UJIAN AKHIR SEMESTER GENAP TA 2012/2013

SISTEM KOMUNIKASI SERAT OPTIK ( Dosen : Dr.Ir. Syamsul El Yumin. M.Eng )

DISUSUN OLEH:

Nama : Dwi Liestyowati

No.Pokok : 12520007

Jurusan : Magister Teknik Elektro

Konsentrasi : Elektronika Telekomunikasi

PROGRAM PASCASARJANA INSTITUT SAINS DAN TEKNOLOGI NASIONAL

JL. Duren Tiga Kalibata, Jakarta 12620 – Telp (021) 7270092

Institut Sains dan Teknologi Nasional Nama : Dwi Liestyowati

Fakultas Teknologi Industri NIM : 12520007

Program Studi S2 Teknik Elektro Ttd. : ___________________

UJIAN AKHIR SEMETER GENAP TAHUN AKADEMIK 2012/2013

Matakuliah : Sistem Komunikasi Serat Optik

Dosen : Dr.Ir. Syamsul El Yumin, M.Eng

Tgl Uijan : 10 Agustus 2013

Waktu/Sifat : 120 menit/ BUKA-BUKU

Norma Ujian :

1. Tidak diperkenankan bekerjasama dan saling meminjamkan Buku Catatan, Fotocopy Catatan, alat-

alat tulis, Tip-Ex., dan Calculator.

2. Jawaban harus ditulis pada kertas bergaris double folio dengan Jelas, Rapi, Tak Ada Coretan/tipex,

dan Terbaca.

3. Kertas Soal diserahkan kembali bersama kertas jawaban.

4. Ketelitian hasil akhir perhitungan dengan Calculator adalah 3 (tiga) angka dibelakang koma

SOAL-1. Dirancang suatu Dioda Laser (LD) InGaAsP/InP menggunakan lapisan aktif

In(1-X)Ga(X)As(Y)P(1-Y) dengan X= 0,17 yang indeks biasnya 3,272 dengan koefisien

penyerapan 27,22 cm -1

dan tebal lapisan 1,0

μm. Panjang LD dibuat 427 μm, dan permukaan

ujung keluarannya tidak dilapisi koting.

Karakteristik Daya Optik vs Arus Injeksi pada

tegangan operasi 17 Volt, diperlihatkan seperti

gambar.

1. Tentukan panjang gelombang LD.

2. Tentukan koefisien gain ambang LD agar

terjadi lasing.

3. Tentukan Efisiensi Slop dan Efisiensi

kuantum internal.

4. Tentukan Efisiensi kuantum total dan

Efisiensi devais LD.

SOAL-2.

Suatu LED GaAlAs/GaAs surface emitter dengan lapisan aktif Ga(1-X) AlXAs dimana

X=0,17 mempunyai indeks bias 3,172 dan koefisien penyerapan 37 cm-1

serta tebal 0,7μm.

Panjang LED 372μm dan lebar 172μm. Diameter keluaran cahaya pada permukaan LED

adalah 47μm. Pola emisi keluaran LED adalah B(θ, φ) = 172 Cos (θ) W/cm2.

1. Tentukan panjang gelombang emissi LED.

2. Tentukan besar daya optis maksimum LED (dalam dBm)

3. Hitung estimasi daya optis yang dapat dipandu dalam serat optik, bila LED dikopling

langsung ke suatu serat optik SI-MM dengan diameter inti serat 57 μm, indeks bias inti

1,487 dan NA=0,27

4. Hitung estimasi daya optis yang dipandu dalam serat optik bila diantara LED dan serat

ditempatkan Lensa Bola Kecil Nonimaging dengan indeks bias 2,000 diameter 172 μm.

Petunjuk: Gantilah Huruf pada setiap Soal dengan Angka dari Dijit Nomor Pokok Anda,

Huruf A untuk Angka dari Dijit Nomor Terakhir

Huruf B untuk Angka dari Dijit Nomor Dua Terakhir

Huruf C untuk Angka dari Dijit Nomor Tiga Terakhir

Contoh : Nomor Pokok Anda 06223701 maka A=1 ; B=0 ; C=7 ;

Khusus untuk Dijit 0 (NOL) diganti dengan Angka 2 (dua), maka B=2.

SOAL-3.

Dirancang suatu Photodioda PIN dari bahan Germanium yang koefisien penyerapannya

27 cm-1

dan lebar lapisan intrincsicnya 0,972 mm. Permukaan masukan Photodioda dilapisi

koting sehingga koefisien reflektifitas permukaan menjadi Rf = 17%. Bila daya cahaya laser

dioda dengan panjang gelombang 1372 nm yang diterima oleh Photodioda adalah 1,722 mW,

hitunglah:

1. arus photo yang terjadi,

2. Efisiensi kuantum, dan

3. Responsivitas dari Photodioda. Kemudian photodioda ini digunakan pada Penerima

Komunikasi Analog dengan indeks modulasi 87% dan Bandwidth 18 MHz,

4. tentukan SNR bila beban pada rangkaian penerima adalah 1722 Ω.

SOAL-4.

Dirancang sistem tranmisi dijital serat optik dari kota JK ke kota KW sepanjang 172 km

dengan BER 10 -10

. Kapasitas laju data pada transmisi dibuat untuk 472 Mbpd pada format

NRZ. Serat optik dipilih jenis GI dengan indeks bias inti serat 1,500 dan NA = 0,15 serta

indeks profile α = 2, attenuasi αf = 0,1722 dB/km pada panjang gelombang 1372 nm. Panjang

serat optik per gulungan pabrik adalah 5 km. Rugi penyambungan diperkirakan 0,2 dB, dan

konektor dipilih yang rugi-ruginya tak lebih dari 0,2 dB.

1. Tentukan rugi-rugi link transmisi;

2. Tentukan level daya optis minimum Photodioda agar sinyal dapat diterima dengan baik;

3. Tentukan panjang gelombang dan daya pancar LD yang digunakan agar komunikasi dapat

terjadi;

4. Jika waktu bangkit LD adalah 0,01 ndet dan lebar spektral 0,15 nm, tentukan waktu

bangkit Photodioda agar laju data transmisi terpenuhi.

PENYELESAIAN:

SOAL-1.

Diketahui:

Dioda Laser (LD) InGaAsP/InP menggunakan lapisan aktif In(1-X)Ga(X)As(Y)P(1-Y)

X= 0,17

indeks bias n = 3,272

koefisien penyerapan α = 27,22 cm -1

tebal lapisan 1,0 μm.

Panjang LD L = 427 μm,

tegangan operasi V= 17 Volt

Ditanyakan:

1. Tentukan panjang

gelombang LD.

2. Tentukan koefisien gain

ambang LD agar terjadi

lasing.

3. Tentukan Efisiensi Slop

dan Efisiensi kuantum

internal.

4. Tentukan Efisiensi

kuantum total dan

Efisiensi devais LD.

Jawab:

1. In(1-X)Ga(X)As(Y)P(1-Y) dg x = 0,17

Eg(x) = 1,35 - 1,76x + 0,78x2 dimana y 2,2x utk range 0 ≤ x ≤ 0,47

jika pada Ga x = 0,17 maka y = (2,2)(0,17) = 0,374

shg lapisan Alloy-nya adl In(0,83)Ga(0,17)As(0,37)P(0,63)

17

7

0 17 37 57

I(mA)

V=17volt

Energi gap-pita Eg = 1,35 - 1,76(0,17) + 0,78(0,17)2

Eg = 1,35 - 0,299 + 0,0225 = 1,0735ev

Maka panjang gelombang LD adl mev

155,10735,1

240,1

2. koefisien gain ambang LD agar terjadi lasing.

)1

ln(2

1

21RRLgth dimana R1 = R2 = R

2

1

1

n

nR

2

1272,3

1272,3R 2828,05318,0

272,4

272,2 2

2

))2828,0(

1ln(

)427(2

122,27

2

1

mcmgth

)5260,2(854

122,27 1

mcmgth

gth = 27,22cm-1

+ (2, 9579 x 10-3

)µm-1

= 27,22cm-1

+ (2, 9579 x 10-7

)cm-1

= 27,2200003cm-1

Jadi Gain ambang gth = 27,220000cm-1

3. Efisiensi slop: )(EgdI

dPD

evevmWmW

mWmWD

0735,1

1)5,0(

)0735,1)(3757(

717

ηD = 0,46

Efisiensi Quantum Internal:

)ln(1

1R

Di

L

)ln(

)10427)(22,27(146,0

)ln(

)427)(22,27(146,0

2828,01

41

2828,01

1 mcmmcmi

263,1

1623,1146,0

)536,3ln(

1623,1146,0

ηi = 0,46(1 + 0,9202) = 0,8833 jadi Efisiensi Quantum Internal ηi = 0,8833

4. Efisiensi Quantum total

diambil P1 = 7, I1 = 37 dan P2 = 17, I2 = 57

176,0)0735,1)(37(

7

.1

evEgI

PT

278,0)0735,1)(57(

17

.2

evEgI

PT

atau Ith = 17, maka I = 2,1765.Ith

1765,2

11

.1765,211 D

th

thD

thDT

I

I

I

I

= ηD (1- 0,4595) = ηD (0,54)

Jadi Efisiensi Quantum total ηT = 54% ηD

Efisiensi devais LD:

%3029,017

5,0

)17)(3757(

717

.

VmWmW

mWmW

VI

Pdev

SOAL-2.

Diketahui:

LED GaAlAs/GaAs surface emitter dengan lapisan aktif Ga(1-X) AlXAs dimana X = 0,17

indeks bias n1 = 3,172

koefisien penyerapan = 37 cm-1

tebal = 0,7 μm.

Panjang LED L = 372 μm

lebar = 172 μm.

Diameter keluaran cahaya pada permukaan LED, Ds = 47 μm.

Pola emisi keluaran LED adalah B(θ, φ) = 172 Cos (θ) W/cm2.

Ditanyakan:

1. Tentukan panjang gelombang emissi LED.

2. Tentukan besar daya optis maksimum LED (dalam dBm)

3. Hitung estimasi daya optis yang dapat dipandu dalam serat optik, bila LED dikopling

langsung ke suatu serat optik SI-MM dengan diameter inti serat 57 μm, indeks bias inti

1,487 dan NA=0,27

4. Hitung estimasi daya optis yang dipandu dalam serat optik bila diantara LED dan serat

ditempatkan Lensa Bola Kecil Nonimaging dengan indeks bias 2,000 diameter 172 μm.

Jawab:

1. Ga(1-X) AlXAs, unsur Al x = 0,17

maka Ga(0,83) Al(0,17)As memiliki gap-pita energi

Eg = 1,424 + 1,266x + 0,266x2 pada range 0 ≤ x ≤ 0,37

Eg = 1,424 + 1,266(0,17) + 0,266(0,17)2

Eg = 1,424 + 0,215 + 0,0077 = 1,6469 ev

sehingga Panjang gelombang emisi LED adalah: mev

7529,06469,1

240,1

2. Besar daya optis maksimum LED (dalam dBm)

Jari-jari emisi keluaran LED, rs = 47/2 μm = 23,5μm

B0 = 172 mW/cm2

Ps LED = π2 . rs

2 . B0

2 = (3,14)

2(23,5 x 10

-4cm)

2(172mW/cm

2)

Ps LED = (9,8596)(552,25 x 10-8

mW) = 93,6534 x 10-4

mW

dB = 10.log10(93,6534 x 10-4

) = 10.log10(0,009365) = -20,2849 dBm -20 dBm

Jadi Besar daya optis maksimum LED = -20 dBm

3. Jari-jari emisi keluaran LED, rs = 47/2 μm = 23,5μm

Jari-jari inti serat optik a = 57/2 μm = 28,5μm

karena rs < a PLED,SI = (1-R).Ps.(NA)2

B0 = 172 mW/cm2

Ps = π2 . rs

2 . B0

2 = (3,14)

2(23,5 x 10

-4cm)

2(172mW/cm

2)

Ps = (9,8596)(552,25 x 10-8

mW) = 93,6534 x 10-4

mW

Mencari koefisien pemantulan Fresnel R: dg n1 = 3,172 & n = 1,487 dan NA = 0,27

Maka:

1296,0487,1172,3

487,1172,3

1

122

1

1

n

nR

(1 - R) = 1 - 0,1296 = 0,8704

shg PLED-SI = (0,8704)( 93,6534 x 10-4

mW)(0,27)2 = 5,9425 x 10

-4 mW

Jadi daya optis yang dapat dipandu dalam serat optik adl : 5,9425 x 10-4

mW

4. Jari-jari Lensa RL = 172/2 μm = 86μm

PLED,SI dengan lensa nonimaging

24

2

2

,

2

,, )27,0(109425,55,23

86)( mW

m

mNAP

r

RP SILED

s

LSILENSLED

PLED,LENS,SI = 5,8017 x 10-4

mW

maka dg menggunakan lensa bola kecil Nonimaging diperoleh perbaikan daya optis yg

dipandu dlm serat optik menjadi: 5,8017 x 10-4

mW

SOAL-3.

Diketahui:

α = 27 cm-1

ω = 0,972 mm.

Rf = 17% = 0,17

P0 = 1,722 mW

λ = 1372 nm,

q = 1,602 x 10-19

coulomb

h = 6,62617 x 10-34

j.det

c = 3 x 108 m/det

Ditanyakan:

1. Arus photo yang terjadi,

2. Efisiensi kuantum

3. Responsivitas dari Photodioda. Kemudian photodioda ini digunakan pada Penerima

Komunikasi Analog dengan indeks modulasi 87% dan Bandwidth 18 MHz,

4. Tentukan SNR bila beban pada rangkaian penerima adalah 1722 Ω.

Jawab:

1. arusphoto:

fp RePhc

qI 110

17,011)10722,1(det)/103det)(.1062617,6(

)101372)(10602,1( )0972,0)(27(3

834

9191

cmcm

p eWmj

mcoulI

83,01108785,19

8596,3784 6244,25 eI p

= (190,3997 x 10-5

A)(1 - 0,0725)(0,83)

= (190,3997 x 10-5

A)(0,9275)(0,83)

= 146,577 x 10-5

A = 1465,77 x 10-6

A

Maka arusphoto yang terjadi adalah Ip = 1465,77µA

2. Efisiensi Quantum

fRe 11

17,011 )0972,0)(27( 1

cmcme = (1 - 0,0725)(0,83) = (0,9275)(0,83) = 0,7698

Maka Efisiensi quantum η =76,98%

3. Responsivitas dari Photodioda:

W

AW

A

P

I p 2

3

5

0

0 1012,8510722,1

10577,146

W

A8512,00

Daya optis terima minimum photodioda yang responsivitasnya 0,8512 A/W untuk

komunikasi analog dengan indeks modulasi 87% dan Bandwidth 18 MHz adalah:

N

S

Rm

qBPr

0

2

4

)8512,0()87,0(

)10001018(10602,1)4(2

619

WA

HzcoulPr

WWPr

1010

100296,1796443,0

10344,115

Pr = 179,0296 x 10-7

mW

Pr = 10log10(179,0296 x 10-7

) = -47,47 dBm

4. SNR bila beban pada rangkaian penerima adalah 1722Ω

qB

PRm

N

S rL

4

2

mWmWHzcoul

mWk

N

S 6

13

7

619

72

100230,210344,115

103439,233

)1018)(10602,1(4

)100296,179)(722,1()87,0(

S/N = 2,0230 x 103 W = 10 log10(2,0230 x 10

3) = 33,06 dB

maka SRN menjadi 33 dB

SOAL 4.

Diketahui:

Panjang sistem transmisi L = 172km

BER 10 -10

.

BR = 472 Mbpd pada format NRZ

indeks bias inti serat = 1,500

NA = 0,15

indeks profile α = 2

attenuasi αf = 0,1722 dB/km

λ = 1372 nm.

Panjang serat optik pabrik ℓ = 5 km

Rugi penyambungan λs = 0,2 dB

Rugi konektor λk = 0,2 dB.

jumlah konektor m = 2 (JK - KW)

Ditanyakan:

1. Tentukan rugi-rugi link transmisi;

2. Tentukan level daya optis minimum Photodioda agar sinyal dapat diterima dengan baik;

3. Tentukan panjang gelombang dan daya pancar LD yang digunakan agar komunikasi dapat

terjadi;

4. Jika waktu bangkit LD adalah 0,01 ndet dan lebar spektral 0,15 nm, tentukan waktu

bangkit Photodioda agar laju data transmisi terpenuhi.

Jawab:

1. Rugi-rugi Link transmisi:

Dicari dahulu jumlah sambungan: 334.3314,3415

172

km

kmns

jadi jml sambungan ada 33 dan margin sistem (Pm) diambil 8dB

maka rugi daya optis pada transmisi (dB) adl:

PT = m λk + n λs + λf L+ Pm

PT = (2 x 0,2 dB) + (33 x 0,2dB) + (0,1722 dB/km x 172 km) + 8dB

= 0,4dB + 6,6dB + 29,6184 dB + 8dB

PT = 44,6184 dB 44,62 dB

Jadi rugi-rugi link transmisi adl 44,62 dB

2. BER = 10-10

n = 23,0

BR = 472 Mbpd pada format pulsa NRZ

bpd610

472

1

Level daya optis terima minimum pada photodioda:

sR

hcnP h = konstanta Planck 6,62617 x 10

-34 j.det

c = kec. cahaya di udara 3 x 108 m/det

η = kuantum efisiensi , diasumsikan η = 1

λ = panjang gelombang = 1372 nm

τ = durasi pulsa = 2,1186 x 103 bpd

WW

bpdm

mjPR

20

6

26

39

834

101573,0107192,2906

1020573,457

101186,21013721

23det/103det.1062617,6

PR = 0,1573 x 10-17

mW PR = 10.log10(0,1573 x 10-17

)

PR = -178,03 dBm -178dBm

Jadi Level daya terima optis minimum photodioda agar sinyal dapat diterima dengan baik

adalah -178dBm.

3. Panjang gelombang dan daya pancar LD

Level daya pancar minimum pada LD diperlukan sebesar:

PT = PS - PR PS = PT + PR

maka:

PS = 44,62dB - 178 dBm = -133,38 dBm

Panjang gelombang:

S

ssS

P

hcnhcnP

PS = -133,38 dBm -133,38/10 = -13,338 10-13,338

= 4,592 x 10-14

mW

BER = 10-10

n = 23,0 dan η diasumsikan = 1

maka

15

11

26

314

834

10996,46107286,9

1020573,457

101186,210592,41

0,23det/103det.1062617,6

bpdmW

mj

Jadi panjang gelombangnya adl 46,996 x 10-15

nm

4. Diket: waktu bangkit LD = 0,01 ndet (tLD)

lebar spektral = 0,15 nm (τλ)

indeks bias inti serat n1 = 1,500

L = 172 km

NA = 0,15

c = 3 x 108 m/det

Pelebaran pulsa optimum GI

Untuk serat optik GI adl: SOSOGI tc

Lnt

.320

2

1

21nNA

005,0

5,4

0225,0

5,12

15,0

22

2

2

1

2

n

NA

Waktu bangkit photodioda: 2222

SOLDSPD tttt

Mencari nilai tSO dulu yaitu:

det10062,0

10923,103

101045,6

det10373205,120

10172005,0500,1 8

8

33

8

32

m

mtSO

tSO = 0,62 ndet

untuk kapasitas laju data transmisi sebesar 472 Mbpd dg sinyal NRZ, maka waktu

bangkit sistem adalah:

det48,110483,110472

7,0 9

6n

bpdtS

sehingga 2222

SOLDSPD tttt = (1,48 ndet)2 - (0,01 ndet)

2 - (0,62 ndet)

2

tPD2 = 2,1904 ndet

2 - 0,0001 ndet

2 - 0,3844 ndet

2 = 2,5747 ndet

2

tPD = 1,6046 ndet

Jadi waktu bangkit photodioda yang diperlukan adalah 1,6064 ndet supaya laju data

transmisi terpenuhi.