LED dan LASER

LED

Dioda cahaya atau lebih dikenal dengan sebutan LED (light-emitting diode) adalah suatu semikonduktor yang memancarkan cahaya monokromatik yang tidak koheren ketika diberi tegangan maju.

· Fungsi fisikal

Sebuah LED adalah sejenis dioda semikonduktor istimewa. Seperti sebuah dioda normal, LED terdiri dari sebuah chip bahan semikonduktor yang diisi penuh, atau di-dop, dengan ketidakmurnian untuk menciptakan sebuah struktur yang disebut p-n junction. Pembawa-muatan - elektron dan lubang mengalir ke junction dari elektroda dengan voltase berbeda. Ketika elektron bertemu dengan lubang, dia jatuh ke tingkat energi yang lebih rendah, dan melepas energi dalam bentuk photon.

· Emisi cahaya

Panjang gelombang dari cahaya yang dipancarkan, dan oleh karena itu warnanya, tergantung dari selisih pita energi dari bahan yang membentuk p-n junction. Sebuah dioda normal, biasanya terbuat dari silikon atau germanium, memancarkan cahaya tampak inframerah dekat, tetapi bahan yang digunakan untuk sebuah LED memiliki selisih pita energi antara cahaya inframerah dekat, tampak, dan ultraungu dekat.

· Polarisasi

Tak seperti lampu pijar dan neon, LED mempunyai kecenderungan polarisasi. Chip LED mempunyai kutub positif dan negatif (p-n) dan hanya akan menyala bila diberikan arus maju. Ini dikarenakan LED terbuat dari bahan semikonduktor yang hanya akan mengizinkan arus listrik mengalir ke satu arah dan tidak ke arah sebaliknya. Bila LED diberikan arus terbalik, hanya akan ada sedikit arus yang melewati chip LED. Ini menyebabkan chip LED tidak akan mengeluarkan emisi cahaya.
Chip LED pada umumnya mempunyai tegangan rusak yang relatif rendah. Bila diberikan tegangan beberapa volt ke arah terbalik, biasanya sifat isolator searah LED akan jebol menyebabkan arus dapat mengalir ke arah sebaliknya.

· Tegangan maju

Karakteristik chip LED pada umumnya adalah sama dengan karakteristik dioda yang hanya memerlukan tegangan tertentu untuk dapat beroperasi. Namun bila diberikan tegangan yang terlalu besar, LED akan rusak walaupun tegangan yang diberikan adalah tegangan maju.
Tegangan yang diperlukan sebuah dioda untuk dapat beroperasi adalah tegangan maju (Vf).

· Sirkuit LED

Sirkuit LED dapat didesain dengan cara menyusun LED dalam posisi seri maupun paralel. Bila disusun secara seri, maka yang perlu diperhatikan adalah jumlah tegangan yang diperlukan seluruh LED dalam rangkaian tadi. Namun bila LED diletakkan dalam keadaan paralel, maka yang perlu diperhatikan menjadi jumlah arus yang diperlukan seluruh LED dalam rangkaian ini.
Menyusun LED dalam rangkaian seri akan lebih sulit karena tiap LED mempunyai tegangan maju (Vf) yang berbeda. Perbedaan ini akan menyebabkan bila jumlah tegangan yang diberikan oleh sumber daya listrik tidak cukup untuk membangkitkan chip LED, maka beberapa LED akan tidak menyala. Sebaliknya, bila tegangan yang diberikan terlalu besar akan berakibat kerusakan pada LED yang mempunyai tegangan maju relatif rendah.
Pada umumnya, LED yang ingin disusun secara seri harus mempunyai tegangan maju yang sama atau paling tidak tak berbeda jauh supaya rangkaian LED ini dapat bekerja secara baik.

· Substrat LED

Pengembangan LED dimulai dengan alat inframerah dan merah dibuat dengan gallium arsenide. Perkembagan dalam ilmu material telah memungkinkan produksi alat dengan panjang gelombang yang lebih pendek, menghasilkan cahaya dengan warna bervariasi.
LED konvensional terbuat dari mineral inorganik yang bervariasi, menghasilkan warna sebagai berikut:
· aluminium gallium arsenide (AlGaAs) - merah dan inframerah
· gallium aluminium phosphide - hijau
· gallium arsenide/phosphide (GaAsP) - merah, oranye-merah, oranye, dan kuning
· gallium nitride (GaN) - hijau, hijau murni (atau hijau emerald), dan biru
· gallium phosphide (GaP) - merah, kuning, dan hijau
· zinc selenide (ZnSe) - biru
· indium gallium nitride (InGaN) - hijau kebiruan dan biru
· indium gallium aluminium phosphide - oranye-merah, oranye, kuning, dan hijau
· silicon carbide (SiC) - biru
· diamond (C) - ultraviolet
· silicon (Si) - biru (dalam pengembangan)
· sapphire (Al₂O₃) - biru
KARAKTERISTIK LED
1) Umumnya memakai kabel serat optik multimode.
2) Sirkit lebih sederhana.
3) Harganya lebih murah.
4) Cahaya yang dipancarkan LED bersifat tidak koheren yang akan menyebabkan dispersi chromatic sehingga LED hanya cocok untuk transmisi data dengan bit rate rendah sampai sedang (Untuk komunikasi berkecepatan < 200 Mb/s).
5) Daya keluaran optik LED adalah -30 ~ -10 dBm.
6) LED memiliki lebar spectral (spectral width) 30–50 nm pada panjang gelombang 850 nm dan 50–150 nm pada panjang gelombang 1310 nm.
Jenis LED yang biasa digunakan :
a. Surface Emitter (dioda burrus) LED
Karakteristiknya : tipe high radiance, radiasi keluaran dengan sudut pancar 180o, bersifat lambertian source, memerlukan bias maju, emisi cahaya melalui permukaan, daerah aktif berbentuk lingkaran dengan diameter 50 m, kemasan pigtail dengan serat optik langsung pada daerah aktif sepanjang 30 cm.
b. Edged Emitter LED.
Karakteristiknya : radiasi keluaran lebih terarah, daerah aktif berbentuk pipih segi empat (stripe), spektrum pancaran berbentuk ellips, emisi cahaya ke arah samping atau ujung, memerlukan bias maju, lebar spektrum keluaran sudut paralel : 120o dan sudut yang tegak lurus = 25o – 35o.
Panjang gelombang emisi puncak ditentukan oleh bahan yang digunakan dengan dopan yang ditambahkannya. Dengan mengatur komposisi bahan dapat merubah harga Eg.

LED Infra Merah

LED Infra merah adalah sebuah benda padat penghasil cahaya, yang mendekati/menghasilkan spectrum cahaya infra merah. LED (dioda cahaya)Infra merah menghasilkan panjang gelombang yang sama dengan yang biasa diterima oleh photodetektor silikon. Oleh karena itu LED infra merah bisa dipasangkan dengan foto transistor dan foto dioda.
Karakteristik dari LED Infra merah:

1. Bisa dipakai dalam waktu yang sangat lama.
2. Membutuhkan daya yang kecil.
3. Pemancaran panjang gelombangnya menyempit.
4. Tidak mudah panas.
5. Bisa digunakan dalam jarak yang lebar.
6. Harga murah.

Laser

Laser (singkatan dari bahasa Inggris: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) adalah sebuah alat yang menggunakan efek mekanika kuantum, pancaran terstimulasi, untuk menghasilkan sebuah cahaya yang koherens dari medium "lasing" yang dikontrol kemurnian, ukuran, dan bentuknya. Pengeluaran dari laser dapat berkelanjutan dan dengan amplituda-konstan (dikenal sebagai CW atau gelombang berkelanjutan), atau detak, dengan menggunak teknik Q-switching, modelocking, atau gain-switching.
Dalam operasi detak, banyak daya puncak yang lebih tinggi dapat dicapai. Sebuah medium laser juga dapat berfungsi sebagai amplifier optikal ketika di-seed dengan cahaya dari sumber lainnya. Signal yang diperkuat dapat menjadi sangat mirip dengan signal input dalam istilah panjang gelombang, fase, dan polarisasi; Ini tentunya penting dalam komunikasi optikal. Kata kerja "lase" berarti memproduksi cahaya koherens, dan merupakan pembentukan-belakang dari istilah laser.
Sumber cahaya umum, seperti bola lampu incandescent, memancarkan foton hampir ke seluruh arah, biasanya melewati spektrum elektromagnetik dari panjang gelombang yang luas. Banyak sumber cahaya juga incoherens; yaitu, tidak ada hubungan fase tetap antara foton yang dipancarkan oleh sumber cahaya. Secara kontras, laser biasanya memancarkan foton dalam cahaya yang sempit, dijelaskan-baik, terpolarisasi, sinar koherens mendekati-monokromatik, terdiri dari panjang gelombang tunggal atau warna.
Beberapa jenis laser, seperti laser dye dan laser vibronik benda-padat (vibronic solid-state lasers) dapat memproduksi cahaya lewat jangka lebar gelombang; properti ini membuat mereka cocok untuk penciptaan detak singkat sangat pendek dari cahaya, dalam jangka femtodetik (10^-15 detik). Banyak teori mekanika kuantum dan termodinamika dapat digunakan kepada aksi laser (lihat ilmu laser), meskipun nyatanya banyak jenis laser ditemukan dengan cara trial and error.
Dioda laser
Dioda laser adalah sejenis dioda di mana media aktifnya menggunakan sebuah semikonduktor persimpangan p-n yang mirip dengan yang terdapat pada dioda pemancar cahaya. Dioda laser kadang juga disingkat LD atau ILD.

Dioda laser baru ditemukan pada akhir abad ini oleh ilmuwan Universitas Harvard. Prinsip kerja dioda ini sama seperti dioda lainnya yaitu melalui sirkuit dari rangkaian elektronika, yang terdiri dari jenis p dan n. Pada kedua jenis ini sering dihasilkan 2 tegangan, yaitu:

1. biased forward, arus dihasilkan searah dengan nilai 0,707 utk pembagian v puncak, bentuk gelombang di atas ( + ).
2. backforward biased, ini merupakan tegangan berbalik yang dapat merusak suatu komponen elektronika.

Diode LASER (Light Amflification by Stimulated Emission of Radiation)
Karakteristik :
1)Umumnya menggunakan kabel optik single mode.
2)Response time < 1 nano detik.
3)Cahaya yang dipancarkan oleh dioda laser bersifat koheren.
4)^_^
5)Diode laser memiliki lebar spektral yang lebih sempit (~1 nm) jika dibandingkan dengan LED sehingga dispersi chromatic dapat ditekan.
6)Diode laser diterapkan untuk transmisi data dengan bit rate tinggi (Untuk komunikasi berkecepatan diatas 200 Mb/s)
7)Daya keluaran optik dari diode laser adalah 0 ~ 10 dBm.
8)Karakteristik arus kemudi daya optik diode laser tidak linier.
9)Kinerja (keluaran daya optik, panjang gelombang, umur) dari diode laser sangat dipengaruhi oleh temperatur operasi.
Laser merupakan sumber optik yang koheren. Bahan dasarnya berupa gas, cairan, kristal dan semikonduktor. Komunikasi jarak jauh memerlukan laser monomode (single mode). Perkembangan laser monomode adalah sbb :
- DFB : Distributed Feedback Laser
- DBR : Distributed Bragg Reflector Laser
- DR : Distributed Reflector Laser
- SEL : Surface Emitting Laser.
Keluaran Laser bersifat : mendekati monokromatik (hanya mempunyai 1 panjang gelombang), koheren (panjang gelombang berada dalam 1 fasa), dan sangat terarah (diagram arahnya sangat konvergen).

Karakteristik	LED	LASER DIODE
Spektrum keluaran	Tidak koheren	Koheren
Daya Optik keluaran	Lebih rendah (0,4-4,0mW)	Lebih tinggi (1,5-8,0mW)
Kestabilan operasi terhadap temperatur	Lebih stabil	Kurang stabil
Penguatan cahaya	Tidak ada	Ada
Arah pancaran cahaya	Kurang terarah	Sangat terarah
Arus pacu	Kecil	Besar
Disipasi panas	Kecil	Besar
Harga	Lebih murah	Lebih mahal
Kemudahan penggunaan	Lebih mudah	Lebih sulit
Kecepatan (rise time)	Lebih lambat (2 – 10 ns)	Lebih cepat (0,3 – 0,7 ns)
Panjang gelombang	800-850, 1300 nm	800-850, 1300, 1500 nm
Lebar pita (nm)	30-60 (λ = 800-850 nm) 50-150 (λ=1300)	1-2 (λ = 800-850 nm) 2-5 (λ = 1300 nm) 2-10 (λ = 1500 nm)
Daya ke serat	0,03 – 0,15 mW	0,4 – 3,0 mW
Frekuensi modulasi	0,08 – 0,3 Ghz	2 – 3 GHz
Kepekaan	-	Elektrostatik

Tabel 1 Perbandingan karakteristik LED dan Dioda
LASER
Laser merupakan sumber optik yang koheren. Bahan dasarnya berupa gas,
cairan, kristal dan semikonduktor. Pengoperasian laser harus menggunakan
arus bias yang besar di atas arus threshold.
Proses pembentukan laser :
1. Absorpsi foton; proses perpindahan elektron dari energi valensi ke energi
konduksi.
2. Emisi Spontan; proses di mana elektron dalam keadaan tereksitasi di energi
konduksi kembali ke energi dasar dengan melepas foton.
3. Emisi terangsang (stimulated); proses saat keadaan inversi populasi elektron tereksitasi yang mendapat rangsangan (pacu) akan serentak melepaskan foton dalam jumlah banyak.
Panjang gelombang emisi keluaran :
Cahaya Laser memiliki sifat sebagai berikut:

• Lampu dirilis adalah monokromatik. Ini berisi salah satu panjang gelombang cahaya tertentu (satu warna tertentu). Panjang gelombang cahaya ditentukan oleh jumlah energi yang dilepaskan ketika elektron tetes ke orbit yang lebih rendah.
• Hal ini "yang diselenggarakan" - setiap foton bergerak dalam langkah dengan yang lain. Ini berarti bahwa semua foton memiliki front gelombang yang memulai serempak.
• Sebuah sinar laser memiliki sinar yang sangat ketat dan ini sangat kuat dan terkonsentrasi. senter A, di sisi lain, rilis banyak arah cahaya, dan cahaya sangat lemah dan menyebar.