PENERIMA (RECEIVER) SERAT OPTIK

Elemen penting dari sistem komunikasi optik adalah transmiter optik, kabel

optik, dan receiver optik. Komponen tambahan adalah: optical amplifier, konektor,

splice, kopler, dan regenerator.

Gambar (1). Konfigurasi Dasar Sistem Komunikasi Fiber Optik

Desain penerima optik lebih kompleks dibandingkan pengirim optik Gambar

(1) hanya menggambarkan link optik secara point-to-point. Sistem komunikasi serat

optik yang lebih kompleks adalah jaringan komunikasi serat optik.

1. Karakteristik Penerima Cahaya

Fungsi dari receiver adalah untuk mengubah sinyal input optik menjadi sinyal

elektrik. Maka dari itu karakteristik sangat dibutuhkan diantaranya:

- Sensitivitas tinggi

- Bandwidth yang mencukupi dan respon yang cepat untuk mengakomodasi

laju informasi.

- Noise rendah

- Reliabilitas tinggi dan tidak terpengaruh perubahan suhu.

2. Komponen Receiver pada Serat Optik

Receiver pada sistem komunikasi fiber optik terdiri dari 2 bagian yaitu :

2.1 Detektor Penerima

Detektor Penerima (Photo detector) berfungsi untuk menangkap cahaya yang

berupa gelombang optik pembawa informasi, dapat berupa PIN diode atau APD

(Avalance Photo Diode). Pemilihannya tergantung keperluan sistem

komunikasinya. Seperti halnya pemancar optik, penerima optik juga terdiri dari

bahan semi konduktor. Dikombinasikan dengan pemancar Gallium Arsenide

(GaAS), serat silika quartz dan (SiO2) dan silika (Si) Receiver.

2.1.1. Tipe photodetector

A. PIN/ FET Photo Diode

Di dalam PIN diode, serat optik ditempatkan sedemikian hingga cahaya

yang diterima jatuh pada suatu lapisan intrinsik dari material semi

konduktor yang diletakkan antara lapisan tipe n dan tipe p. Diode junction

dibentuk oleh lapisan. Lapisan ini dibias mundur (reserve-bias) dan jumlah

arus yang mengalir melalui junction tersebut ditentukan oleh intesitas

cahaya (jumlah photon) yang masuk dalam lapisan intrinsik. Variasi arus

yang mengalir melalui diode PIN sebagai hasil dari variasi intensitas sinyal

optik yang diterima adalah sangat kecil sehingga memerlukan penguatan.

Gambar (2) Struktur dan Prinsip PIN

Gambar (3) Rangkaian Ekivalen Photo Diode

REi merupakan arus responsivity yang dinyatakan dengan :

REi = iD / P = (he)(l.10-9) / h.c

= (0,804.10-3) (h l) (1)

Dimana :

iD = arus PIN (A)

P = daya optik yang dipakai (W)

h = quantum efficiency dr junction( elektron / photos)

silikon : 0,8 ; germanium : 0,55

l = 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)

Tegangan responsivity dapat dihitung dgn :

REv = REi.RL (2)

dimana : REv = teg. Responsivity (V/A)

RL = resistansi beban (ohm)

Output voltage dr rangkaian equivalent PIN diatas adalah :

VL= (P) (REi.RL) (3)

dimana : VL = tegangan beban (V)

RL = resistansi beban (ohm)

Dengan hukum kirchoff maka tegangan yg lewat photodiode :

VD = VB – VL (4)

dimana VD = tegangan yg lewat photodiode

VB = tegangan bias

Sehingga nilai daya optimum adalah :

Pmax=VB/ REi.RL (5)

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 (6)

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 = √ tD2 + tC

2 (7)

dimana : tR=receiver time constanta

tD=rise time dioda

Nilai rise time terbatas pada bandwidth system.

Untuk nilai bandwidth 3 dB, maka rise time dapat dihitung dengan :

fR = 0,35 / tR (8)

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

B. Avalanche Photo Diode(APD)

APD Mempunyai konstruksi yang mirip dan beroperasi dengan cara

yang sama dengan diode PIN. Akan tetapi APD tidak memerlukan penguat

efek medan di dalam modul penerima. Internal gain yang membuat APD

lebih sensitif, diperoleh melalui penggunaan tegangan bias mundur yang

tinggi pada diode junctionnya. Hal ini menghasilkan suatu medan listrik

yang tinggi pada lapisan instrinsik diode. Pada saat suatu elektron dilepas

karena adanya suatu photon yang masuk ke lapisan intrinsik, medan listrik

akan memyebabkan elektron tersebut bergerak sepanjang lapisan pada

kecepatan yang tinggi dan bertabrakan dengan molekul-molekul lain

sehinggga melepaskan lebih banyak elektron yang selanjutnya akan

bergerak sepanjang lapisan dengan kecepatan tinggi. Proses ini dinamakan

avalanche breakdown.

Gambar (4) Struktur APD

Cara 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.

Valanche Breakdown

Pada saat suatu elektron dilepas karena adanya suatu photon yang masuk

ke lapisan intrinsik, medan listrik akan menyebabkan elektron tersebut

bergerak sepanjang lapisan pada kecepatan yang tinggi dan bertubrukan

dengan molekul-molekul lain sehinggga melepaskan lebih banyak elektron-

elektron yang selanjutnya akan bergerak sepanjang lapisan dengan

kecepatan tinggi.

Keuntungan penggunaan avalanche breakdown ini adalah peningkatan

sensitivitas dibandingkan dengan diode PIN

Gambar (5) Prinsip APD

Keuntungan penggunaan avalanche breakdown ini adalah dapat

digunakan untuk komunikasi jarak jauh pada panjang gelombang 1300 nm,

1500 nm, dan 1550 nm dengan kualitas yang baik. Artinya detektor APD

mempunyai sensitivitas dan response yang tinggi terhadap sinar laser LD

sebagai pembawa gelombang optik informasi.

C. Photo Transistor

Sama halnya dioda foto, maka transistor foto juga dapat dibuat

sebagai detektor penerima. Agar penggunaannya lebih baik maka dengan

menggabungkan dioda foto dengan transistor foto dalam satu rangkain.

– Kombinasi dioda foto dan transistor dalam satu chip

– Transistor sebagai penguat arus

– Linieritas dan respons frekuensi tidak sebaik dioda foto

Gambar (6) Karakteristik Transistor Foto, (a) (b) (c) (d) Rangkaian Uji Transistor Foto

2.1.2 Perbandingan PIN Photodiode dan APD

Tabel (1) Perbandingan PIN dan APD

Untuk komunikasi jarak pendek lebih efisien jika menggunakan ditektor

PIN diode, karena PIN baik digunakan untuk bit rate rendah dan

sensitivitasnya tinggi untuk LED. Sumber cahaya LD terlihat memiliki daya

lebih besar, stabil, konstan pada bit rate berapapun, sedangkan sumber

cahaya LED mempunyai daya pancar yang lebih kecil dan pada bit rate 100

Mbps dayanya mulai menurun.

Seperti halnya transmitter, pemilihan receiver juga ditentukan oleh

tipe link yang akan dibangun :

• Short link : Ge PIN

• Medium link : Ge, III/V PIN

• Long link : III/IV APD

PIN photodiode kurang sensitif dibandingkan dengan APD, tetapi

desainnya memungkinkan untuk diintegrasikan dengan suatu penguat FET.

Dengan begitu, suatu modul terpadu yang mempunyai fleksibilitas

penggunaan yang tinggi dapat diperoleh.

APD memerlukan penggunaan suatu konverter (dengan range tegangan

kerja dari 25~80V) dan lebih sesuai untuk digunakan pada sistem jarak jauh.

2.2 Rangkaian elektrik

Rangkaian elektrik berfungsi untuk mengkonversi cahaya pembawa informasi

terhadap data informasi yang dibawa dengan melakukan regenerasi timing,

regenerasi pulse serta konversi sinyal elektrik ke dalam interface V.28 yang

berupa sinyal digital dan sebaliknya.

3. Komponen receiver

Komponen receiver dibagi menjadi 3

1. Front End

2. Linear Channel

3. Data Recovery

Gambar (7) Blog Diagram Penerima Fiber Optik

Front End

Terdiri dari :

• Photo Diode : mengubah sinyal optik menjadi sinyal elektrik

• Preamplifier : menguatkan sinyal untuk proses selanjutnya

Linear Channel

Terdiri dari :

• Main Amplifier : dikontrol secara otomatis untuk membatasi tegangan output

• Low Pass Filter : untuk membentuk pulsa tegangan yang berguna untuk

mengurangi noise

Data Recovery

Terdiri dari :

• Sirkit Decision : untuk membandingkan output dari linear channel terhadap

level threshold dan memutuskan apakah sinyal merupakan bit “1” atau bit “0”

• Sirkit Clock Recovery : mensinkronkan proses keputusan