Gambar 11.1 Peta kontribusi semikonduktor optik terhadap telekomunikasi.
Semikonduktor optik memungkinkan konversi sinyal listrik menjadi cahaya dan cahaya menjadi sinyal listrik. Dalam transmitter fiber, LED atau laser diode mengubah arus listrik menjadi foton. Dalam receiver fiber, photodiode mengubah foton menjadi arus listrik. OpenStax menjelaskan dasar p-n junction dan perangkat semikonduktor, sedangkan konsep foton dan energi cahaya menjadi dasar memahami emisi dan absorpsi optik [2].
2. Bandgap dan Energi Foton
Semikonduktor memiliki pita valensi, pita konduksi, dan celah energi yang disebut bandgap. Elektron dapat berpindah dari pita valensi ke pita konduksi jika memperoleh energi yang cukup. Sebaliknya, ketika elektron dan hole berekombinasi, energi dapat dilepaskan sebagai foton pada material direct bandgap
Gambar 11.2 Bandgap pada semikonduktor.
Energi foton ditentukan oleh frekuensinya:
� = ℎ�
Dengan â„Ž adalah konstanta Planck dan � adalah frekuensi. Karena:
� = ��
maka energi foton juga dapat ditulis sebagai:
ℎ�
� =
�
Jika energi ditulis dalam elektronvolt dan panjang gelombang dalam mikrometer, pendekatan praktis yang sering digunakan adalah:
�(eV) ≈
1.24
�(�m)
Persamaan ini sangat berguna untuk memahami mengapa material semikonduktor berbeda digunakan untuk panjang gelombang 850 nm, 1310 nm, dan 1550 nm.
3. p-n Junction
p-n junction terbentuk ketika material p-type dan n-type disambungkan. Pada daerah sambungan, elektron dan hole berdifusi dan membentuk depletion region. OpenStax menjelaskan bahwa diode dibuat dengan menggabungkan p-type dan n-type, sehingga arus dapat mengalir lebih mudah pada satu arah dibanding arah lainnya [2].
Gambar 11.3 p-n junction dan depletion region.
Pada bias maju, carrier diinjeksikan ke daerah junction. Pada LED dan laser diode, sebagian rekombinasi carrier dapat menghasilkan cahaya. Pada photodiode, cahaya yang diserap menghasilkan pasangan elektron-hole yang kemudian dipisahkan oleh medan internal sehingga menghasilkan arus.
Persamaan arus diode ideal ditulis sebagai:
��
� = �� (���� − 1)
Dengan �� adalah arus saturasi, � muatan elementer, � tegangan diode, � faktor idealitas, � konstanta Boltzmann, dan � temperatur absolut. Pada mata kuliah Fisika, persamaan ini cukup dikenalkan maknanya; analisis rangkaian detail dilanjutkan pada Elektronika.
4. LED sebagai Sumber Cahaya
Light Emitting Diode (LED) menghasilkan cahaya melalui rekombinasi elektron dan hole secara radiatif. LED relatif sederhana, murah, dan dapat digunakan untuk komunikasi jarak pendek, indikator, sensor optik, serta beberapa aplikasi komunikasi optik berkecepatan rendah hingga menengah.
Gambar 11.4 Prinsip emisi cahaya pada LED. Panjang gelombang pusat LED berkaitan dengan bandgap material:
ℎ�
� ≈
�
LED memiliki spektrum relatif lebar karena emisinya bersifat spontan. Akibatnya, LED kurang cocok untuk sistem fiber jarak jauh berkecepatan sangat tinggi dibanding laser diode. Namun, LED tetap penting untuk memahami dasar optoelektronika dan sistem sensor optik.
5. Laser Diode
Laser diode menghasilkan cahaya melalui emisi terstimulasi di dalam resonator optik. Dibanding LED, laser diode memiliki spektrum lebih sempit, daya lebih terarah, dan cocok untuk sistem komunikasi optik jarak jauh atau bitrate tinggi [8], [9].
Gambar 11.5 Konsep resonator pada laser diode.
Laser diode memiliki arus ambang. Di bawah ambang, perangkat lebih mirip LED dengan emisi spontan dominan. Di atas ambang, emisi terstimulasi menjadi dominan dan output optik meningkat tajam.
Gambar 11.10 Kurva L-I-V konseptual laser diode. Secara sederhana, daya optik di atas threshold dapat didekati sebagai:
���� ≈ ��(� − ��â„Ž)
Dengan �� adalah slope efficiency dan ��ℎ adalah arus ambang. Dalam praktik, laser diode memerlukan driver arus yang stabil dan proteksi temperatur karena panjang gelombang dan daya keluarannya sensitif terhadap temperatur.
6. Photodiode
Photodiode mengubah cahaya menjadi arus listrik. Ketika foton dengan energi cukup diserap pada semikonduktor, pasangan elektron-hole terbentuk. Medan internal pada junction memisahkan carrier tersebut sehingga menghasilkan photocurrent.
Gambar 11.6 Prinsip photodiode.
Syarat absorpsi foton secara sederhana adalah:
atau:
â„Ž� ≥ ��
ℎ�
� ≥ ��
Jika energi foton lebih kecil daripada bandgap, foton tidak cukup untuk menghasilkan pasangan elektron-hole secara efektif. Karena itu, material photodiode harus sesuai dengan panjang gelombang operasi.
7. PIN Photodiode dan APD
PIN photodiode memiliki daerah intrinsic yang lebih lebar di antara p dan n. Daerah ini meningkatkan volume absorpsi dan dapat meningkatkan bandwidth serta respons optik.
Gambar 11.7 Struktur konseptual PIN photodiode.
Avalanche photodiode (APD) bekerja dengan penguatan internal melalui proses avalanche. APD lebih sensitif dibanding PIN photodiode, tetapi memerlukan tegangan bias lebih tinggi dan memiliki noise yang lebih kompleks. Pemilihan PIN atau APD bergantung pada jarak link, sensitivitas receiver, bitrate, biaya, dan kompleksitas sistem.
8. Responsivity dan Quantum Efficiency
Responsivity menyatakan perbandingan arus keluaran photodiode terhadap daya optik yang diterima.
��ℎ
� =
���
Satuan responsivity adalah A/W. Jika quantum efficiency adalah �, maka responsivity ideal dapat ditulis sebagai:
�
� = � ℎ�
atau:
��
� = � ℎ�
Gambar 11.11 Faktor yang membatasi bandwidth dan sensitivitas receiver optik. Hubungan kasar antara bandwidth dan rise time sistem orde pertama adalah:
0.35
� ≈
��
Dengan � adalah bandwidth dan �� adalah rise time. Dalam sistem digital, bandwidth yang tidak cukup menyebabkan tepi pulsa melambat, eye diagram menutup, dan bit error meningkat.
11. Studi Kasus: Responsivity Photodiode
Sebuah photodiode menerima daya optik ���� = 100 �� dan menghasilkan arus photocurrent ��ℎ =
80 ��. Responsivity-nya adalah:
80 ��
� = 100 �� = 0.8 A/W
Jika daya optik turun menjadi 10 �� dan responsivity sama, maka arus photodiode menjadi:
��â„Ž = ����� = 0.8 × 10 �� = 8 ��
Kasus ini menunjukkan mengapa receiver optik membutuhkan penguat arus kecil dan mengapa noise menjadi faktor kritis pada link optik jarak jauh.
12. Materi Pengayaan
Materi berikut dapat dijadikan bacaan mandiri:
- direct bandgap dan indirect bandgap;
- rate equation laser diode;
- distributed feedback laser;
- noise shot dan thermal noise;
- dark current;
- eye diagram pada receiver optik;
- photodiode avalanche dan excess noise factor.
13. Ringkasan
Bab ini menjelaskan bahwa perangkat optik telekomunikasi bekerja berdasarkan konversi energi antara listrik dan cahaya. LED dan laser diode mengubah arus menjadi foton, sedangkan photodiode mengubah foton menjadi arus. Bandgap menentukan panjang gelombang emisi dan absorpsi. Responsivity, bandwidth, dan noise menentukan kualitas receiver optik. Pemahaman ini memperkuat mata kuliah Fiber Optik, Elektronika Telekomunikasi, Instrumentasi, dan IoT.
14. Soal Latihan
- Hitung energi foton pada 1550 nm dalam eV.
- Hitung energi foton pada 1310 nm.
- Material memiliki bandgap 1,42 eV. Estimasikan panjang gelombang emisi.
- Photodiode memiliki responsivity 0,9 A/W dan menerima 50 μW. Hitung photocurrent.
- Photocurrent terukur 18 μA dan responsivity 0,9 A/W. Hitung daya optik.
- Estimasi responsivity ideal photodiode dengan efisiensi kuantum 0,8 pada 1550 nm.
- Laser diode memiliki slope efficiency 0,20 W/A, Ith=20 mA, dan I=50 mA. Estimasikan daya optik di atas threshold.
- Jika rise time receiver 1 ns, estimasikan bandwidth dengan pendekatan BW≈0,35/tr.
- Mengapa laser diode lebih sesuai untuk link jauh berbitrate tinggi daripada LED?
- Bedakan emisi spontan dan emisi terstimulasi.
- Apa makna arus threshold pada laser diode?
- Bandingkan PIN photodiode dan APD.
- Mengapa material direct-bandgap efektif untuk LED/laser?
- Apa fungsi transimpedance amplifier pada receiver optik?
- Mengapa temperatur penting pada laser diode?
15. Pembahasan Soal
1. Pembahasan Soal 1
Diketahui:
Ditanya: E. Rumus/Ketentuan:
� = 1,55��
eV) ≈ 1,24
� ( )
�(��
Jawab:
Hasil akhir:
Energi foton sekitar 0,80 eV.
2. Pembahasan Soal 2
Diketahui:
Ditanya: E. Rumus/Ketentuan:
� ≈ 1,24
1,55 = 0,80eV
� = 1,31��
eV) ≈ 1,24
Jawab:
� ( �(�� )
Hasil akhir:
Energi foton sekitar 0,95 eV.
3. Pembahasan Soal 3
Diketahui:
Ditanya: λ. Rumus/Ketentuan:
Jawab:
� ≈ 1,24
1,31 ≈ 0,947 eV
�� = 1,42eV
��) ≈ 1,24
� ( )
��(eV
Hasil akhir:
Panjang gelombang sekitar 873 nm.
4. Pembahasan Soal 4
Diketahui:
� ≈ 1,24
1,42
= 0,873��
Ditanya: Ip. Rumus/Ketentuan:
Jawab:
� = 0,9�/�; � = 50��
�� = ��
Hasil akhir:
Photocurrent adalah 45 μA.
5. Pembahasan Soal 5
Diketahui:
Ditanya: Popt. Rumus/Ketentuan:
Jawab:
�� = 0,9 × 50 × 10−6 = 45��
�� = 18��; � = 0,9�/�
��
���� = �
18 × 10−6
Hasil akhir:
Daya optik adalah 20 μW.
6. Pembahasan Soal 6
Diketahui:
���� =
= 20��
0,9
Ditanya: R. Rumus/Ketentuan:
� = 0,8; � = 1,55��
(��)
Jawab:
�(�/�) ≈ ��
1,24
Hasil akhir:
Responsivity ideal sekitar 1,0 A/W.
7. Pembahasan Soal 7
Diketahui:
� ≈ 0,8 × 1,55
1,24 ≈ 1,00�/�
Ditanya: Pout. Rumus/Ketentuan:
Jawab:
�� = 0,20�/�; � = 0,050�; ��ℎ = 0,020�
���� ≈ ��(� − ��â„Ž )
���� = 0,20(0,030) = 0,006�
Hasil akhir:
Daya optik sekitar 6 mW.
8. Pembahasan Soal 8
Diketahui:
Ditanya: BW. Rumus/Ketentuan:
Jawab: Hasil akhir:
Bandwidth sekitar 350 MHz.
9. Pembahasan Soal 9
Diketahui:
�� = 1ns
BW ≈ 0,35
��
0,35
BW = 1 × 10−9 = 350MHz
LED: emisi spontan dan spektrum lebih lebar; laser: emisi terstimulasi. Ditanya:
Alasan teknis-fisika.
Rumus/Ketentuan:
Jawab:
���������� ��������, ���ℎ, ��� ��ℎ������.
Laser memiliki spektrum lebih sempit, daya lebih terarah, dan coupling ke fiber lebih baik sehingga dispersi dan rugi coupling dapat lebih rendah.
Hasil akhir:
Laser diode umumnya lebih cocok untuk link jauh/cepat.
10. Pembahasan Soal 10
Diketahui:
Keduanya menghasilkan foton dari transisi energi. Ditanya:
Perbedaan mekanisme.
Rumus/Ketentuan:
Jawab:
������ ����������� ��� ��������� �����.
Emisi spontan terjadi tanpa foton pemicu dengan fase/arah lebih acak; emisi terstimulasi dipicu foton dan menghasilkan foton yang koheren dengan pemicu.
Hasil akhir:
Emisi terstimulasi menjadi dasar laser.
11. Pembahasan Soal 11
Diketahui:
Laser memerlukan gain optik cukup untuk mengatasi loss resonator. Ditanya:
Makna Ith.
Rumus/Ketentuan:
Jawab:
�� ���� �ℎ���ℎ���, ����� ������������ �������.
Di bawah Ith output didominasi emisi spontan; di atas Ith gain mencapai kondisi lasing dan output meningkat lebih tajam.
Hasil akhir:
Ith adalah arus ambang awal operasi lasing.
12. Pembahasan Soal 12
Diketahui:
PIN tidak memiliki avalanche gain internal; APD dioperasikan pada medan tinggi. Ditanya:
Perbedaan fungsi.
Rumus/Ketentuan:
Jawab:
��� �������� �������������� � > 1.
APD dapat memberikan gain internal dan sensitivitas lebih tinggi tetapi membutuhkan bias tinggi dan menambah noise/kompleksitas.
Hasil akhir:
PIN lebih sederhana; APD memberi gain internal dengan konsekuensi noise dan bias.
13. Pembahasan Soal 13
Diketahui:
Rekombinasi elektron-hole harus menghasilkan foton secara efisien. Ditanya:
Peran jenis bandgap. Rumus/Ketentuan:
�������� ������ ����� ���������� ������ℎ�� �������� ����� ���ℎ �����.
Jawab:
Probabilitas rekombinasi radiatif lebih tinggi pada material direct-bandgap. Hasil akhir:
Direct-bandgap mendukung emisi cahaya yang efisien.
14. Pembahasan Soal 14
Diketahui:
Photodiode menghasilkan arus kecil.
Ditanya: Fungsi TIA. Rumus/Ketentuan:
Jawab:
���� ≈ −���� ���� ����� �����â„Ž���.
TIA mengubah photocurrent menjadi tegangan dengan gain yang terkontrol sambil menjaga bandwidth dan noise receiver.
Hasil akhir:
TIA menjadi antarmuka utama photodiode ke pemrosesan tegangan.
15. Pembahasan Soal 15
Diketahui:
Bandgap, threshold current, dan efisiensi berubah terhadap temperatur. Ditanya:
Dampak temperatur.
Rumus/Ketentuan:
Jawab:
��������� ����� ���������� �.
Kenaikan temperatur dapat menggeser panjang gelombang, menaikkan threshold, dan mengubah daya keluaran.
Hasil akhir:
Driver dan manajemen termal diperlukan untuk kestabilan laser.
16. Daftar Referensi
[1] BIPM, The International System of Units (SI), 9th ed., Bureau International des Poids et Mesures.
Tautan: https://www.bipm.org/en/publications/si-brochure
[2] OpenStax, University Physics Volume 3, Rice University. Tautan:
https://openstax.org/details/books/university-physics-volume-3
[3] NASA, Introduction to the Electromagnetic Spectrum. Tautan:
https://science.nasa.gov/ems/01_intro/
[4] ITU-R, Recommendation ITU-R P.525: Calculation of free-space attenuation. Tautan:
https://www.itu.int/rec/R-REC-P.525
[5] ITU-R, Recommendation ITU-R P.526: Propagation by diffraction. Tautan:
https://www.itu.int/rec/R-REC-P.526
[6] ITU-T, Recommendation ITU-T G.650.1: Definitions and test methods for linear, deterministic attributes of single-mode fibre and cable. Tautan: https://www.itu.int/rec/T-REC-G.650.1
[7] ITU-T, Recommendation ITU-T G.652: Characteristics of a single-mode optical fibre and cable.
Tautan: https://www.itu.int/rec/T-REC-G.652
[8] G. Keiser, Optical Fiber Communications, McGraw-Hill. Tautan penerbit:
https://www.mheducation.com/
[9] G. P. Agrawal, Fiber-Optic Communication Systems, Wiley. Tautan penerbit:
https://www.wiley.com/
[10] B. E. A. Saleh and M. C. Teich, Fundamentals of Photonics, Wiley. Tautan penerbit:
https://www.wiley.com/
[11] C. A. Balanis, Antenna Theory: Analysis and Design, Wiley. Tautan penerbit:
https://www.wiley.com/
[12] D. M. Pozar, Microwave Engineering, Wiley. Tautan penerbit: https://www.wiley.com/
[13] ITU-R, Recommendation ITU-R P.838: Specific attenuation model for rain for use in prediction methods. Tautan: https://www.itu.int/rec/R-REC-P.838
