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.