12Noise-Photodetector

8/8/2019 12Noise-Photodetector

1/23

Program Studi T. Elektro,

FT - UHAMKA

Slide - XII

Sistem Komunikasi Serat Optik

1

SistemSistem KomunikasiKomunikasi SeratSerat OptikOptik

12.12. NoiseNoise PhotodetectorPhotodetector

Harry RamzaHarry RamzaProgram Studi Teknik Elektro

Fakultas Teknik

Universitas Muhammadiyah Prof. Dr. HAMKA


2/23

NoiseNoise DetektorDetektor FotoFoto


FT - UHAMKA

Slide - XII 2

penguatnoisedayafotodetektornoiseDaya

photoarusdariSinyalDaya

N

S

Sumber noise di penerima meningkat dr noise detektor foto

akibat dr sifat alami proses konversi photon-elektron dan

noise termal di sirkit penguat.Utk mendapatkan S/N tinggi :

1. Detektor foto harus memiliki efisiensi kuantum yg

tinggi utk membangkitkan sinyal besar.

2. Noise detektor foto dan penguat harus sekecil

mungkin.Sensitivitas detektor foto : daya optis minimal yg dpt

dideteksi.


3/23

SumberSumber NoiseNoise

(a) Model sederhana penerima detektor foto.

(b) Sirkit ekivalen

Rs : tahanan seri kecil (Rs


4/23


Arus foto primer dibangkitkan :

P(t) : Daya optis sinyal bermodulasi

Arus foto primer terdiri dr arus dc Ip, arus foto rata2

berasal dr daya sinyal dan komponen sinyal ip(t). Utk

dioda pin arus sinyal mean square :

Utk dioda avalanche arus sinyal mean square :


FT - UHAMKA

Slide - XII 4


5/23

Utk sinyal input bervariasi sinusoida dgn indeks

modulasi m, komponen sinyal :

m : indeks modulasi

Noise detektor foto tanpa internal gain :

(a) Quantum/shot noise sifat alami statistik

(b) Dark current tdk ada cahaya datang

(c) Surface leakage current kerusakan permukaanProgram Studi T. Elektro,

FT - UHAMKA

Slide - XII 5



6/23

Arus noise kuantum mean square :

B : Lebar pita

F(M) : noise figureF(M) = Mx , 0 < x < 1, 0, tergantung bahan

Detektor pin M = 1, F(M) = 1

Arus bulk dark mean square :

ID : arus bulk dark detektor primer (tanpa perkalian)Program Studi T. Elektro,

FT - UHAMKA

Slide - XII 6



7/23

Surface leakage current (surface dark current) mean square:Surface leakage current (surface dark current) mean square:

IILL :: arusarus bocorbocor permukaanpermukaan

ArusArus noisenoise detektordetektor fotofoto total mean square :total mean square :

UtkUtk penyederhanaanpenyederhanaan Ra >> RLRa >> RL kontribusikontribusi tahanantahanan bebanbeban

detektordetektor fotofoto ::

kkBB :: kontantakontanta BoltzmanBoltzman


FT - UHAMKA

Slide - XII 7


8/23

PerbandinganPerbandingan arusarus darkdark diodadioda fotofoto Si,Si, GeGe,, GaAsGaAs

dandan InGaAsInGaAs sbg fungsi normalisasi teg bias.sbg fungsi normalisasi teg bias.


FT - UHAMKA

Slide - XII 8


9/23

PerbandinganPerbandingan SinyalSinyal ThdThd NoiseNoise

Pin noise termal dominanAPD noise detektor dominan

F(M) : fungsi M, S : fungsi M2, noise kuantum dan arus dark :

fungsi M2F(M) ada harga S/N optimum.

M optimum :


FT - UHAMKA

Slide - XII 9


10/23

ContohContohDioda foto pin GaAs memiliki parameter pd panj gel 1300 nm :

ID = 4 nA, = 0,65, RL = 1000 Ohm dan IL diabaikan.Daya optis datang 300 nW, lebar pita penerima 20 MHz,

T =300oK. Hitunglah

(a) Arus foto primer(b) Noise2 di penerima.

(c) S/N jika m = 0,8

APD dgn parameter tsb, utk x = 0,5

Hitunglah : (a) Mopt, (b) Arus (foto primer) multiplikasi,

(c) Noise2 di penerima, (d) S/Nmaks


FT - UHAMKA

Slide - XII 10


11/23

WaktuWaktu ResponRespon DetektorDetektor

Depletion layer photocurrentDepletion layer photocurrent

SkemaSkema tegangantegangan mundurmundur diodadioda fotofoto pinpin


FT - UHAMKA

Slide - XII 11


12/23

WaktuWaktu ResponRespon DetektorDetektorKondisi steady state rapat arus total mengalir melalui lapisan

deplesi tegangan mundur :

Jdr : rapat arus drift dihasilkan oleh carrier yg dibangkitkan dlm

daerah deplesi.

Jdiff : rapat arus difusi timbul dr carrier yg dihasilkan diluar

daerah deplesi dlm semikonduktor (daerah n dan p) dan

berdifusi kedalam junction teg mundur.

RapatRapat arusarus drift :drift :A : luas dioda foto

0 : photon flux datang per satuan luasProgram Studi T. Elektro,

FT - UHAMKA

Slide - XII 12


13/23

WaktuWaktu ResponRespon DetektorDetektor

Permukaan lapisan p dioda foto pin umumnya tipis. Arus difusi

akan ditentukan oleh difusi hole dr bulk daerah n. Difusi hole

dapat dihitung dr :

DDpp :: koefisienkoefisien difusidifusi

PPnn :: konsentrasikonsentrasi holehole didi bahanbahan tipetipe--nn

ttpp : excess hole life time: excess hole life timePPn0n0 :: rapatrapat holehole kondisikondisi seimbangseimbang/equilibrium/equilibrium

G(x) :G(x) : lajulaju pembangkitanpembangkitan elektronelektron--holeholeProgram Studi T. Elektro,

FT - UHAMKA

Slide - XII 13


14/23

WaktuWaktu ResponRespon DetektorDetektorShg rapat arus difusi :

Rapat arus total mengalir melalui lapisan deplesi tegangan

mundur :

Pn0 umumnya kecil shg arus foto yg dibangkitkan totalsebanding dgn photon flux 0Program Studi T. Elektro,

FT - UHAMKA

Slide - XII 14


15/23

WaktuWaktu ResponRespon

FaktorFaktor waktuwaktu responrespon diodadioda fotofoto ::

a.a. Waktu transit carrier foto di daerah deplesiWaktu transit carrier foto di daerah deplesi

b.b. WaktuWaktu difusidifusi carriercarrier fotoygfotoyg dibangkitkandibangkitkan diluardiluar daerahdaerah deplesideplesi

c.c. KonstantaKonstanta waktuwaktu RCRC diodadioda fotofoto dandan sirkitsirkit ygyg berkaitanberkaitan..

ParameterParameter ygyg berpengaruhberpengaruh thdthd faktorfaktor tsbtsb ::a.a. KoefisienKoefisien absorbsiabsorbsi ss

b.b. LebarLebar daerahdaerah deplesideplesi ww

c.c. Kapasitansi junction dan dioda fotoKapasitansi junction dan dioda foto

d.d. KapasitansiKapasitansi penguatpenguat

e.e. TahananTahanan bebanbeban detektordetektor

f.f. TahananTahanan masukanmasukan penguatpenguat

g.g. TahananTahanan seriseri penguatpenguatProgram Studi T. Elektro,

FT - UHAMKA

Slide - XII 15


16/23

ResponRespon diodadioda fotofoto thdthd pulsapulsa masukanmasukan optisoptis


FT - UHAMKA

Slide - XII 16


17/23

WaktuWaktu ResponRespon SuatuSuatu DiodaDioda FotoFoto YgYg

TidakTidak DideplesiDideplesi PenuhPenuh


FT - UHAMKA

Slide - XII 17


18/23

ResponRespon PulsaPulsa DiodaDioda FotoFoto DrDr BerbagaiBerbagaiParameterParameter DetektorDetektor


FT - UHAMKA

Slide - XII 18


19/23

VariasiVariasi FaktorFaktor Noise Electron ExcessNoise Electron Excess SbgSbg FungsiFungsi DrDrPenguatanPenguatan ElektronElektron UtkUtk BerbagaiBerbagai HargaHarga PerbandinganPerbandingan LajuLaju

IonisasiIonisasi EfektifEfektif KKeffeffProgram Studi T. Elektro,

FT - UHAMKA

Slide - XII 19


20/23

PengaruhPengaruh SuhuSuhu pdpd PenguatanPenguatan APDAPD

MekanismeMekanisme penguatanpenguatan APDAPD sangatsangat sensitifsensitif thdthd

suhusuhu krnkrn ketergantunganketergantungan lajulaju ionisasiionisasi elektronelektron

dandan holehole.. KetergantunganKetergantungan tsbtsb sangatsangat kritiskritis pdpd

tegteg biasbias tinggitinggi..


FT - UHAMKA

Slide - XII 20

00

00

1

1

1

1

TTbTnTn

TTaTVTV

RIVV

VV

M

BB

MMa

n

B


21/23

VB : Teg breakdown saat M menjadi tak hingga.

n : tgt material, nilai 2,5 7

Va : teg bias mundur detektor

IM : arus foto multiplied

RM : tahanan seri foto dioda dan beban detektor

a, b : konstanta, positip utk RAPD dan ditentukan

dr grafik percobaan penguatan thd suhu.


FT - UHAMKA

Slide - XII 21


22/23

Pengaruh suhu terhadap penguatan APD silikon pd 825 nm


FT - UHAMKA

Slide - XII 22


23/23

Sekian


FT - UHAMKA

Slide - XII 23

Documents

12Noise-Photodetector