Sumber Optik LEDSumber Optik LASERKopling DayaFoto detector PIN dan APD

Sumber OptikLED dan LASER

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– Karakteristik dari dimensinya yang sesuai dengan fiber optik

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”

“LASER”

Semikonduktor

• Material semikonduktormemiliki sifat konduksiterletak diantara logamdan isolator

• Contoh materialsemikonduktor adalahsilikon (Si) terletak digrup IV (memiliki 4elektron terluar) yangbisa berikatan kovalendengan atom lainnyasehingga membentukkristal

• 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 padasemikonduktor intrinsic

contoh: untukmaterial Si energi yang diperlukan agar elektron berpindahharus lebih besar dari1.1 eV yang disebutsebagai band-gap energy

• Konsentrasi elektron dan hole dikenal sebagai konsentrasipembawa intrinsik (intrinsic carrier concentration):

Dimana:

K : konstanta karakteristik materialT : suhu mutlakkB : konstanta Boltzman = 1.38 x 10-23 J/oKm : massa diam elektron = 9.11 x 10-31 Kgh : Konstanta Planck = 6.626 x 10-34 JSme : massa efektif elektronmh : massa efektif holeEg : energi gap (band gap energy)ni : 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 danelektron 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) yangmemiliki 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)bahan p type

(a) Level donor pada bahan tipe n(b) Ionisasi dari campuran donor menghasilkan peningkatan distribusi

konsentrasi elektron

(a) Level akseptor pada bahan tipe-p(b) ionisasi dari campuran akseptor meningkatkan distribusi konsentrasi hole

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 hole

• Proses rekombinasi elektron bebas melepaskan energi (photon-cahaya) dan turundari pita konduksi menuju ke hole yang berada di pita valensi

• Kondisi seimbang : Laju pembangkitan = Laju rekombinasi

• Bahan intrinsik : pn = p0n0 = ni2

– p0 : konsentrasi hole seimbang– n0 : konsentrasi elektron seimbang– ni : kepadatan/ konsentrasi pembawa bahan intrinsik

• Pemberian sedikit campuran kimia pada kristal murni menghasilkan semikonduktor ekstrinsik

• Konduktifitas elektris sebanding dengan konsentrasi pembawa ada 2 jenis bahan pembawamuatan:

– 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 danekstraksi 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 tipe p dan tipe n (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 daerahdeplesi, 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 padasuatu bahan direct-band-gap (elektron dan hole memiliki nilai

momentum sama)”

Semikonduktor dapat diklasifikasikanmenjadi dua jenis material yaitu direct-band-gap atau indirect-band-gap yangditentukan oleh nilai band gap sebagaifungsi dari momentum (k). Disebutsebagai direct band gap material karenaproses rekombinasi (turunnya elektron dari pita

konduksi ke valensi dan memancarkan energi photon)bisa berjalan secara langsung akibatelektron dan hole memiliki momentumyang sama

Rekombinasi elektron pada suatu bahan indirect-band-gap(elektron dan hole memiliki nilai momentum berbeda)

membutuhkan energi Eph dan momentum kph

Disebut indirect band gap material karenaenergi di pita konduksi minimum sedangkan di pita valensi maksimum dankeduanya memiliki nilai momentum yang berbeda sehingga untuk terjadinya proses rekombinasi tidak bisa berjalan secaralangsung, harus melibatkan partikel ketigayangberfungsi untuk memperbaiki nilaimomentumnya tersebut agar rekombinasibisa berlangsung. Partikel yang berperantersebut 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 antara bandgap energy danwavelength dengan lattice constant pada suhu 300 K. Garis putus-

putus vertikal menunjukan nilai lattice contant yang sama(matched) antara GaAs dengan (AlxGa1-x)0.5In0.5P

Light –emitting diodes

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• Digunakan campuran semikonduktor

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 shgHPBW 120o.

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 daribahan sekitarnya

• Struktur tersebut membentuk pandu gelombangyang mengarahkan radiasi optik ke inti fiber

• Pita penyambung lebar 50 s/d 70 μm agar sesuaidengan ukuran fiber 50 s/d 100 μm

• Pola emisi lebih terarah dibanding emisipermukaan

• Pada bidang sejajar dengan junction pola emisilambertian, pada arah tegak lurus junction memiliki HPBW 25 s/d 35o cocok denganketebalan 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 1oC ~ 0.6 nm/C

λ = h.c/Eg

λ (μm) =1,24/Eg (eV)

• 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

– Ga1-xInxAsyP1-y --> LEDs and lasers• 1300 nm (akhir ’80an, awal ’90an, FDDI data links)

• 1550 nm (pertengahan ’90an - sekarang)

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

AlxGa1-xAs pada suhu ruang

Spektrum daya keluaran (pola emisi) LED AlxGa1-xAs

dengan x = 0,008

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 perangkatpanjang gelombang yang panjangdibuat dengan substrat InP

• Garis horisontal ditarikke kiri dari titik InP

– Panjang gelombang yang pendek

• Ga1-xAlxAs garis horisontal

• Hubungan fundamental quantum-mechanical:

atau

Untuk campuran tiga bahan AlGaAs, besarnya Eg (eV):

Eg = 1,424 + 1,266 x +0,266 x2

Untuk campuran empat bahan In1-xGaxAsyP1-y, besarnya Eg (eV):

Eg= 1,35 -0,72 y + 0,12 y2

dengan y ≈ 2,2 x

Contoh• Bahan Sumber AlxGa1-xAs dengan x = 0,07

Berapa Eg dan λ ?

• Bahan Sumber In1-xGaxAsyP1-y, dengan x = 0,26 Berapa Eg dan λ ?

Efisiensi Kuantum Internal

• Ekses elektron di bahan p-type dan hole di bahan n-type (minority carrier) terjadi di sumber cahayasemikonduktor (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 keperluannetralitas muatan kristal

• Jika injeksi pembawa (carrier) berhenti kepadatan pembawa kembali ke nilai keseimbangan

• Kepadatan ekses pembawa (minority carrier):

Δno : kepadatan ekses elektron yang diinjeksikan diawal

τ : carrier lifetime bergantung kepada komposisi material

t : waktu/ lamanya injeksi

t

eonn

• Ekses pembawa dapat berekombinasi secara radiatif maupun non radiatif

• Pada rekombinasi radiatif akan menghasilkan emisi photon

• Jika elektron-hole berekombinasi nonradiatifmelepaskan energi dalambentuk 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 (ηint):

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

– Rnr : laju rekombinasi nonradiatif

nrRrR

rR

int

Untuk penurunan eksponensial ekses pembawa, lifetime rekombinasi radiatif :

Lifetime rekombinasi non radiatif :

Efisiensi kuantum internal :

Lifetime rekombinasi bulk :

• 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:

• Rr adalah jumlah photon yang dihasilkan setiap sekon nya dimana setiap photon memiliki energi sebesar hv, sehingga daya optik internal (Pint) yang dihasilkan didalam LED adalah sebesar:

q

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

q

IrR int

q

hcIP intint

h : konstanta planck (6.6256 x 10-34 J.s)c : kecepatan cahaya (3 x 108 m/s)λ : panjang gelombang (m)I : besarnya arus yang diinjeksikan ke LED (A)

Contoh

• Sumber optik LED yang terbuat dari bahan semikonduktor InGaAs mampu menghasilkan emisicahaya dengan panjang gelombang puncak 1310 nm yang memiliki waktu rekombinasi radiatif dannonradiatif sebesar 30 dan 100 ns. Arus pacu (drive current) yang digunakan adalah 40 mA. Berapakah lifetime rekombinasi bulk (τ), efisiensi kuantum internal (ηint), daya power internal (Pint)

Jawaban

)(. nsnrr

123100

1

30

111

77030

123.

.

int

r

mWmxCx

AsmxsJx

q

hcIP 229

61031119106021

0408103341062566770 .

).)(.(

).)(/)(..(.intint

Tanggapan transien• Asumsi dasar pendekatan tanggapan transien :

– Kapasitansi muatan ruang junction Cs bervariasi lebih lambat karena arus dibanding dengankapasitansi difusi Cddipandang konstan

– Harga Cs 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 %:

221 lnln/

sI

pI

pI

sCt

99010 ln

pI

sCt TBk

q

2

Ip : amplitudo fungsi tangga arus utk memacu LEDIs : arus saturasi diodaτ : lifetime pembawa minoritaskB : konstanta boltzman (1.38 x 10-23 J/K)T : absolut temperatur pada pn junctionq : muatan photon (1.602 x 10-19 C)

Light Amplification by Stimulated Emission of RadiationLASER 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 bahansemikonduktor (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 monochromatis dan sangat terarah

“Emisi Laser”

“Tiga proses utama pada Emisi Laser”

isotropic, randomphase, narrowband

gaussian

In phase withincident 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 perlupermukaan 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 meningkatkanefisiensi kuantum eksternal

“Ruang Resonator/ cavity side”

• Radiasi optis dalam ruang resonansi menentukanpola garis medan listrik dan magnet disebut modedari 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 pnjunction

• Moda tersebut menentukan karakteristik laser seperti pola radiasi dan kepadatan arus threshold

“Ruang resonator Fabry-Perot”

• 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>gth

gth : penguatan optis lasing (threshold)αt : loss total

: koefisien absorbsi efektif bahan pada lintasan optisR1, R2 : Reflektifitas ujung laser 1 dan 2L : panjang ruang resonansiΓ : faktor optical confinement (bagian daya optis di active layer)

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

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

Efisiensi kuantum diferensial eksternal

• Efisiensi kuantum diferensial eksternal ηext adalah jumlah photon yg diemisikan setiap rekombinasi pasangan elektron-hole radiatif diatas threshold

ηi : efisiensi kuantum internal, hasil pengukuran padasuhu ruang bernilai antara 0,6 s/d 0,7

Dari percobaan:

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 danmultimode

KeteranganL : panjang ruang resonansiβ : konstanta yang nilainya bergantung pada spesifikasi konstruksi dari Lasern : indeks biasf : frekuensiλ : panjang gelombangm : integerc : kecepatan cahaya (3 x 108 m/s)

• Relasi antara penguatan dan panjanggelombang dapat diasumsikan berbentukgaussian:

egg

o

22

2

0).()(

keterangan:λo : panjang gelombang di pusat spektrumσ : lebar spektral penguatang(0) : penguatan maksimum yang sebanding dengan inversi populasi

Jarak antara 2 frekuensi yang berdekatan :

Jarak antara 2 panjanggelombang yang berdekatan:

Ln

cf

2

Ln2

2

“spektrum dari multimode dioda laser denganmaterial 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 ?

b) Jika pada titik setengah daya, λ – λo = 2 nm, berapa lebar spektral (σ) dari penguatan tersebut?

Jawaban

)(

.

GHzxxx

x

Ln

cf 81

736105002

8103

2

)(.

.

nmxxx

x

Ln20

736105002

2910850

2

2

)(.

.

.

)(.)(

).()(

)(

nm

e

e

gg

egg

x

o

o

71

50

50

050

0

22

29102

22

2

22

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 junction

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 dasarpembatasan arus (current confinment) pada dioda

laser”

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 modustransverse tunggal

• Untuk mendapatkan modus longitudinal tunggal dapat dilakukandengan 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 yang memiliki built-in frequency selective resonator

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

GaAlAs”

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 λB :

2

1

2

2m

eLen

BB

Λ : perioda gelombang

ne : indeks bias efektif modus

k : orde gratingk

enB

2

m : orde mode (0,1,2….), ex: first-

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

Le : panjang efektif grating

“Spektrum keluaran terdistribusi sekitar λB dari dioda laser DFB”

”Sifat daya keluaran optis yang bergantung pada suhu”

“Konstruksi pemancar dioda laser menggunakanthermoelectric cooler untuk tujuan stabilisasi”

“Titik bias dan wilayah modulasi amplitudo pada aplikasi analog LED”

“Titik bias dan wilayah modulasi amplitudo pada aplikasi analog Laser”

Kopling Daya

• Penyaluran daya optis dari sumber ke fiber, terdapat beberapa parameter yang mempengaruhiproses 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)])

• Distribusi daya angular

• Efisiensi gandengan: ukuran daya emisi sumber yang dapat digandeng/dikopling kefiber, yang dinyatakan sebagai berikut:

• keterangan:

PF: Daya yang digandeng ke fiber

PS: Daya yang diemisikan oleh sumber

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

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 sumbersama cerah jika dilihat dari setiap arah.

• Daerah proyeksi permukaan emisi bervariasi sebesar cos θ thd arahpenglihatan -> daya yang dikirim pada sudut θ bervariasi sebesar cos θrelatif terhadap garis tegak lurus permukaan emisi).

“Pola radiansi sumber LEDyang berpola lambertian danLASER yang berpola sangatterarah. Keduanya memiliki Bo

normalisasi = 1”

• Pola emisi sumber lambertian: B = Bo cos Ө

• Bo : 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:

Lo

2

To

2

cosB

cos

cosB

sin

,B

1 L : koefisien distribusi daya lateral (bil asli)

L = 1 lambertianT : koefisien distribusi daya transversal (bil asli)T : umumnya jauh lebih besar dr L (laser L > 100)

Contoh

• Dioda laser memiliki HPBW 2θ = 10o pada arah lateral (Ф = 0o)

• Hitung L !

• Berarti: sin Ф = 0 dan cos Ф = 1

• Sehingga B(θ=5o, Ф=0o) = Bo(cos 5o)L = ½ Bo

• Jadi: L = log 0,5/log(cos 5o) = log 0,5/log 0,9962 = 182

Perhitungan gandengan daya

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

Serat Step Index• Daya diteruskan ke fiber :

PLED,step = Ps (NA)2 rs ≤ a

PLED,step = (a/rs)2 Ps (NA)2 rs > a

Ps = л2 rs2 B0 ;

rs : jari-jari daerah aktif (cm);

B0 : daya optik yang diradiasikan tegak lurus terhadap permukaan emisi (W/(cm2.sr));

sr : steradian

NA : numerical aperture serat optik

a : jari-jari inti serat (cm).

Contoh

• LED, rs = 35 μm, pola emisi lambertian pada arah aksial

• 150 W/(cm2.sr)

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

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

• Bandingkan daya di gandeng oleh kedua fiber tersebut

Serat Graded Index

a

r

2

21nP2P s2

1sGI,LED

a

r

2

21nBa2P s2

1022

GI,LED

rs ≤ a

rs > a

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

2

1

1

nn

nnR

Pcoupled = (1-R) Pemitted

R : faktor koefisien refleksi Fresnell di permukaan ujung fiber

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 PS/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

1an2

2M

20

s BM

P

Keseimbangan NA

• Suatu sumber sering dilengkapi dengan flylead.

• NAfly = NAf dan afly = af 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

50eqNA

NAPP P50 : daya diharapkan pada titik 50 m

berdasar launch NA (NAin)

Keseimbangan NA

Contoh perubahan NA sebagai fungsi panjang fiber

Peningkatan gandengan• Jika luas permukaan sumber > luas inti fiber daya dapat digandeng

maksimum

• Jika luas permukaan sumber < luas inti fiber untuk meningkatkanefisiensi perlu dipasang lensa mini yang diletakkan diantara sumberdan fiber

• Fungsi lensa mini untuk (seolah-olah) memperbesar daerah emisisumber sehingga sepadan dengan daerah permukaan inti fiber

• Jika faktor pembesaran daerah emisi M daya yang digandeng kefiber akan meningkat dengan faktor yang sama

• Masalah dalam penggunaan lensa kesulitan pabrikasi danpenanganannya (taper ended fiber)

Beberapa skema pelensaan yang mungkin untuk peningkatanefisiensi 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

nn

q

n

s

n ''

“LED dengan lensa microsphere”

• 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-jarinegatip

• Dengan q = ∞, n = 2,0; n’ = 1 dan r = - RL , maka diperoleh:• S = f = 2 RL

• Berarti fokus terletak di titik A.

• Menempatkan LED di dekat permukaan lensa, perbesarandaerah emisi M :

2

s

L

2s

2L

r

R

r

RM

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

2

2

sL sinrs

RLPP

PS : daya keluaran total sumber tanpa lensa

Efisiensi gandengan maksimum :

1

NAr

a 2

2

smax

NAa

rs untuk

untuk NAa

rs

Gandengan dioda laser - fiber

• Dari hasil pengukuran Laser memiliki pola emisi dengan Full Widthat Half Maximum (FWHM):

• Bidang tegak lurus : 30 – 50o

• Bidang sejajar : 5 – 10o

• Near field sejajar : 3 – 9 μm

• Distribusi keluaran angular > sudut penerimaan fiber dan daerahemisi << luas penampang inti fiber dapat digunakan lensa bulat,silindris atau fiber taper untuk meningkatkan efisiensi.

Fiber collimator

Pigtail collimator

93

PHOTODETECTOR

94

Detektor Silikon PIN

95

Syarat foto detektor

• High response atau sensitifitas

• Noise rendah

• Respon cepat atau bandwidth lebar

• Tidak sensitif thd variasi suhu

• Kompatibel dgn fiber

• Murah

• Tahan lama

96

Detektor foto yg ada

• Photomultiplier (photocathode + multiplier dlm vacum tube)

• Pyroelectric detector (konversi photon ke panaskonstanta dielektrik)

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

97

Konfigurasi detektor PIN

Detektor PIN

98

Sirkit dioda foto pin diberi tegangan mundur

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.

Diagram pita energi dioda foto pin

100

ppp

nnn

DL

DL

Dn : koefisien difusi elektron

Dp : koefisien difusi hole

Carrier bermuatan mengalir melalui material, beberapa

pasangan elektron-hole berekombinasi dan hilang.

Elektron bergerak sejauh Ln sedang hole bergerak

sejauh Lp.

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()()(

0

xSePxP

αs(λ) : koefisien absorbsi pd panj gel λ

P0 : daya optis datang

P(x) : daya optis diserap sejauh x

Upper wavelength cutoff :

)(

24,1)(

eVEE

hcm

gg

C

Panj gel cutoff Si sekitar 1,06 μm, dan Ge sekitar 1,6 μm

102

Koefisien absorbsi sbg fungsi panj gelombang

103

Contoh

Dioda-foto terbuat dr GaAs, memiliki energi band gap 1,43

eV pd 300o K.

Panjang gel cutoff :

m

meVJxeV

smxsJx

E

hc

C

g

C

867,043,1

24,1

869,0/106,143,1

/103.10625,619

834

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()( 0

wSePwP

Jika memperhatikan reflektifitas permukaan dioda-

foto Rf, maka arus foto primer Ip :

f

w

p RePhf

qI S

1)1(0

q : muatan elektron

hf : energi photon

105

Efisiensi kuantum :

Jumlah elektron hole yg dibangkitkan

η = -------------------------------------------------------- = Jumlah photon datang hfP

qI p

/

/

0

Responsivitas :

hf

q

P

I p

0

Parameter ini sangat berguna karena menspesifikasikan

arus foto yg dibangkitkan tiap satuan daya.

[A/W]

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

Avalanche Photodiode (APD)

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 shgtercampur p doping

š p+

SiO2Electrode

net

x

x

E(x)

R

E

h > Eg

p

Iph

e– h+

Absorption

region

Avalanche

region

(a)

(b)

(c)

(a) A schematic illustration of the structure of an avalanche photodiode (APD) biasedfor avalanche gain. (b) The net space charge density across the photodiode. (c) Thefield across the diode and the identification of absorption and multiplication regions.

Electrode

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

n+

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.

Pd daerah medan listrik kuat terjadi pelipat gandaan carrier.

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

IM

IM : rata2 arus keluaran multiplikasi total

IP : 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 : MMhf

qAPD 0

113

Laju ionisasi carrier hasil percobaan

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

Pengaruh teg bias thd penguatan arus