Sensor Photodiode Adalah Salah Satu Jenis Sensor Peka Cahaya
-
Upload
dhila-saranghae -
Category
Documents
-
view
108 -
download
2
Transcript of Sensor Photodiode Adalah Salah Satu Jenis Sensor Peka Cahaya
Sensor photodiode adalah salah satu jenis sensor peka cahaya (photodetector). Photodiode akan mengalirkan arus yang membentuk fungsi linear terhadap intensitas cahaya yang diterima. Arus ini umumnya teratur terhadap power density (Dp). Perbandingan antara arus keluaran dengan power density disebut sebagai current responsitivity. Arus yang dimaksud adalah arus bocor ketika photodiode tersebut disinari dan dalam keadaan dipanjar mundur.
Mekanisme Perancangan Sensor Garis
LED superbright berfungsi sebagai pengirim cahaya ke garis untuk dipantulkan lalu dibaca oleh sensor photodiode. Sifat dari warna putih (permukaan terang) yang memantulkan cahaya dan warna hitam (permukaan gelap) yang tidak memantulkan cahaya digunakan dalam aplikasi ini. Gambar dibawah ini adalah ilustrasi mekanisme sensor garis.
Gambar Ilustrasi mekanisme sensor garis
Prinsip Kerja Sensor
Pada rancangan sensor photodiode dibawah ini, nilai resistansinya akan berkurang bila terkena cahaya dan bekerja pada kondisi riverse bias. Untuk pemberi pantulan cahayanya digunakan LED superbright, komponen ini mempunyai cahaya yang sangat terang, sehingga cukup untuk mensuplai pantulan cahaya ke photodiode. Berikut ini prinsip dan gambaran kerja dari sensor photodiode.
Gambar Sensor photodiode tidak terkena cahaya
Saat photodiode tidak terkena cahaya, maka nilai resistansinya akan besar atau dapat diasumsikan tak hingga. Sehingga tidak ada arus bocor yang mengalir menuju komparator.
Gambar Sensor photodiode terkena cahaya
Saat photodiode terkena cahaya, maka photodiode akan bersifat sebagai sumber tegangan dan nilai resistansinya akan menjadi kecil, sehingga akan ada arus bocor yang mengalir ke komparator.
A. Rugi-Rugi karena Bahan
1. Absorption Loss
Rugi-rugi yang disebabkan karena masih banyaknya kotoran-kotoran pada bahan
gelas (terutama yang terbuat dari glass multi komponen). Kotoran-kotoran tersebut dapat
berupa logam (besi, tembaga) atau air dalam bentuk ion-ipn yang dapat menyerap sinar yang
melaluinya akan berubah menjadi energi panas. Energi panas ini akan menyebabkan daya
berkurang.
Untuk memperkecil rugi-rugi akibat ion-ion kotoran karena adanya unsur-unsur
logam dan lain-lain pada serat optik, maka kebersihan dan kemurnian bahan gelas sangat
menentukan. Salah satu cara memperkecil kerugian tersebut adalah dengan teknik
pengendapan uap kimia (Chemical Vapour Deposition), dimana dengan diendapkannya ion-
ion kotoran tersebut, redaman dapat diperkecil.
2. Rayleigh Scattering Loss
Peristiwa ini terjadi karena adanya berkas cahaya yang meengenai suatu materi dalam
serat optik yang kemudian menghamburkan/ memancarkan berkas-berkas cahaya tersebut ke
segala arah. Hal ini disebabkan ketidak homogenan materi yang terdapat dalam serat optik
tersebut yang mempunyai sifat menghamburkan suatu berkas cahaya.
B. Rugi-rugi karena penggunaaan Serat Optik sebagai Media Transmisi
1. Rugi-rugi karena pelengkungan
Rugi-rugi ini terjadi pada saat sinar melalui serat optik yang dilengkungkan, dimana
sudut datang sinar lebih kecil dari pada sudut kritis sehingga sinar tidak dipantulkan
sempurna tapi dibiaskan.
Gambar Rugi-rugi karena pelengkungan
Untuk mengurangi rugi-rugi karena pelengkungan maka harga Numerical Arpature dibuat
besar.
Numerical Aperture adalah ukuran atau besarnya sinus sudut pancaran maksimum
dari sumber optik yang merambat pada inti serat yang cahayanya masih dapat dipantulkan
secara total, dimana nilai NA juga dipengaruhi oleh indeks bias core dan cladding. Besarnya
nilai NA diperoleh dengan rumus :
Gambar Numerical Aperture
dimana :
NA = Numerical Aperture
θ = sudut cahaya yang masuk dalam serat optik
n1 = indeks bias core
n2 = indeks bias cladding
2. Microbending Loss
Rugi-rugi ini termasuk sebagai akibat adanya permukaan yang tidak rata (dalam orde mikro)
sebagai akibat proses perbaikan bahan yang kurang sempurna.
Rugi-rugi karena microbending
3. Splicing Loss
Rugi-rugi ini timbul karena adanya gap antara dua serat optik yang disambung. Hal
ini terjadi karena dimensi serat optik yang demikian kecil sehingga penyambungan menjadi
tidak tepat sehingga sinar dari bahan serat optik ke serat optik lainnya tidak dapat
dirambatkan seluruhnya. Ada beberapa kesalahan dalam penyambungan yang dapat
menimbulakn rugi-rugi splicing, yaitu:
Sambungan kedua serat optik membentuk sudut
Kedua sumbu berimpit namun masih ada celah diantara keduanya
Ada perbedaan ukuran antara kedua serat optik yang disambung
Untuk mengukur besarnya rugi-rugi karena sambungan digunakan rumus :
L (dB) = 10 Log (P out/ P in)
dimana :
P out = daya sesudah sambungan
P in = daya sebelum sambungan
4. Rugi-rugi Coupling
Rugi–rugi ini timbul karena pada saat serat optik dikopel/ disambungkan dengan sumber
cahaya atau photo detektor. Hal ini dapat terjadi karena energiyang diradiasikan oleh sumber
optik dapat dimasukkan ke dalam serat optik. Kualitas kopling dinyatakan dengan effisiensi
kopling seperti dinyatakan dengan rumus :
dimana :
Ps = daya yang dipanncarkan oleh sumber cahaya
Pt = daya yang dimasukkan ke dalam serat optik
Sumber : http://zethcorner.wordpress.com/2009/06/26/rugi-rugi-pada-serat-optik/
Rugi-rugi pada serat optic
Rugi-rugi pada serat optik adalah atenuasi yang disebabkan oleh 3 faktor yaitu absorpsi,
hamburan (scattering) dan mikro-bending. Atenuasi adalah besaran pelemahan energi sinyal
informasi dari fiber optik yang dinyatakan dalam dB.Gelas yang merupakan bahan pembuat fiber
optik biasanya terbentuk dari silicon-dioksida ( SiO2). Variasi indeks bias diperoleh dengan
menambahkan bahan lain seperti titanium, thallium, germanium atau boron. Dengan susunan bahan
yang tepat maka akan didapatkan atenuasi yang sekecil mungkin. Atenuasi menyebabkan
pelemahan energi sehingga amplitudo gelombang yang sampai pada penerima menjadi lebih kecil
dari pada amplitudo yang dikirimkan oleh pemancar.
a.Absorpsi
Absorpsi merupakan sifat alami suatu gelas. Pada daerah-daerah tertentu gelas dapat
mengabsorpsi sebagian besar cahaya seperti pada daerah ultraviolet. Hal ini disebabkan oleh adanya
gerakan elektron yang kuat. Demikian pula untuk daerah inframerah, terjadi absorpsi yang besar. Ini
disebabkan adanya getaran ikatan kimia . Oleh karena itu sebaiknya penggunaan fiber optik harus
menjauhi daerah ultraviolet dan inframerah. Penyebab absorpsi lain adanya transmisi ion-ion logam
dan ion OH. Ion OH ini ternyata memberikan sumbangan absorpsi yang cukup besar. Semakin lama
usia suatu fiber maka bisa diduga akan semakin banyak ion OH di dalamnya yang menyebabkan
kualitas fiber menurun.
b.Hamburan
Seberkas cahaya yang melalui suatu gelas dengan variasi indeks bias disepanjang gelas tadi,
sebagian energinya akan hilang dihamburkan oleh benda benda kecil yang ada di dalam gelas.
Hamburan yang disebabkan oleh tumbukan cahaya dengan partikel tersebut dinamakan hamburan
Rayleigh. Besarnya hamburan Rayleigh ini berbanding terbalik dengan pangkat empat dari pangjang
gelombang cahaya yaitu : 1/ λ . Sehingga dapat disimpulkan untuk lamda kecil, hamburan Rayleigh
besar dan sebaliknya. Seberapa besar sumbangan hamburan Rayleigh ini terhadap atenuasi
transmisi dapat dilihat pada grafik gambar 2.3. yang sudah direkomendasi oleh CCITT. Ternyata pada
panjang gelombang sekitar 0,85 μm yaitu panjang gelombang sinar laser Ga A1 As, Hamburan
Rayleigh memberikan loss akibat hamburan sangat kecil dibandingkan dengan loss fiber optik
multimode. Karena itu fiber optik singlemode lebih baik mutunya sebagai media transmisi
dibandingkan dengan fiber optik multimode.
c.Mikro-bending
Atenuasi lainya adalah atenuasi yang disebabkan mikro-bending yaitu pembengkokan fiber
optik untuk memenuhi persyaratan ruangan. Namun pembengkokan dapat pula terjadi secara tidak
sengaja seperti misalnya fiber optik yang mendapat tekanan cukup keras sehingga cahaya yang
merambat di dalamnya akan berbelok dari arah transmisi dan hilang. Hal ini tentu saja menyebabkan
atenuasi.
Selain atenuasi, rugi-rugi pada serat optik juga bias disebabkan oleh dispersi yaitu sinyal
yang merambat mengalami distorsi sehingga mengakibatkan pelebaran pulsa cahaya yang
ditransmisikan.
Rugi – rugi tersebut adalah:
1. Rugi – rugi penghamburan Rayleigh
Rugi ini terjadi karena adanya variasi kerapatan optik dan campuran – campurannya
sehingga membentuk facet – facet yang memantulkan dan membiaskan serta menghamburkan
sebagian kecil cahaya yang melewatinya
2. Rugi – rugi penyerapan (Absorbtion Loss)
Terjadinya akibat adanya ion Oh dalam inti, sehingga cahaya yang melewatinya terganggu.
3. Rugi –rugi pembengkokan (Bending Loss)
Terjadi karena akibat adanya pembengkokan. Ada dua macam rugi pembengkokan, yaitu
a. Micro Bending Loss : yang disebabkan karena pembengkokan mikro didalam inti serat
optik
b. Bending Loss : yang disebabkan karena adanya belokan tajam/lengkungan pada saat instalasi
Deteksi optik adalah fungsi dari bagian penerima dalam sistem komunikasi optik.
Sebuah detektor optik atau photodetector adalah kebalikan dari apa yang dikerjakan oleh
bagian pengirim, yaitu sumber optik. Sumber optik biasanya mengkonversikan sinyal optik
input menjadi keluaran berupa arus. Detektor optik biasanya adalah photodiode yang
merupakan divais photoelectric. Rentang nilai dari panjang gelombang yang dideteksi
termasuk UV, infra red, cahaya tampak, dll., adalah dari 0.005 s/d 4,000 μm.
Pertama kali yang mesti diperhatikan dalam memilih detektor cahaya yang akan
digunakan adalah menspesifikasikan parameter-parameter sistem yang ada, dalam hal ini
parameter yang umum digunakan adalah responsivitas, gain, laju bit dan jarak transmisinya.
Setelah itu, langkah berikutnya adalah memilih modulasi yang akan digunakan,
apakah menggunakan modulasi digital ataukah modulasi analog. Hal ini dibedakan
mengingat parameter power budget dalah modulasi digital dan modulasi analog berbeda.
Pada modulasi digital yang digunakan adalah nilai BER (Bit Error Rate) sedangkan pada
modulasi analog yang digunakan adalah SNR (Signal to Noise Ratio). SNR menunjukkan
seberapa kuat sinyal dibandingkan dengan deraunya, sedangkan BER menyatakan rasio dari
banyaknya bit error dalam pengkodean terhadap total bit yang diterima.
Selanjutnya adalah memilih detektor apa yang akan digunakan, apakah APD atau PIN
detektor, hal ini tergantung dari dari perhitungan parameter-parameter di awal. Perhitungan
parameter sensitivitas merupakan langkah yang harus dikerjakan setelah pemilihan detektor
selesai. Besarnya nilai sensitivitas diukur dengan responsivitas R (A/W), yaitu arus keluaran
yang dihasilkan per unit daya yang dihasilkan.
Prinsip kerja laser
Terjadinya laser sudah diramalkan jauh hari sebelum dikembangkannya mekanika
kuantum. Pada tahun 1917, Albert Einstein mempostulatkan pancaran imbas pada peristiwa
radiasi agar dapat menjelaskan kesetimbangan termal suatu gas yang sedang menyerap dan
memancarkan radiasi. Menurut dia ada 3 proses yang terlibat dalam kesetimbangan itu,
yaitu : serapan, pancaran spontan (disebut fluorensi) dan pancaran terangsang. Proses yang
terakhir biasanya diabaikan terhadap yang lain karena pada keadaan normal serapan dan
pancaran spontan sangat dominan. Sebuah atom pada keadaan dasar dapat dieksitasi ke
keadaan tingkat energi yang lebih tinggi dengan cara menumbukinya dengan elektron atau
foton. Setelah beberapa saat berada di tingkat tereksitasi ia secara acak akan segera kembali
ke tingkat energi yang lebih rendah, tidak harus ke keadaan dasar semula. Proses acak ini
dikenal sebagai fluoresensi terjadi dalam selang waktu rerata yang disebut umur rerata,
lamanya tergantung pada keadaan dan jenis atom tersebut. Kebalikan dari umur ini dapat
dipakai sebagai ukuran kebolehjadian atom tersebut terdeeksitasi sambil memancarkan foton
yang energinya sama dengan selisih tingkat energi asal dan tujuan. Foton ini dapat saja
diserap kembali oleh atom yang lain sehingga mengalami eksitasi tetapi dapat pula lolos
keluar sistem sebagai cahaya. Sebetulnya atom- atom yang tereksitasi tidak perlu menunggu
terlalu lama untuk memancar secara spontan, asalkan terdapat foton yang merangsangnya.
Syaratnya foton itu harus memiliki energi yang sama dengan selisih tingkat energi asal dan
tujuan.
(3) Laser semikonduktor
Laser ini juga disebut laser injeksi, karena pemompaannya dilakukan dengan injeksi
arus listrik lewat sambungan PN semikonduktornya. Jadi laser ini tidak lain adalah sebuah
diode dengan bias maju biasa. Laser semikonduktor yang pertama diciptakan secara
bersamaan oleh tiga kelompok pada tahun 1962. Mereka adalah R.H. Rediker dkk. (Lincoln
Lab, MIT), M.I. Nathan dkk. (Yorktown Heights, IBM) dan R.N. Hall dkk. (General Electric
Research Lab.). Diode- diode yang digunakan adalah galiun arsenida-flosfida GaAsP (sinar-
tampak merah). Proses laser jenis ini mirip dengan kerja LED biasa. Pancaran fotonnya
disebabkan oleh bergabungnya kembali elektron dan lubang (hole) di daerah sambungan PN-
nya. Bahan semikonduktor yang dipakai harus memiliki gap energi yang langsung, agar dapat
melakukan radiasi foton tanpa melanggar hukum kekekalan momentum. Oleh sebab itulah
laser semikonduktor tidak pernah menggunakan bahan seperti silikon maupun germanium
yang gap energinya tidak langsung. Dibandingkan dengan LED, laser semikonduktor masih
mempunyai dua syarat tambahan. Yang pertama, bahannya harus diberi doping banyak sekali
sehingga tingkat energi Fermi-nya melampaui tingkat energi pita konduksi di bagian N dan
masuk ke bawah tingkat energi pita valensi di bagian P. Hal ini perlu agar keadaan inversi
populasi di daerah sambungan PN dapat dicapai. Yang kedua, rapat arus listrik maju yang
digunakan haruslah besar, begitu besar sehingga melampaui harga ambangnya. Besarnya
sekitar 50 ribu ampere/cm2 agar laser yang dihasilkan bersifat kontinu. Rapat arus ini luar
biasa besar, sehingga diode laser harus ditaruh di dalam kriostat supaya suhunya tetap rendah
( 77 K ), jika tidak arus yang besar ini dapat merusak daerah sambungan PN dan diode
berhenti menghasilkan laser. Kelemahan sistem laser ini adalah sifatnya yang tidak
monokromatik, karena transisi elektron yang terjadi bukanlah antar tingkat energi tapi antar
pita energi, padahal pita energi terdiri dari banyak tingkat energi.