetime (hours)

106 to 107

105 to 106

Cost

Lower

Higher

Tabel 1 : Komparasi LED dan LD Sumber : Reference Manual for Telecommunications Engineering, Second Edition. Roger L. Freeman

17/04/09

Penerima Optik • Detektor Optik : perangkat untuk mengubah sinar optik yang ditransmisikan menjadi sinyal listrik. • Untuk transmisi serat optik ada 2 macam, yaitu : 1. Dioda PIN. 2. Avalanche Photo Diode (APD).

17/04/09

• Karakteristik dari suatu Detektor Optik adalah : 1. Responsivity : untuk mengukur dari arus keluar yang diberikan pada power cahaya ke dalam diode (ampere/watt). 2. Dark Current : kondisi arus yang dibangkitkan oleh arus balik yang ada pada kondisi gelap dalam diode (pada saat P-N junction dibias balik pada kondisi gelap maka akan sedikit arus yang melewatinya. 3. Response Speed : untuk mengukur kemampuan kecepatan maksimum data dari detektor. 4. Spectral Response : untuk mengukur responsivity yang digeser relatif pada panjang gelombang.

17/04/09

Blok Diagram Penerima Optik

O p to E le c te r o n ic C ir c u ity AG C

O p t ic a l S ig n a l In E le c t r i c a l S i g n a l O u t

P h o t o d io d e ( P I N o r APD)

P r e a m p lif ie r

V o lt a g e G a in

F ilt e r

B u ffe r

F ib e r P ig t a il

B ia s C u r r e n t S o u r c e

Gambar 9 : Blok Diagram Penerima Optik Sumber : Reference Manual for Telecommunications Engineering, Second Edition. Roger L. Freeman 17/04/09

Dioda PIN • Adalah sebuah semikonduktor dengan bagian yang didop P dan sebuah intrinsik dengan bagian yang didop N. • Serat Optik ditempatkan sedemikian agar cahaya jatuh pada lapisan intrinsik dari material semikonduktor yang diletakkan antara lapisan tipe n dan tipe p. • Variasi arus yang mengalir pada Diode PIN tergantung pada variasi intensitas cahaya yang masuk. • Dioda PIN kebanyakan dipakai untuk untuk panjang gelombang yang lebih besar dari 1000 nm.

17/04/09

Prinsip Kerja Dioda PIN • Foto detektor PIN merupakan sambungan dari PN. • Pada keadaan normal, elektron bebas dan lubang (hole) tidak dapat berpindah melewati sambungan (junction), sehingga tidak ada arus yang mengalir. • Jika ada foton yang diserap pada sambungan yang berasal dari lapisan P dan energinya lebih besar atau sama dengan energi pita pemisah, maka akan membangkitkan pergerakan elektron dan lubang yang dapat menimbulkan arus. 17/04/09

Gambar 10 : Struktur Diode PIN Sumber : www.google.co.id

17/04/09

Material

Jangkauan Panjang Gelombang (m)

Puncak Respon Panjang Gelombang (m)

Puncak Responsivitas (A/W)

Silikon

0.3 - 1.1

0.80

0.5

Germanium

0.5 - 1.8

1.55

0.7

InGaAs

1.0 - 1.7

1.70

1.1

Tabel 2 : Perbedaan dan keunggulan berbagai PIN foto dioda 17/04/09

Gambar 11 : Diode PIN Sumber : www.google.co.id 17/04/09

• Rangkaian equivalent dari sebuah photodioda dapat dilihat sebagai berikut : i d = ( P ) ( R E i)

C

d

R

L

17/04/09

• REi merupakan arus responsivity yang dinyatakan dengan : REi = iD / P = (ηe)(λ.10-9) / h.c = (0,804.10-3) (η λ)

(3)

Dimana : iD = arus PIN (A) P = daya optik yang dipakai (W) η = quantum efficiency dr junction( elektron / photos) silikon : 0,8 ; germanium : 0,55 λ = panjang gelombang (nm) E = elektron charge 1,6.10-19 H = konstanta plank 6,63.10-34 (js) C = kecepatan cahaya 3.108 (m/s) 17/04/09

• Tegangan responsivity dapat dihitung dgn : REv = REi.RL

(4)

dimana : REv = teg. Responsivity (V/A) RL = resistansi beban (ohm) • Output voltage dr rangkaian equivalent PIN diatas adalah : VL= (P) (REi.RL) (5)

dimana : VL = tegangan beban (V) RL = resistansi beban (ohm) 17/04/09

•

Dengan hukum kirchoff maka tegangan yg lewat photodiode : VD = VB – VL

(6)

dimana VD = tegangan yg lewat photodiode VB = tegangan bias •

Sehingga nilai daya optimum adalah : Pmax=VB/ REi.RL (7)

17/04/09

•

Dari rangkain equivalen, nilai rise time atau frequency response dihitung oleh junction dr kapasitansi diode dan resistansi beban dinyatakan dengan : tC = 2,19.10-12 . CD . RL

(8)

dimana : tC=circuit rise time (s) CD=kapasitansi dioda (pF) RL=resistansi beban(ohm) •

Kombinasi rise time dari dioda dan risetime rangkaian dapat dihitung dengan : tR = √ t D 2 + tC2

(9)

dimana : tR=receiver time constanta tD=rise time dioda 17/04/09

• •

Nilai rise time terbatas pada bandwidth system. Untuk nilai bandwidth 3 dB, maka rise time dapat dihitung dengan : fR = 0,35 / tR

(10)

dimana : fR = receiver circuit 3-dB Bandwidth (Hz)

17/04/09

Avalanche Photo Diode (APD) • Mempunyai konstruksi dan operasi yang mirip dengan Diode PIN. • APD tidak memerlukan penguat efek medan di dalam modul penerima. • APD mempunyai keuntungan sensivitas sebesar 5-10 dB dibanding Diode PIN. • Internal gain yang membuat APD lebih sensitif, diperoleh melalui penggunaan tegangan bias mundur yang tinggi pada diode junctionnya. • APD yang biasa digunakan adalah APD dengan panjang gelombang 850 nm.

17/04/09

• Untuk panjang gelombang yang tinggi APD yang baik belum tersedia, karena : 1. Adanya tegangan balik (reverse voltage) yang tinggi. 2. Desir mimis karena adanya efek Lowina. 3. Pengaruh dark current dan adanya arus bocor.

17/04/09

Prinsip Kerja APD • Foton diserap di daerah pengosongan (depletion), menimbulkan elektron bebas dan lobang (hole) bebas. • Gaya listrik yang besar pada bagian ini menyebabkan perubahan percepatan yang dapat membangkitkan energi kinetik. • Energi kinetik ini meningkatkan elektron yang menyebrang pita energi pemisah. • Percepatan muatan pertama dapat membangkitkan beberapa kali percepatan muatan yang baru. Hal ini menyebabkan proses pengalian (pelipatan) arus pada APD. 17/04/09

Gambar 12 : Struktur APD Sumber : www.google.co.id

17/04/09

Gambar 13 : Avalanche Photo Diode (APD) Sumber : www.google.co.id 17/04/09

Materi

Struktur

Panjang Gelomb (nm)

Responsivitas (A/W)

Arus gelap ( nA)

Silikon

PIN

300-1100

0,5

1

Germanium

PIN

500-1800

0,7

200

InGaAs

PIN

1000-1700

0,6

10

Silikon

APD

400-1000

77

15

Germanium

APD

1000-1600

30

700

Tabel 3 : Karakteristik beberapa foto detektor sambungan

17/04/09

Characteristic

PIN Photo Diode

APD

Sensivity (dBm for -30 to -45 BER or SNR)

-40 to -50

Spectral Response Range

200 to 1700

200 to 1700

Noise Equivalent Power (W/√Hz)

1x10-10 to 27x10-14

1x10-14

Cost

Lower

Higher

Tabel 4 : Komparasi Diode PIN dan APD Sumber : Reference Manual for Telecommunications Engineering, Second Edition. Roger L. Freeman 17/04/09

Repeater • Memperkuat dan mensinkronisasi sinyal yang ditransmisikan dengan merubah sinyal optik ke sinyal elektrik kemudian dirubah ke sinyal optik kembali. • Dapat dibayangkan sebagai receiver back-to-back dengan transmitter, dengan perangkat pengontrol dan pengkondisi sinyal. • Beberapa dilengkapi dengan perangkat diagnosa untuk mentransmisikan alarm status, monitor BER dan fungsi lainnya. • Jarak repeater bervariasi dari 15 km – 150 km bergantung dari tipe serat, tipe pemancar dan penerima yang digunakan dan bit rate yang ditransmisikan.

17/04/09

TERIMA KASIH

17/04/09