BAB IV PENERAPAN OPTOELEKTRONIKA Pada bab-bab bab terdahulu telah dipaparkan komponen-komponen komponen komponen optoelektronis; macam komponen, dasar kerja, watak-watak, watak unjuk-kerja kerja komponen, dan sebagainya. Dalam bab inii akan dibahas secara singkat s gkat beberapa contoh penerapan komponen-komponen komponen tersebut dalam sistem optoelektronis. Pokok bahasan pada bagian inii meliputi penerapan di bidang peraga, bidang deteksi isyarat, bidang pengendalian daya (power control), bidang mikrokomputer, bidang telekomunikasi, serta bidang militer. 1 Penerapan LED sebagai piranti peraga IV-1 Hampir semua sistem elektronis selalu melibatkan komponen optoelektro optoelektronis. LED misalnya, salnya, digunakan secara luas baik ba sebagai piranti peraga (“display”. ay”. indikator) maupun sebagai sumber cahaya untuk berbagai berbaga keperluan sistem elektronis. Pada bagian ini dibahas contoh penggunaan LED sebagai piranti peraga (“display”, indikator). IV-1.1 1.1 Peraga Grafik Balok (Bar Graph Display) Gambar 7.1 melukiskan kiskan contoh peraga grafik balok serta tanggapan ke kerjanya, untuk membandingkan aras tegangan masukan digunakan piranti pe pembanding (komparator), U1 hingga U4. Tegangan masukan dan tegangan prasikap masing masingmasing diberi nama-sandi sandi dan Vin dan Vcc. Aras tegangan ambang bang untuk setiap ttingkat berturut-turut turut dinyatakan dengan V1, V2, V3 dan V4 dengan nilai masing-masing: masing:
Gambar 4.1 LED sebagai peraga grafik balok Apabila nilai lai tegangan masukan masuka melampui suatu aras tegangan ambang tertentu (pada suatu tingkat) maka LED pada posisi tersebut akan katif (menyala). Makin tinggi t aras tegangan masukannya asukannya makin banyak aras tegangan ambang setiap setia tingkat yang terlampui; yang diperagakan dengan makin banyaknya LED yang aktif (menyala). Cara kerja sistem tersebut dapat dinyatakan dinyata sebagi berikut. Apabila: Vin > V1 maka LED1 aktif Vin > V2 maka LED1. LED2 aktif Vin > V3 maka LED1, LED2, LED3 aktif Vin > V4 maka LED1, LED2, LED3, LED4 aktif IV-1.2 1.2 Peraga Indikator Posisi Dengan mengubah konfigurasi untai ai peraga grafik balok yang telah dibicarakan, dapat diperoleh peraga indikator dikator posisi. yang tampak pada gambar 4.2. 4 2. LED pada setiap tingkat akan aktif bila nilai tegangan masukan sesuai dengan jangkauan
tegangan tingkat tersebut. Jadi setiap saat ada tegangan tega masukan kan hanya sa satu LED saja yang aktif menyala untuk menunjukkan nilai jangkauan tersebut. Secara singkat ungkapan tersebut dapat dinyatakan dengan lima pertidaksamaan pertidaksa berikut: Apabila: Vin < V1 maka LED1 aktif V1 < Vin < V2 maka LED2 aktif V2 < Vin < V3 maka LED3 aktif V3 < Vin < V4 maka LED4 aktif Vin < V5 maka LED5 aktif
Gambar 4.2 LED sebagai peraga posisi IV-1.3 Peraga Karakter Dalam kehidupan sehari-hari sehari suatu informasi asi akan mudah dimengerti apabila diperagakan dalam bentuk gambar at atau karakter (huruf dan angka). Jenis peragaan karakter yang paling populer adalah peraga LED 7-segmen. 7 segmen. Gambar 4.3 merupakan contoh susunan beberapa sistem peraga karakter. Peragaan karakter dapat dibentuk dengan ruas-ruas ruas (segmen) atau dengan susunan mamks titik titik (dot matrix) yang mempunyai berbagai macam susunan dan ukuran. Beberapa macam wujud piranti peraga karakter LED tampak pada gambar 4.4.
IV-1.4 1.4 Peraga dengan Penyinaran Belakang (Back Lighting) Suatu informasi yang diperagakan, baik dalam bentuk karakter karakter maupun dalam bentuk gambar pada suatu panel, akan tampak lebih jelas untuk dilihat apabila perbedaan intensitas cahaya pada karakter/gambar dan latar belakangnya cukup besar (cukup kontras). Salah satu metode untuk mewujudican hal ini adalah cara penyinaran dari belakang (back lighting). Contoh peragaan gambar/karakter bar/karakter dengan metode ini tampak pada garnbar 4.5.
Gambar 4.5 Peraga dengan penyinaran belakang: a) Peragaan gambar, b) Peragaan karakter IV-2 Penerapan LED dan Fotodetektor untuk D Deteksi Asap Pada bagian ini dibahas penggunaan LED dan totodetektor pada sistem deteksi asap. Contoh penggunaan piranti ini adalah di gedung-gedung gedung atau peralatan lain
untuk rnendeteksi adanya asap (misalnya akibat kebakaran). Dasar kerja piranti ini adalah sebagaii berikut. Sumber Cahaya (LED) dan foto detektor dipasang sedernikian sehingga kedua piranti tidak dapat berhubungan langsung. Apabila ada asap melingkupi gkupi ruang antara LED dan detektor maka cahaya LED akan dihamburkan hamburkan dan dipantulkan kesana-kemari sehingga ada sebagian yang terdeteksi oleh ffotodiode; yang selanjutnya isyarat ini diproses untuk diambil informasinya. Posisi Kedua komponen tersebut dapat diatur secara sesumbu (koaksial) atau secara radial; seperti tampak pada Gambar 4.6a dan 4.6b. Untuk penggunaan di dalam ruangan, kedua susunan sistem deteksi asap tersebut dapat digunakan. Untuk mendeteksi adanya asap pada cerobong asap atau di dalam pipa udara, susunan radial lebih cocok karena tidak ada halangan bagi asap/udara untuk bergerak sepanjang pipa.
IV-3 3 Penerapan Optoisolator Pada Bab III telah dibahas piranti optoisolator (disebut juga “Optocoupler”) beserta watak-wataknya. wataknya. Watak yang terpenting adalah kemampuan isolasi yang tinggi. Watak isolasi asi yang tinggi ini banyak dimanfaatkan untuk berbagai rbagai keperluan. Pada bagian ini dibahas contoh penggunaan optoisolator dalam bidang elektronika dan bidang pengendalian daya (power power control). control
IV-3.1 3.1 Penggunaan Optoisolator dalam Bidang Elektronika Optoisolator or banyak digunak digunakan baik dalam untai analog, log, untai digital, maupun untai gabungan kedua macam untai tersebut. Salah satu fungsi pengisolasian adalah mengurangi/ meniadakan “ground looping”. looping Penerapan Optoisolator untuk isolasi Isyarat Analog a. Teknik Isolasi Isyarat Analog ke Analog Sebagai contoh, penerapan piranti optoisolator untuk isolasi isyarat analog adalah pada untai Penguat Isolasi dc Servo, yang tampak pada Gambar 4.7.
Gambar 4.7 Penguat Isolasi de Servo Prinsip kerja untai ini adalah pengalihan suatu besaran besaran (tegangan, arus elekrik) dari suatu untai ke untai yang lain, sedemikian se sehingga secara kelistrikan ikan kedua untai tersebut saling taktergandeng. Pada Gambar 4.7 tampak bahwa pada kedua untai yang tak tergandeng tersebut terdapat sumber arus tetap lcc1 Besaran cc dan 1cc2 untuk memberi prasikap pada LED. Besar yang akan dialihkan adalah Vin ke Vout ; dengan perantaraan arus IF1 dan IF2. Fungsi piranti optoisolator toisolator disini adalah sebagai piranti pengalili isyarat, sehingga besaran yang dialihkan secara kelistrikan saling s taktergandeng. Pemantauan dan pengendalian dilakukan dengan membandingkan arus keluaran optoisolator lcc1 dan Icc2, dengan piranti pembanding (komparator). Apabila terjadi selisih antara Icc1 dan Icc2 (terjadi perubahan IF1, Vin) maka arus IF2 yang berasal dan U2 akan berubah. Perubahan anus IF2 dipantau oleh fotodiode; dan anus IC2 akan berubah menyesuaikan diri sampai terjadi jadi keseimbangan.
b. Penerapan Optoisolator pada Piranti Pengubah Analog-ke-Digital Analog Digital (ADC) Pengisolasian isyarat analog dapat dilakukan baikk dengan isolasi secara analog maupun isolasi secara digital. Isolasi secara digital untuk isyarat analog dilakukan berdasar beberapa alasan di antaranya: 1) Faktor kesalahan (ketidaklinearan) yang dapat terjadi relatif kecil; 2) Stabilitas isolasi digital terhadap pengaruh suhu lebih mantap 3) Kadang, pada beberapa penerapan, isyarat analog harus diubah ke bentuk digital untuk diproses secara digital; misalnya dengan dengan mikroprosesor. Dalam hal ini isolasi digital digunakan untuk memisahkan piranti masuk masukan analog dengan piranti keluaran digital. Contoh penerapan optoisolator pada piranti Pengubah Isyarat Analog-ke-Digital Analog tampak pada Gambar 4.8a dan 4.8b, berturut berturut-turut turut untuk keluaran ADC paralel da dan keluaran ADC seri.. Optoisolator dipasang pada keluaran ADC untuk mengisolasi untai ADC dengan untai digital berikutnya.
Gambar 4.8 Penggunaan optoisolator pada ADC a) Konfigurasi keluaran paralel b) Konfigurasi keluaran seri c. Isolasi Isyarat Analog menggunakan Teknik Pengubahan Analog-ke ke-Digitalke-Analog Teknik Isolasi jenis ini pada prinsipnya prinsipnya sama dengan teknik isolasi analog analog-keAnalog, seperti yang telah dibicarakan terdahulu, dengan tambahan bahwa proses pengubahan dilakukan secara digital; sehingga menjadi berkonfigurasi An Analog-keDigital-ke-Analog, Analog, Keunggulan teknik ini adalah bahwa isyarat-terisolasi terisolasi lebih keb kebal terhadap perubahan nisbah alih arus (CTR). Teknik ini cocok digunakan kan pada piranti yang membutuhkan butuhkan kestabilan kerja yang tinggi. Contoh teknik isolasi ini adalah menggunakan pengubahan Tegangan (analog) (analog)keFrekuensi (digital) dan sebaliknya, yang dipasang berturutan; seperti tampak pada Gambar 4.9.
Gambar 4.9 Teknik isolasi syarat analog dengan pengubahan Tegangan Tegangan-keFrekuensi dan sebaliknya Penerapan Optoisolator oisolator pada Isyarat Digital Berikut ini dibahas contoh sederhana penerapan optoisolator pada beberapa untai digital; diantaranya, pada Untai Penerima Isyarat pada Ujung Jalur Transmisi, pada Transmisi Isyarat secara Dua Arah (Dupleks), pada Sistem Mikroprosesor. a. Optoisolator pada Penerima di Ujung Jalur Transmisi Apabila data ditransmisikan melalui jalur transmisi, ada kemungkinan terjadi arus “ground looping”, atau pengaruh tegangan mode bersama yang mengganggu keutuhan data yang dikirim. Usaha untuk un mengurangi ngi gangguan tersebut antara lain dengan memasang masang piranti optoisolator pada ujung jalur transmisi tersebut. Contoh penerapan teknik tersebut ersebut tampak pada Gambar 4. 10a dan 4. 10b, 10b, yang berturut berturut-turut menggunakan penghambat seri tunggal dan penghambat mbat paralel tunggal pada ujung akhir jalur transmisi.
Gambar 4.10 Penggunaan Optoisolator pada Ujung Jalur Terminal
b. Penerapan Optoisolator pada Sistem Dupleks Contoh Penerapan optoisolator pada jalur transmisi, yang telah dipaparkan terdahulu adalah untuk ntuk sistem simpleks. Berikut ini adalah contoh penerapan Optoisolator pada sistem transmisi dupleks. Isyarat yang dikirim dan diterima masing masingmasing diisolasi antara sumber dan penerima dengan menggunakan optoisolator. Gambar 4.11 memperlihatkan perlihatkan salah satu contoh sistem transmisi dupleks tersebut.
c. Penggunaan Optoisolator pada Sistem Mikrokomputer Untuk menghindari adanya kalang-tanah kalang (ground looping)) yang terjadi pada untai-untai untai di dalam mikrokomputer, maka pada sambungan antar satuan dapat dipasang optoisolator. Tentu saja hal ini dengan pertimbangan sampai seberapa jauh pengaruh kalang tanah terhadap kestabilan kerja sistem tersebut. Biasanya bagian bagianbagian yang layak untuk diisolasi dengan optoisolastor adalah hubungan satuan pengolah dengan piranti-piranti piranti sekitarannya, yang menggunakan jalur yang cukup panjang dalam ukuran mikrokornputer. Sebagai contoh untai isolasi yang disarankan menurut kebutuhannya adalah bus data yang menghubungkan antar satuan, yang tampak pada Gambar 4.12. Optoisolator pada untai ini dilambangkan dengan segitiga dengan anak-anak anak anak panah yang menggambarkan arah isyarat.
Gambar 4.12 Pengantarmukaan bus yang terisolasi Gambar 4.13 melukiskan untai sistem mikrokomputer yang disarankan menggunakan pengantarmukaan yang terisolasi optoisolasor.
Gambar 4.13 Sistem mikrokomputer yang menggunakan pengarmukaan yang terisolasi 1V-3.2 3.2 Penerapan Optoisolator pada Pengendalian Daya Watak isolasi yang tinggi banyak dimanfaatkan untuk memisahkan piranti pengendali dan yang dikendalikan. ndalikan. Daya isyarat yang kecil kecil dapat mengendalikan terhubung/terputusnya saklar ar sumber daya yang besar dengan perantaraan rele. Pada Gambar 4.14 tampak untai pengendali rele; yang selanjutnya dapat digunakan untuk mengendalikan sumber daya yang cukup besar. be
Gambar 4.14 Pengendali hubungan/buka hubungan/ (rele) IV - 4 Penerapan Optoelektronika dalam Bidang Telekomunikasi Pada mulanya, serat optis dirancang untuk menyalurkan isyarat dengan jarak yang jauh; yaitu dengan memanfaatkan memanfa penyusutan daya yang kecil, lebarbidang yang cukup besar, serta kekebalan terhadap gangguan elektromagnetis dan “cross “cross talk talk”. Kemudian penerapannya makin meluas karena keunggulan-keunggulan keung keunggulan lainnya dibanding kabel logam. Hingga saat ini di negara-negara negara negara yang maju sudah banyak terpasa terpasang sistem telekomunikasi yang menggunakan serat optis sebagai jalur transmisin transmisinya. Di Indonesia, walaupun baru beberapa buah juga sudah sudah dipasang sistem komunikasi ini ini. Sebagai contoh adalah sistem yang dibangun Perumtel di Jakarta, antara TVRI dan Stadion Senayan enayan dan di Ujung Pandang (di pusat pengolahan data Departemen Hankam). Pada bagian ini dibahas secara singkat singkat penerapan pada sistem komunikasi isyarat analog maupun digital. Untuk memanfaatkan lebar-bidang lebar bidang yang besar pada serat optis dilakukan sistem per jamakan jamak (multiplexing). Secara garis besar sistem komunikasi unikasi serat optis dapat dilukiskan dengan diagram kotak pada Gambar 4.15.
Gambar bar 4.15 Diagram kotak sistem komunikasi optis Isyarat masukan dapat berupa isyarat analog maupun digital. isyarat dimasukkan ke dalam untai pemancar untuk memodulasi LED/laser. Cahaya termodulasi LED disalurkan melalui kabel serat optis. Pada ujung yang lain dipasang detektor PIN atau APD. Isyarat terdeteksi selanjutnya diolah di dalam untai yang dibawanya.
IV-4.1 Sistem Transmisi Analog Gambar 4.16 memperlihatkan hatkan diagram kotak sistem komunikasi analog
Gambar 4.16 Sistem komunikasi optis analog Pada sistem analog dapat dilakukan sistem modulasi AM dan FM. Isyarat yang dapat disalurkan baik berupa isyarat audio maupun isyarat yarat gambar. Tabel 4.1 memperlihatkan hatkan beberapa sistem transmisi analog yang dapat dilakukan. lV - 4.2 Sistem Transmisi Digital Salah satu keunggulan sistem transmisi digital adalah kekebalan informasinya terhadap derau. Untuk memperkuat daya isyarat isyarat dan mengurangi derau diperlukan piranti pengulang (repeater)) pada setiap jarak tertentu. Penggunaan serat optis memungkinkan jarak pengulang bertambah panjang. Berikut mi disajikan diagram kotak perlengkapan sistem komunikasi digital secara sederhana. sederhana. Gambar 4.17 memperlihatkan diagram kotak piranti pemancar/penenma yang mengolah isyarat yang akan dikirimkan atau isyarat yang yang diterima. Gambar 4.18 memperlihatkan diagram kotak pengulang engulang pada suatu sistern komunikasi kom optis. Isyarat dan beberapa sumber dapat disalurkan melalui seutas serat optis dengan cara penjamakan. Pada ujung jung penerimanya, isyarat diurai kembali sehingga diperoleh isyarat aslinya.
Gambar 4.18 Diagram kotak pengulang Kemungkinan penggunaan sistem komunikasi digital disajikan pada Tabel 4.2.
Sistem transmisi serat optis optis juga digunakan pada televisi kabel (CATV) dan juga pada pemancar televisi untuk menyalurkan data antar satuan pengelola isyarat. Gambar 4. 19 memperlihatkan memper hatkan contoh penggunaan sistem optoelektronika di stasion televisi. Apabila jarak antar beberapa ruang studio cukup besar, misalnya antar Studio, Master Control, dan Pemancar. maka kemungkinan tirnbulnya gangguan terhadap gambar dan suara akibat induksi elektromagnetis e cukup kup besar, baik yang berasal dari isyarat pancaran n yang berdaya tinggi maupun dari transformator teganga tegangan tinggi. Gangguan tersebut lebih sulit dihindarkan dihin apabila antara pengirim rim dan penerima terdapat selisih h potensial (ac) karena pertanahan pertana yang kurang baik. k. Apabila isyarat yang disalurkan diubah ke bentuk isyarat optis maka gangguan tersebut dapat dihindarkan, karena transmisi serat optis meniadakan kalang pertanahan (ground ( looping).
Gambar 4.19 Contoh penggunaan sistem optoelektronika optoelektronika di stasion televisi IV- 4.3 Pertimbangan sistem Seperti telah diketahui pada sistem transmisi menyeluruh. susutan isyarat terjadi di setiap bagian sistem. Agar susutan total dapat dapat dijaga tetap kecil, distribusi susutan di setiap ap bagiannya perlu dipertimbangkan diper sebaik-baiknya. baiknya. Kecuali itu, lebar bidang
sistem penyeluruh juga ditentukan oleh lebar bidang masing-masing, khususnya yang paling sempit. Dalam hal susutan, perhatian juga terpusat pada bagian yang memberikan S/N terkecil. Berikut ini disampaikan secara garis besar pertimbangan sistem secara menyeluruh dalam kedua aspek watak, yaitu S/N dan lebar bidang. Sebagai contoh diambil isyarat video dan stasion TV yang disalurkan ke pemancarnya yang cukup jauh, yaitu dalam orde km. Jika, sesuai standar, isyarat TV berlebar bidang 6 MHz dan S/N = 105 (5 dB) dan penyaluran menggunakan serat optis mode jamak (S1 atau GRIN) dengan LED pada kisaran 0,8 hingga 0,9µm serta foto detektor PIN. Selanjutnya diterapkan persamaan:
S = N
m 2 MηeP 2 hf M n 2eRL ∆f I D
2
RL
ηeP hf
+ 4kT∆f
Untuk modulasi 100% perlu dihitung nilai RL, yaitu hambatan beban detektor. Andaikan kapasitas diode PIN adalah 5pF dan ketanggapan p = 0,5 A/W pada λ = 0,85 µm. Nilai maksimum RL, untuk frekuensi putus 6 MHz adalah:
1
RL = =
2πCD f 3−dB 1 2π (5.10
−12
)(6.10 6 )
= 5305Ω
Untuk memperlonggar lebar bidang diambil RL 5100
agar penyempitan akibat
sumber dan serat masih ada tempatnya. Dengan RL ini lebar bidang adalah 6,24 MHz. Karena dipakai diode PIN, maka sistem akan terbatasi derau ternal, sehingga
S 0,5 R L (ρP ) = N 4 kTe ∆f 2
menjadi lebih sederhana, karena juga p=
ηe hf
. Jika suhu lingkungan 3000 K dan angka
derau preamp adalah 2 (3 dB), suhu setaranya Te= FT = 2 x 300 = 600o K Maka
S 0,5.5100 = 105 = N 4(1,38 x10 − 23 )600(6,24 x106 )
Sehingga
4(1,38 x10 −23 )600(6,24 x106 ) = 5,7 µW 0,5.5100.(0,5) 2
P=
Untuk mudahnya bulatkan P =6 µW, sehingga pada aras daya ini diode PIN memberikan arus rerata I = P = 3 µA Karena arus gelap diode PIN jauh lebih rendah dan 3 µA, maka dapat diabaikan. Derau tennal yang ditimbulkan oleh sumber arus adalah
4kT∆f RL
2
iNT = =
4(1,38 x10−23 )600(6,24 x106 ) = 4,052 x10 −17 5100
Dan nderau tambahan 2
iNS = 2eI∆f −19
= 2(1,6 x10
)(3x10−6 )(6,24x106 ) = 0,599x10−17
Ternyata daya derau termal lebih kurang tujuh kali lebih besar dari daya derau tambahan, sehingga memang dominan seperti telah diduga sebelumnya. Jika dipakai bias 5 V, arus maksimum yang diizinkan adalah
I maks =
5 = 980µA 5100
yang jauh lebih besar dari arus kerja 3 µA tersebut. Jadi tak khawatir jenuh. Sumber cahaya LED yang dipakai adalah jenis pancar permukaan (surface emitting), dengan arus kerja rerata Pdc= 1 mW pada panjang-gelombang 0,85µm. Waktu bangkitnya adalah 12 ns, lebar spektralnya 35 nm, dan permukaan pancarannya berdiameter kurang dan 50 µm. Jika dipakai serat SI mode jamak, lebar bidang optisnya:
f3− dB xL = 33MHZxkm maka bagi daya 5 dB/km dan diameter teras 50 µm; NA = 0,24. Jika dipakai serat GRIN mode jamak, dengan NA aksial = 0,24 dan lebar bidang optis
f3− dB xL = 500MHZxkm
dan dengan sumber berupa diode laser, maka rugi daya 5 dB/km dan diameter teras 50 µm. Kemudian, jika sumber mengeluarkan daya I mW (0 dB) sedang penerima memerlukan 6 im (-22,2 22,2 dBm), maka susutan sistem menyeluruh tidak boleh lebth dan 22,2 dBm. Susutan gandengan sumber-serat sumber adalah:
Selain itu ada susutan akibat pantulan pada ujung masuk dan ke keluar serat sebesar 0,2 dB. Andaikan hanya ada dua penghubu penghubung ng (konektor), yaitu pada pengirim pengir dan pada penerima, dan masing-masing masing masing membuat susutan 1 dB, maka terdapat susutan menyeluruh: 22,2 – 12,4 – 0,4 – 2 = 7,4 dB yang diizinkan untuk serat SI dan 22,2 – 15,4 – 0,4 – 2 = 4,4 dB yang diizinkan untuk serat GRIN. Dengan susutan 5 dB/km, untuk serat SI, panjang maksimum adalah
Lmax =
7,4 = 1,48km 5
Dengan susutan 5 dB/km, untuk serat SI, panjang maksimum adalah
Lmax =
4,4 = 0,88km = 880m 5
Waktu bangkit sistem menyeluruh τs mencakup waktu bangkit sumber τLs, dan fotodetektor τPD dengan hubungan: τS2 = τLS2 + τsF + τPD2
Andaikan hubungan waktu bangkit dapat dinyatakan dalam lebar bidang dengan persamaan:
maka
selanjutnya
dan waktu bangkit LED
maka
atau
Mengingat lebar bidang elektris dan optis suatu serat dihubungkan dengan persamaan
maka aka untuk serat SI pada sistem TV tersebut, hasil kali lebar bidang-panjang bidang adalah 0,71(33)=23,4 MHz x km Waktu bangkit yang terkait adalah:
Berdasarkan rkan hasil perhitungan sebelumnya, yaitu rF =11,9 ns, maka panjang serat yang diperbolehkan adalah
Dengan demikian ternyata pertimbangan lebar bidang lebih membatasi panjang serat ( 783 m), karena pertimbangan daya memberikan batas yang lebih panjang ( 1480 m). Kasus mi disebut terbatasi lebar bidang (bandwidth limited)) bukan terbatasi daya (poer limited). Untuk memperpanjang jangkauan serat, beberapa hal dapat dilakukan, misalnya penurunan hambatan beban RL. Sistem Digital
Ambil suatu sistem untuk menyalurkan isyarat digital berupa rentet pulsa NRZ (non return to zero)) 400 Mbps melalui lintasan sepanjang 100 km dengan pesat ralat
10-9. Tanpa pengulang (repeater repeater)) akan diperlukan pemancar, serat, dan fotodetektor bermutu tinggi untuk sistem ini. in Jika a bentuk pulsa as asli cukup ideal (lihat gambar), maka sebagai akibat ketidaksempurnaan sistem, bentuk tersebut akan berubah yang diungkap dalam besaran waktu bangkit τs. Untuk lebar pulsa t dan periode pe ode pengulangan T, pertimbangan yang dapat dipakai adalah agar waktu bangkit tidak lebih dan 70% periode pulsa, yaitu :
τ s ≤ 0,7T =
0,7 RNRZ
Denan RNRZ sebagai pesat data yang tidak lain sama dengan 1 . Untuk pulsa
T
RZ (return to zero)) ketentuan tersebut dibagi dua, sehingga :
τs ≤
0,35 RNRZ
Gambar 4.20 Perubahan bentuk pulsa akibat ketidaksempurnaan sistem Untuk isyarat NRZ 400 Mbps tersebut, waktu bangkit ditentukan tidak boleh llebih dari
τs =
0,7 = 1,75ns 4 × 108
yang dipengaruhi oleh sifat sumber (τLS), serat (τF), dan fotodiode (τPD) dengan hubungan: τS2 = τLS2 + τsF + τPD2
Pada serat
τF =
0,35 = ∆τ f 3− dB (elektrik )
Pelebaran pulsa sepanjang 100 km serat ini tidak boleh lebih dari 1,75 ns, atau 17,5 ps/km. Ternyata syarat ini in tidak dapat dipenuhi oleh serat-serat SI ataupun GRIN, yang biasanya menyebabkan pelebaran pulsa berturut-turut berturut 15 ns/km dan 1 ns/km. Serat mode tunggal juga hanya sampai 0,5 ns (500 ps)/km padapanjang-gelombang gelombang ±0,8 µm. Perhatian terpaksa dialih lihkan kan ke serat mode tunggal yang bekerja pada panjang gelombang 1,3 atau 1,55 µm m (inframerah). Selain itu, susutan serat perlu diperhatikan karena 100 km cukup jauh bila tanpa pengulang. Panjang-gelombang Panjang gelombang 1,55 µm memberikan susutan minimum, yaitu (misalnya) 0,25 dB/km. Untuk bahan silika mur murni dan pemandu gelombang lombang serat SI faktor dispersinya dis berturut-turut M = -20 20ns/(nm x km)) dan M’ = 4,5 ns/(mnxkm) ns/(mnxk pada = 1,55 µm.. Gabungan kedua faktor dispersi memberikan faktor dispersi menyeluruh :
Sumber yang memenuhi syarat untuk mode tunggal (baik mode longitudinal maupun transversal) adalah diode laser InGaAsP yang mempunyal pola pancar minip diode rambatan tunggal seratnya. Di samping itu, lebar spektral diode laser ml cukup sempit, yaitu 0,15 nm dengan waktu bangkit I ns, sehingga pelebaran pulsa totalnya adalah :
yang juga merupakan waktu bangkit serat dan besarnya masth jauh di bawah 1,75 ns (LED mempunyai lebar spektral 50 tim sehingga pelebaran pulsanya 77,5 ns dan rnempunyai NA terlalu rendah). Selanjutnya, waktu bangkit fotodiode diperhitungkan sebagai berikut :
Kapasitas fotodiode Cd harus rus cukup kecil untuk memenuhi waktu bangkit tersebut, dan agar hambatan paralel dapat cukup besar untuk menjaga kepekaan deteksi yang tinggi. Sebagai contoh, untuk Cd = 1 pF dan waktu bangkit terbatasi waktu transit VTR = 0,5 ns. Waktu bangkit terbatasi untai yang terkait adalah :
Sedang
Aspek susutan sistem diperhitungkan berdasarkan aras-aras aras aras daya sebagai berikut. Andaikan daya keluar sumber 5 dBm (3,2 mW), rugi gandengan sumber-serat serat 3 dB, rugi dua konektor masing-masing asing 1 dB, rugi 50 sambungan serat masing-masing masing masing 0,1 dB (setiap 2 krn), maka susutan menyeluruh, termasuk 25 dB dalam serat adalah 25 + 3 + (2 x 1) + (50 x 0.1) = 35 dB Dengan aras daya sumber 5 dBm, di penenma terdeteksi 5 — 35 = 30 dBm aras daya. Dengan APD diperlukan -40 dBm untuk menjamin pesat ralat 10-9 pada 400 Mbps. Dengan demikian besar power margin adalah -30 — (-40) 0) = 10 dB untuk penerima APD ini. Nilai ini cukup tinggi, karena biasanya biasanya cukup sebesar 6 dB saja. Dengan PINFET yang 8 dB kurang peka dibanding APD, power margin tinggal 2 dB.
Pertimbangan dan segi pesat ralat bit (BER bit error rate) dilukiskan sebagai berikut. Untuk sistem terbatasi kuantum, pesat ralat dengan arus gelap yang yang dapat diabaikan adalah
dengan n sebagai jumlah rerata fotoelektron yang dihasilkan ketika bit 1 diterirna. Untuk pesat ralat 10-9-, ns 20,7 atau dibulatkan ns = 21. Jumlah foton yang diperlukan untuk menghasilkan asilkan foto elektron sebanyak ini adalah :
dengan µ sebagai efisiensi kuantum yang terkait.
dengan
sebagai lebar pulsa. Untuk isyarat NRZ,
= 1/R, sehingga daya puncak :
sedang untuk isyarat RZ daya puncak adalah dua kali P di atas.
atau P = 1,08 x 10 mW (-59,7 59,7 dBm). Di bawah kondisi terbatasi kuantum ideal, sistem harus menyampaikan daya optis ke fotodetektor paling tidak sebesar -59,7 59,7 dBm, untuk menjamin BER = 10-9. Pengandaian efisiensi kuantum 70% akan menaikkan aras yang diperlukan menjadi -58 dBm. Penerima APD yang mempunyai kepekaan -40 40 dBm adalah 18,1 dB lebih buruk dan batas kuantum tersebut. Ini terjadi pada operasi di wilayah 1,3 hingga 1,6 jim, sebagai akibat tinggi derau pada fotodiode gugusan In GaAs. Jika ketanggapan detektor diketahui, maka a kepekaan terbatasi kuantum diperoleh dengan persamaan :
Karena runtun sandi dapat dianggap mengandung 1 dan 0 dalam jumlah yang sama, maka daya rerata adalah separo daya puncaknya, yaitu :
Perhatikan, persamaan di atas yang mengatakan bahwa rnakin besar panjang panjanggelombang makin rendah daya foton yang diperlukan detektor (makin peka). Kepekaan penenma terbatasi derau termal dinyatakan dalam ketanggapan detektor dengan persamaan :
Hubungan BER dengan S/N dinyatakan dengan persamaan :
Berdasarkan persamaan ini, untuk BER = 10-9 10 diperlukan S
N
= 142(21,5dB). Dengan
hambatan RL =594 Ω , maka
594( ρP) 2 4kTe ∆f
142 =
Jika kapasitas fotodiode Cd= 1 pF, lebar bidang yang terkecil adalah :
∆f = f 3−dB =
1 = 268MHz 2π (594)(1x10 −12 )
Untuk suhu 300 K, angka derau 2, dan ketanggapan detektor 1 A/W, maka kepekaan penerima
P=
1
ρ
(142)(4kTe ∆f ) 1 = ρ 594
(142)(4 × 1,38 × 10 −23 × 300 × 2,68 × 10 −23 594
= 1,46 µW(-28,4 dB) Dibanding dengan kepekaan terbatasi kuantum (-59,7 ( 59,7 dBm), maka kepekaan terbatasi derau termal ini adalah 31,3 dB Iebih Ieb baik. k. Namun, karena aras daya pada penerima hanya -30 30 dBm (menurut perhitungan terdahulu), kepekaan tersebut ternyata -28,4 — (-30) = 1,6 dB Iebth rendah dan yang diperlukan. Jadi diode PIN bertermin berterminasi resistor tidak dapat dipakai (kurang peka).
Peningkatan kepekaan dapat diperoleh dengan menggunakan sisi depan penerirna yang berimpedans atau beriransimpedans tinggi. Penyama (equalizer) perlu ditambahkan pada penerima dan untuk operasi 400 Mbps, penerima PINFET irnpedans dan translinpedans tinggi InGaAs hybrid telah tersedia dengan kepekaan sekitar -32 dBm (power margin 2 dB). Fotodiode guguran InGaAs lebih peka daripada PINFET impedans tinggi tersebut pada wilayah panjang-gelombang besar. Tercatat kepekaan APD = -40 dBm, sehingga terdapat power margin 10 dBm. IV-5 PENERAPAN OPTOELEKTRONIKA DALAM BIDANG MILITER Komponen-komponen elektronika yang digunakan dalam bidang militer biasanya mempunyai standar yang khusus, karena media penggunaannya yang cukup berat, penuh gangguan fisis maupun nonfisis. Komponen yang digunakan harus mempunyai keandalan yang tinggi. Komponen-komponen optoelektronika menawarkan keunggulan -keunggulan yang cocok digunakan dalam bidang militer, baik sebagai komponen di pusat pengendali maupun pada peralatan-peralatan militer. Pengolahan data yang besar di pusat pengendali memerlukan lebar bidang media penyalur informasi yang tinggi, kebal terhadap induksi elektromagnetis, kebal terhadap pengaruh lingkungan seperti perubahan suhu, kelembaban, dan terhadap bahan yang menyebabkan korosi. Peralatan-peralatan militer harus memenuhi persyaratan - persyaratan yang khusus dan mempunyai keandalan yang prima, karena medan penggunaarmya yang sangat berbeda dengan peralatan-peralatan yang digunakan pada bidang sipil. Dengan keunggulan-keunggulan yang ditawarkan oleh komponen-komponen optoelektronika maka tantangan masalah-masalah tersebut akan dapat diatasi. Peralatan-peralatan militer yang bersifat mobil lebih banyak mengalami gangguan-gangguan baik fisis maupun nonfisis. Gangguan fisis meliputi goncangan, benturan, dan sebagainya. Gangguan nonfisis meliputi ancaman keamanan terhadap data yang akan diolah. Berat peralatan-peralatan militer yang bergerak yang biasanya menggunakan instalasi kabel logam dapat dikurangi dengan mengganti jalur-jalur transmisi tersebut dengan serat optis dengan pertimbangan-pertimbangan yang cukup matang. Misalnya pada pesawat tempur, peluru kendali, kapal perang, peralatan untuk komunikasi, dan sebagainya.
IV-6 PENERAPAN OPTOELEKTRONIKA PADA PERALATAN YANG BERGERAK (MOBILE APPLICATION) Kelincahan gerakan suatu peralatan antara lain ditentukan oleh berat peralatan sendiri. Terutarna dengan rnemanfaatkan watak serat optis yang ringan, komponen mi digunakan pada peralatan yang bergerak, antara lain pesawat udara, kapal laut, tank tempur, dan sebagainya. Pada pesawat terbang dan kapal laut, berat komponen-komponen diusahakan sekedil mungkin agar gerakannya lincah dan jumlah kemampuan muatan bertambah. Kecenderungan automatisasi pada pesawat terbang memerlukan data dan pengolah data yang lebih banyak, baik untuk komunikasi, navigasi, maupun pengendalian pesawat. IV-7
PENERAPAN
OPTOELEKTRONIKA
DI
BIDANG
INSTRUMENTASI,
ROBOTIKA, DAN KEDOKTERAN Seperti halnya piranti-piranti elektronis, piranti-piranti optoelektroms juga banyak digunakan dalam bidang instrumentasi, baik sebagai pengganti
“sensor” maupun
piranti pengolali datanya. Di bidang robotika, piranti-piranti optoelektronis banyak digunakan, baik pada “sensor” maupun pada komputer pengendalinya. Di
bidang
kedokteran,
penggunaan piranti-piranti
optoelektronika
sudah
merupakan kebutuhan utama, naik sebagai “sensor” maupun alat-alat kedokteran lainnya. Dan fakta-fakta yang telah ada dan studi kelayakan yang dilakukan oleh para ahli, tidak mustahil di masa mendatang sistem-sistem eletronis akan menjadi teknologi yang usang dan digantikan oleh teknologi moderen optoelektronika.
