Sistem Komunikasi Fiber Optik Detektor dan Reciever Professor Z Ghassemlooy Electronics & It Division School of Engineering Sheffield Hallam University U.K. www.shu.ac.uk/ocr Content • •
• • •
Properti dan karakteristik Type Photodioda - PIN - APD Receiver Sumber Noise Performance - SNR - BER
Definisi Fotodioda Ini merupakan konversi energi optic ke dalam arus elektrik yang diproses secara elektronik ke pemulihan informasi. Teknik Pendeteksian • Efek Thermal • Efek interaksi gelombang • Efek Photon Karakteristik Fotodioda Rangkaian elektronik, yang mana vi-characteristic peka terhadap intesitas gelombang cahaya masuk. •
• •
Arus gelap kecil karena: o Kebocoran o Eksitasi thermal Efisiensi Quantum (electron dan Proton) Responsivas
Type Fotodetector • Fotodetektor yang sering digunakan: o Positive-Intrinsic-Negative (PIN) o Tidak ada gain internal o Voltage bias rendah [10-50 V @ = 850 nm, 5-15 V @ = 1300 –1550 nm] o Sangat Linear o Arus gelap rendah o Sangat umum di pakai • Avalanche Photo-Detector (APD) o Gain internal ( sensitivitas naik) o Baik untuk kecepatan tinggi dan penerima sangat sensitive o Tergantung kuat temperature o Voltage bias tinggi [250 V @ = 850 nm, 20-30 V @ = 1300 –1550 nm] o Mahal
Struktur Fotodioda (PIN)
• •
Tidak ada carry dalam region Tidak ada arus mengalir
• • •
Bias reversed Photon dihasilkan dari pasangan electron-hole Arus mengalir ke dioda
Responsivitas PIN: R = Io/Po A/W
APD: RAPD = G R
Io= arus foto Po= sinyal optic yang masuk G= gain APD η = Efisiensi quantum = rata-rata jumlah pasangan electron-hole yang dipancarkan re/ rata-rata jumlah photon yang masuk rp catatan : : rp = Po/hf and Io = ηqPo/hf R = qη/hf Responsivitas fotodioda • Silicon (si) • Germanium (Ge) • Indium gallium arsenide (Ingaes)
η = 99% ~ 1
Rangkaian Equivalent fotodioda
Respon pulsa fotodioda Pada Bias rendah level naik dan turun berbeda, karena foto mengumpulkan waktu menjadi kontributor significan terhadap time rise.
Tipe Karakterisitik Fotodioda
Minimum Power yang diterima • suatu ukuran kepekaan penerima tergambar dalam suatu yang spesifik: - Signal to Noise ratio (SNR) - Bit eror rate(BER) - Bandwidth(bit rate)
Pada output penerima
MRP Vs. Bandwidth
Penerima Optik /Receiver Optik
Ukuran pemilihan dah tugas Optik • Kepekaan optik terhadap BER dan SNR • Operasi panjang gelombang • Range dinamik • Sederhana • Reliabilitas dan stabil Elektrik • Kecepatan data • Bit Eror rate (digital) • Max bandwidth(analog) • Signal to noise ratio (analog) Tugas • Untuk mengekstrak sinyal optik (level rendah) dari gangguan noise. • Untuk merekonstruksi informasi asli secara benar. Dasar Penerima /Receiver • Sangat penting dan bagian komplek dalam sistem fiber optik • Sensitivitas tergantung design, terutama langkah awal dan akhir • Sumber utama dari sumber noise - arus noise pendek - thermal noise : bias dibagi impedansi input amplifier - Noise amplifier - arus - tegangan -
Noise transimpedance
Bandwidth Penerima Range frekuensi yang dapat di gambarkan : • Profile spectral sebuah sinyal • Respon jaringan filter • Bandwidth equivalent ; noise dalam system Jenis bandwidth • Ideal • Baseband • Passband • Intermediate-channel • Transmisi • Noise
Ideal, Low pass dan band pass filter
Noise Equivalent Bandwidth (NEB) B Area dibawah tanggapan kurva=area dibawah noise kurva
System Optik
m(t) = sin ωt kuadrat arus sinyalnya :
System Optik- Sumber Noise • • • • • • •
•
Sumber Noise Modal noise ( interaksi –konstruksi dan destruktif mode koheren multiple, hasil modulasi intensitas) Noise fotodetektor Noise Peramplifier(receiver) Distorsi akibat tidak linear Crosstalk dan refleksi coupler LED - fluktuasi intensitas yg koheren - frekuensi beat antar mode. LD - Non linear - Noise quantum :dalam generasi photon - Mode hopping : tanpa rongga - Refleksi daru fiber kembali ke rongga, yang mengurangi koheren. - Kesukaran mengukur, untuk isolasi dan ukuran - Masalah banyak dengan multimode LD dan fiber.
Statistic fotocurrent •
•
Sebuah proses statistik tidak dapat dipisahkan, mempunyai arti dan perbedaan: - artinya sesuai sinyal yang masuk untuk recover atau pemulihan - perbedaan menghasilkan daya noise pada detektor output Arus Noise :
inoise(t) = i(t) - IDC (Amps) IDC = Photocurrent Io Arus noise dari pulsa arus acak dimasukan sebagai shot-noise • Shot noise - Quantum - Arus gelap
Quantum Shot Noise Photon yang datang secara acak dalam bentuk paket, dengan tidak dua pakt secara bersambungan dalam sejumlah poton yang sama
Generasi acak pasangan elektron-hole, seperti arus
Variasi total arus yang dihasilkan , kira-kira nilai rata-rata
Variasi ini dikenal = Quantum Shot Noise
Shot Noise-PIN •
Kuadarat quantum shot noide arus=Io
Ish2= 2qIoB (A2) • Ids2=
Kuadrat arus gelap (dark curren) 2qIlB (A2)
Dimana Il = arus bocor Total arus shot noise ITS = arus gelap + Photocurrent Total kuadrat = iTS2= 2q (Io+IL)B (A2) Spektrum Daya Noise
Shot Noise (APD) • Kuadrat Noise photocurrent iTS2=2q [ (Io + Id) G2F +IL ]B
(A2)
dimana Id= arus bulk dark F= Noise figure +Gx untuk 0<x<1
Thermal Noise 2 4 KTB ith = RL RL= Total load seen pada input preamplifier K= Konstanta Boltzman =1.38 x 10 -23 J/K T= Temperatur dalam derajat Kelvin =C0+273 Total Noise PIN
APD
Noise Electrical Amplifier
Total amplifier noise
Sinyal Receiver to Noise Ratio (SNR)
SNR – Batas Quantum
Kuadrat arus quantum shot noise =Io
Jenis Receiver • Low Impedance voltage amplifier - sederhana - Dibatasi range dinamik - Prone overload dan saturasi
•
High impedance voltage amplifier dengan equalizer
o R detector nilai untuk mengurangi efek thermal noise o Ouptut Detector di integrasikan dalam konsatantas panjang waktu dan di restore secara diferensiasi •
Transimpedance feedback amplifier • • • • •
•
Sering digunakan Bandwith lebar Tidak equalisasi Range dinamik bagus ( gain sama pada semua frekuensi) Noise figure tinggi dibanding HIVA
Transimpedance feedback amplifier
Receiver Optik – Analog
suatu langkah preamplifier analog yang diikuti oleh langkah output analog (tergantung jenis receiver)
Digital • Langkah pertama adalah converter arus ke tegangan • Langkah kedua adalah komparator tegangan, yang mana menghasilkan sebuah clean, Sinyal output digital fast rise-time. Trigger level disesuaikan untuk memproduksi sinyal digital symetrik
Performance receiver • Signal to Noise Ratio (SNR) • Bit eror rate (BER)
SNR Vs Kepekaan Receiver Io=RPo
Bit Error Rate (BER)
Performance BER • •
Daya input minimum tergantung penerimaan bit eror rate Jumlah Receiver dirancang untuk 1E-12 atau BER yg lebih baik
Rancangan Receiver Dasar
•
•
Mengoptimalkan untuk tertentu - Kepekaan - Panjang gelombang - Bit rate Dapat meliputi circuit untuk telemetri
Komersial Devices • • • •
28 GHz Monolithic InGaAs PIN fotodetektor 100 kHz -40 Gb/s DC -65 Gb/s InGaAs PIN photodiode 100 GHz Dual-Depletion InGaAs/InP fotodioda
Wide-Band Receiver Optik ( 40 Gb/s) • Bandwidth : 100 KHz sampai 35 GHz • Responsivitas :0.6 A/W • Panjang gelobnag : 800-1600nm • Arus yang beroperasi 75mA • Gain daya :8 dB
DC-65 Gb/s • InGaAs PIN Fotodioda • Tegangan Bias reverse + 3V • Responsivitas :0.5A/W pada 1300 dan 1550 nm panjang gelombang • Opto-electronic Integrated Circuit(OEICs) yang mana kombinasi microwave optic dan function digital pada chip yang sama • Aplikasi - Ethernet fiber LAN - SONET - ISDN - Telephone - Digital CATV Ringkasan • Karakteristik Fotodioda • Jenis fotodioda : PIN dan APD • Responsivitas fotodioda dan rangkian equivalen • Daya minimum yang diterima • Receiver Optik - Jenis - Bandwidth • Noise • Signal To Noise Ratio • Bit eror rate
