bab i2

Bahan AjarKomunikasi Serat Optik

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Sejarah Transmisi Optik

Penemuan transmisi optik merupakan pemikiran yang serovolusioner, akan

tetapi konsep dari komunikasi dengan menggunakan cahaya telah diketahui sejak

akhir abab ke 19. Transmisi optik telah dipikirkan sejak tahun 1881.

Pada tahun itu William Wheeler mengajukan ide dari sistem pendistribusian

cahaya untuk rumah dan kantor.

Pada tahun 1937, Norman R. French mengajukan sistem telepon optik

lengkap dengan Wavelength Devision Multiplexing. Media transmisi yang diusulkan

dibuat dari tabung dengan sebuah permukaan yang memantulkan pada sisi dalamnya.

Tetapi ia juga mengenal kabel optik yang berisi batang-batang dari gelas dan kwarsa.

Batang-batang atau pipa pemantul juga diajukan sebagai media transmisi oleh

Ray. D Kell dan George C. Sziklai pada tahun 1950, yang pada waktu itu dimasukkan

untuk mengirimkan signal televisi.

Perkembangan laser memungkinkan untuk mentransfer komunikasi Link

radio dalam band microwave kedalam komunikasi optik melalui atmosfir Laser gas

Helium Neon telah digunakan dalam percobaan tahun 1960-1970.

Serat optik menjadi menarik setelah perkembangan dari Laser semikonduktor

yang pertama dan setelah Corning Glasswork berhasil dalam memproduksi serat

optik dengan redaman hanya 4 dB per kilometer pada tahun 1972.

Laser-Laser semikonduktor yang dihasilkan dari percobaan lebih lanjut adalah

Light Emitting Dioda (LED). Meskipun beberapa laboratorium mencoba

mengembangkan kaber serat optik single moda dengan diameter core ( inti) lebih

kecil dari 10 μm, teknologi pembuatannya masih sangat sulit ada saat itu dan usaha

yang diarahkan pada konstruksi kabel serat optik graded indeks multimoda dengan

core 50 μm.

1


Pada tahun 1980 pengembangan serat optik kembali bergeser ke kabel serat

optik single-moda dengan mengingat keuntungan kapasitas pada jarak yang jauh.

Pada generasi pertama transmisi serat optik menggunakan cahaya dengan

panjang gelombang 0,8 μm. Tetapi cahaya dengan panjang gelombang ini

mempunyai keterbatasan untuk jarak yang jauh dan kapasitas yang besar.

Generasi kedua menggunakan cahaya dengan panjang gelombang sekitar

1,3 μm sampai 1,5 μm.

Cahaya dengan panjang gelombang sekitar 1,3 μm dispersi chromatic dari

serat sangat rendah. Dispersi chromatic tersebut akan dibatasi kapasitas transmisi

dan akan melebarkan pulsa. Pada 1,5 μm redaman sangat rendah, tetapi dispersi

chromatik lebih tinggi dari 1,3 μm. Gambar 1.1 memperlihatkan sejarah survey dari

perkembangan kabel serat optik dalam hubungan dengan redaman.

Generasi selanjutnya adalah generasi ketiga sistem transmisi optik.

Kemungkinan laser dengan daya besar tidak berperan lagi untuk jarak yang jauh.

Daya optik yang besar akan menyebabkan (intermodulasi) dan akan menyebabkan

redaman yang besar bila dilewatkan pada kabel serat optik. Oleh karena itu

dikembangkan laser dengan spectra yang sempit, bahan dari spectra yang sempit

menjadi single line. Dalam hal demikian, dispersi chromatic tidak berpengaruh,

sehingga kapasitas akan jauh lebih besar dari pada menggunakan transmisi laser

dengan multi-moda. Juga cara pengkodean dan modulasi dari informasi akan

memberikan kemungkinan untuk menambah jarak jangkauan dan kapasitas transmisi.

Dengan prinsip heterodyne akan dapat dicapai deteksi signal yang lebih baik

dari sisi penerima. Perbaikan dari pemilihan menawarkan kemungkinan untuk

menggunakan Frekuency Division Multiplexing (FDM) atau Wave length division

Multiplexing (WDM) pada jarak yang jauh.

Gambar 1.2 tinjauan evolusi dari sistem optik fiber yang digunakan adalah

fiber yang terbuat dari silica, bahan ini mempunyai tembus pandang sampai 1,8 μm.

Perkembangan baru untuk mencari material dengan tembus pandang yang sangat baik

adalah dalam range antara 2 sampai dengan 12 μm.

2


Gambar 1.1 Diagram blok sistem komunikasi optik (SKO)

Gambar 1.2 evolusi sistem serat optik

3


I.2 Keuntungan dan Kelemahan Sistem Komunikasi Optik

I.2.1 Keuntungan

1. Redaman kecil dan konstan

Perkembangan kabel serat optik semakin hari semakin meningkat dengan

berbagai penelitian sehingga menghasilkan redaman yang sangat kecil dengan

ferekuensi yang sangat tinggi dengan panjang gelombang 500 – 1500 nm dengan

redaman 0.2 – 0.5 dB/km.

2. Lebar pita frekuensi sinyak besar

Frekuensi pembawa optik tergantung dari panjang gelombang dari suatu

material berkisar 1012 – 1017 Hz atau berada sekitar infra merah, sehingga informasi

yang disalurkan lebih banyak.

3. Dimensi kecil, ringan, dan fleksibel

Kabel serat optik mempunyai diameter inti sangat kecil sekitar mikro meter,

nano meter, sehingga aman dipakai dimana saja dan dalam satu kaber banyak sekali

urat serat optik.

4. tidak konduktif,

Sebagai isolator terbuat dari bahan plastik, kaca, dan silika, sehingga tidak

dapat dialiri arus listrik dan terhindar dari hubung singkat.

5. Kebal terhadap ganguaan EMP dan EMI

Bebas dari interferensi medan magnet dan medan listrik, frekuensi radio dan

noise listrik

6. Dapat menyalurkan informasi digital dengan kecepatan yang tinggi.

Kemampuan serat optik menyalurkan signal frekuensi tinggi, sangat cocok

dengan pengiriman sinyal digital pada sistem multipleks digital dengan kecepatan

mega bit persekon hingga giga bit persekon.

4


7. Penyadapan informasi sukar

Penyadapan informasi dengan induksi tidak mungkin terjadi

8. Kapasitas transmisi sinyal besar

9. Jarak transmisi jauh

jarak transmisi bisa mencapai 25 – 50 km dengan frekuensi 1011 – 1017 Hz,

baru digunakan repeater kembali dengan redaman yang standarisasi atau yang

diperbolehkan.

10. Tidak berkarat dan sistem pemeliharaannya mudah

11. crosstalk rendah

Kemungkinan terjadi kebocoran cahaya antara serat optik sangat kecil.

12. tahan terhadap temperatur tinggi

Bahan silika mempunyai titik leleh 1900 derajat Celcius dan sangat jauh dari

titik leleh tembaga dan besi sehingga sangat cocok dipergunakan rawan atau daerah

yang mempunyai temperatu tinggi.

1.2.2 Kerugian

1. Dalam menginstalasi jaringan serat optik sangat sukar dalam hal penyambungan,

harus mempunyai keahlian khusus dan ketelitian, bila hal itu tidak diindahkan

kemungkinan redamannya bisa besar.

2. Redaman cukup besar bila pembengkokan kabel serat optik disesuaikan

standar sudut berapa yang diijinkan.

3. Konstruksi serat optik cukup lemah, maka dalam pemakaiannya diperlukan

lapisan penguat sebagai pelindung (proteksi).

Perkembangan bahan serat dan sumber serat optik pada tabel 1.1.

5


Tabel 1.1 Perkembangan serat optik

Tahun Serat Sumber Optik

1950 500 – 1000 dB/km Ruby

1966Mulai diusulkan

penggunaan serat optikGa As

1970Serat silika dengan redaman 20dB/ km

GaAlAs

1976 0,5 db/km serat silika GaAlAsP

1978 0,2 dB/km serat silikaGaAlAs dengan waktu

hidup 106 jam

1985 0,1 dB/km (silika dan CaF) Laser koheren

sekarangRedaman <0,1 dB/km serat optik single moda

dan spektrum lebarLaser moda tunggal

Bidang-bidang aplikasi serat optik :

Telepon : - saluran jarak jauh (trunk)

- SALURAN JUNCTION

- Saluran kabel laut

Vidio : - Tv Kabel

- Closed loop TV

Data : - LAN

- WAN

- MAN

Sensor : - Gyroscope

- Hydrophone

Lain-lain : - Militer

- industri

- lingkungan khusus

6


Tabel 1.2 Perbandingan parameter Transmisi

Parameter Kabel Pairs koaksial Wave guide Serat optik

Redaman (dB/km)

20 (4 Mhz) 19 (60 Mhz) 2 0,1 - 3

Lebar pita frekuensi

(BW)6 Mhz 200 Mhz 100 Ghz 100 Ghz/km

Jarak repeter (km)

2 (4 Mhz) 1.5 ( 60 Mhz) 10 50 - 250

Kapasitas transmisi

0.1 1 1 >50

(a) Pengaruh panjang gelombang terhadap redaman

7


(b)

Gambar 1.3 Perkembangan serat optik

8


BAB II

PERAMBATAN CAHAYA

2.1 Teori optik

Untuk memahami sifat dari sinar laser dan untuk mempelajari aplikasi laser

itu sendiri dalam bidang lain, maka yang harus dipahami terlebih dahulu adalah sifat

yang dimiliki gelombang cahaya biasa yang ada di alam ini.untuk mengetahui

karakteristik cahaya , diperoleh dengan mengkombinasikan propagasi medan listrik

dan medan magnet dalam ruang terhadap waktu. Frekuensiyang berosilasi pada

medan ini dan panjang gelombang pada ruang hampa :

n v = c, dalam media lain c/n = v

dengan : c = kecepatan cahaya dalam ruang hampa

n = indeks bias media

v = kecepatan cahaya dalam media

Sifat transmisi bahan terhadap cahaya :

Padat, cair, dan gas

Gas bila bahan tersebut dapat dilalui cahaya (tembus cahaya) atau tembus

pandang; contohnya : air dan udara.

Padat bila tidak tembus cahaya; misalnya kayu, besi dan lain-lain. Bila bahan

tersebut tembus cahaya tapi tidak tembus pandang; contohnya kertas.

Ada tiga macam karakteristik dari cahaya yaitu :

- Cahaya berpropagasi lurus kedepan dalam suatu medium.

- Cahaya dapat dianggap sebagai transport elektromagnetik dari

energi yang berpropagasi seperti gelombang.

- Cahaya adalah transport dari energi yang terdiri atas photon

9


2.2 Cahaya berpropagasi lurus ke depan dalam medium

Hukum pertama dari optik adalah:

“ cahaya berpropagasi dalam medium lurus kedepan”

Arah cahaya dapat diubah dengan menggunakan kaca, kaca memantulkan

cahaya yang datang. Sifat ini dirumuskan dalam hukum optik kedua :

“Besarnya sudut datang angle of incidence) sama dengan sudut

pantul (angle ofreflection)”

Kecepatan cahaya didalam medium tidak konstan tetapi tergantung pada pada

materi dari medium lihat gambar 2.1. berkas cahaya akan semakin patah bila

perbedaan kerapatan antara dua materi semakin membesar. Faktor rasio untuk

kecepatan cahaya didalam medium ditentukan oleh indeks bias dari medium.

2.2.1 Indeks bias

Didefinisikan sebagai perbandingan kecepatan cahaya dalam ruang hampa

dengan kecepatan cahaya dalam materi dapat dilihat pada rumus :

V = C/ n

Dimana : n = indeks bias matri yang dilalui berkas cahaya (n>1)

C = kecepatan perambatan cahaya pada ruang hampa

V = kecepatan perambatan cahaya melalui materi

Gambar 2.1 proses pembiasan

10


Gambar 2.2 cahaya merambat lurus kedepan melalui suatu medium

Contoh :

Indeks bias sama dengan kecepatan cahaya dalam ruang hampa (vakum)

dibagi oleh kecepatan cahaya di dalam medium. Kecepatan cahaya di udara kira-kira

300.000 km/sec dan di air kira-kira sebesar 230.000 km/sec sehingga didapat indeks

bias air

n = C/V

= 3.108/ 2.3108

= 1.3

Dalam kenyataanya, sebagian dari cahaya tidak dibiaskan sesuai dengan

hukum Snellius, tetapi akan dipantulkan (effek kaca). Hubungan antara bagian yang

dibiaskan dengan yang dipantulkan tergantung dari indeks bias dan sudut datang dari

berkas cahaya pada permukaan.

Dengan bertambahnya sudut datang kemungkinan dapat memantulkan secara

total berkas cahaya, sehingga dinamakan total internal refleksi. Hal ini merupakan

peristiwa yang ideal untuk transportasi cahaya melalui serat optik.

11


Gambar 2.3 hukum Snellius

Gambar 2.4 Kawat kaca atau serat glass

Didalam medium tersebut berkas cahaya berjalan lurus. Bila berkas cahaya

melalui satu medium (n1) ke medium (n2) yang lain, dengan sudut tertentu (ϴ1),

berkas cahaya tersebut akan dibiaskan (ϴ3), dan lain dipantulan (ϴ2)

Pembiasan : n1 sin ϴ1 = n2 sin ϴ2 ( hukum snellium) n1 > n2 dan ϴ1 < ϴ2

Pemantulan ϴ1 = ϴ3

dengan : n1 = indeks bias material (inti) dari berkas cahaya yang datang

n2 = indeks bias material (gladding) pada berkas cahaya yang diberikan

ϴ1 = besarnya sudut datang

ϴ2 = sudut pembiasan

ϴ3 = sudut pantul

12


2.2.2 Sudut kritis

Sudut kritis adalah sudut yang membentuk 90o atau sudut pantul terhadap

garis normal sesuai dengan hukum snellium. Sudut dimana sudut datang diperbesar

secara perlahan, maka sudut biasnya mencapai 900 sehingga akan terjadi pantulan

total akibatnya semua informasi pada serat optik (cahaya) tidak sampai pada ujung

kabel. Pantulan total gelombang datang pada bidang batas. Bahan dielektrik akan

memberikan pandangan penting mengenai cara kerja pemandu suatu gelombang

datang pada bidang batas dari medium yang lebih rapat berindeks bias n1 menuju ke

suatu medium yang kurang rapat berindeks bias n2. Pantulan total gelombang datang

akan terjadi untuk sudut datang tertentu yang sama atau lebih besar dari suatu sudut

yang dikenal dengan sudut kritis. Hubungan langsung antara gelombang datang dan

gelombang yang diteruskan :

n1 sin ϴ1 = n2 sin ϴ2

untuk n1 > n2 dengan semakin bertambahnya ϴ1 sampai mencapai sudut kritis

ϴ1= ϴc yang bertepatan dengan harga ϴ2 = yaitu

n1 sin ϴ1 = n2 sin ϴ2

sin ϴ2 = n1/n2 sin ϴc

apabila ϴ2 = maka tidak ada gelombang yang merambat pada medium 2

karena gelombang mengalami pantulan total di dalam medium 1.

ϴ1 = arc sin n2/n1

Dimana sudut kritis ϴ1 = ϴc

2.3 Cahaya

13


Cahaya Dapat Dianggap Sebagai Transpor Elektromagnetik Dari Energi Yang

Merambat Seperti Gelombang.

Cahaya natural tidak mempunyai warna, tetapi bila cahaya putih biasa melalui

prisma dan akan diuraikan dalam warna- warna yang berbeda seperti tampak pada

tabel 2.1.

Spektrum elektromagnet mempunyai rentang frekuensi yang tak terbatas.

Rentang frekuensi kebanyakan mulai dari 10 Hz sampai 1024 Hz. Semua gelombang

elektromagnet merambat dengan kecepatan 300 x 106 per detik.

Tabel 2.1

Warna-warna Optik dan Panjang Gelombangnya

(sumber: R.G. Seippel, Optoelectronics for teknology and Engineering)

Warna Panjang gelombang Frekuensi

(μm) (Hz)

Ultraviolet 0,005 - 0,39 6 x 1016 - 7,69 x 1014

Violet 0,40 - 0,45 7,5 - 6,6 x 1014

Tampak Blue 0,45 - 0,50 6,6 - 6,0 x 1014

mata Green 0,50 - 0,57 6,0 - 5,27 x 1014

Yellow 0,57 - 0,59 5,27 - 5,01 x 1014

Orange 0,59 - 0,61 5,01 - 4,92 x 1014

Red 0,61 - 0,70 4,92 - 4,28 x 1014

Infrared 0,70 - 20 4,28 x 1014 - 1,5 x 1013

Pendekatan, termasuk overlapping panjang gelombang dan frekuensi

14


Gambar 2.5. material optik terhadap panjang gelombang

Bank warna dinamakan sebagai spektrum elektomagnetik. Panjang gelombang

yang kelihatan oleh mata berada pada panjang gelombang antara 400 nm (biru)

sampai dengan 700 nm (merah).

Cahaya tipe lain yang berada diluar panjang gelombang tersebut di atas tidak

dapat dilihat oleh mata manusia. Gelombang cahaya yang lebih rendah dari pada

cahaya violet yang tidak terlihat antara lain : berkas sinar ultra violet, sinar X, sinar

gamma. Lebih panjang dari panjang gelombang cahaya merah yang tidak terlihat

mata antara lain : infra red, microwave, dan gelombang radio. Gelombang radio

mempunyai panjang gelombang yang jauh lebih panjang dari pada cahaya yang

terlihat. Untuk transmisi radio dan signal TV frekuensi yang digunakan sampai

dengan 900 Mhz. Untuk signal-signal telekomunikasi setelit dan mikrowave

digunakan frekuensi dalam range antara 4 sampai 40 Ghz.

15


Gambar 2.6. Spektrum elektromagnetik

16


Hubungan antara panjang gelombang dengan frekuensi semua gelombang

elektromagnetik adalah :

Kecepatan = frekuensi x panjang gelombang

V = f x λ

Gambar 2.6 spektrum cahaya yang dapat dilihat

2.4 Cahaya Adalah Transpor Energi Yang Terdiri Dari Photon

Cahaya dijelaskan sebagai transport energi yang terdiri atas photon-photon.

Photon diubah dalam partikel atau paket energi yang hanya ditentukan oleh

warnanya.

Warna dari suatu gelombang cahaya ditentukan oleh panjang gelombang,

sehingga dapat diperkirakan adanya hubungan yang kuat antara gelombang cahaya

dengan photon-photon. Besarnya energi photon tersebut adalah :

Dimana :

E = energi yang dihasilkan dalam (joule)

h = konstanta planck : 6,625 10-34 Js

c = kecepatan perambatan cahaya dalam suatu ruang hampa

= panjang gelombang (um)

17


2.5 Pengaruh Dispersi

Kecepatan propagasi cahaya untuk semua warna tidak konstan , sehingga

pengaruh tersebut tidak diketahui dalam kehidupan sehari-hari adalah terjadinya

pelangi atau pengaruh dispersi dari prisma.

Pendapat umum mengatakan bahwa gelombang elektromagnetik berpropagasi

di dalam kisi-kisi gelas dengan cara berinteraksi dengan orbit electron sebelah luar.

Hal ini memberikan jawaban mengapa cahaya memerlukan waktu lama untuk

berpropagasi didalam gelas dari pada ruang hampa.

18


BAB III

SERAT OPTIK

3.1 Komposisi kabel serat

Optik terdiri dari tiga elemen dasar yaitu :

1. Elemen pertama dari serat optik adalah merupakan konduktor yang

sebenarnya disebut inti (core) dengan gelombang cahaya yang dikirim akan

merambat dan mempunyai indeks bias yang lebih besar dari indeks bias lainnya,

bahannya kristal kelas tinggi yang bebas air terbuat dari kaca, gelas, silikon yang

berdiameter 2 – 200 um tergantung dari jenis serat optiknya. Ketebalannya dari

inti merupakan hal yang penting, karena menentukan karakteristik dari kabel.

2. Gladding dilapiskan pada core (inti),

Gladding ini juga terbuat dari gelas yang berdiameter antara 2-250 um, tetapi

indeks biasnya berbeda dengan indeks bias dari core, yaitu lebih kecil. Hubungan

antar kedua indeks bias, refraksi tersebut dibuat kritis. Hal itu memungkinkan

sumber cahaya terjadi pemantulan total, dari berkas cahaya yang merambat

berada di bawah sudut kritis sewaktu dilewatkan informasi sepanjang serat optik.

Gambar 3.1 struktur serat optik

19


3. coating (pembungkus atau jaket)

Sekeliling core dan gladding dibalut dengan plastik coating yang berfungsi untuk

melindungi serat optik dari tekanan luar. Dalam kenyataannya ada tiga jenis

coating yang digunakan yaitu: primer, sekunder dan coating pelindung. Serat

optik biasanya terletak bebas di dalam coating sekunder yang berbentuk tabung

Gambar 3.2 coating serat optik

20


3.2 Prinsip dari konduktivitas cahaya dalam kabel optik

Sumber cahaya ditempatkan sebelum serat optik, yang akan megirim berkas

cahaya kesegala arah seperti ditunjukan gambar 3.3.

Gambar 3.3 Konduktivitas Cahaya

Berkas cahaya 1 dalam kondisi propagasi ideal, karena berkas cahaya tersebut

merambat sepanjang sumbu kabel, sehingga memungkinkan berkas tersebut

berpropagasi sepanjang sumbu kabel tanpa mengalami pemantulan dan pembiasan.

Berkas cahaya ke 2 dipantulkan secara total, karena sudut datang pada

permukaan interface lebih kecil dari pada sudut kritis. Berkas seperti berkas cahaya 2

akan berpropagasi melalui fiber dengan memantul pada bagian atas dan bawah

permukaan dari interfece (antara core dengan gladding).

Sudut datang dari berkas cahaya 3 lebih besar dari sudut kritis, dan tidak

dipantulkan (direfleksikan). Berkas ini akan dibiaskan dan akan menembus melalui

permukaan yang dibentuk antara core dengan cladding. Berkas ke 3 akan diabsorbsi

oleh coating dan tidak akan memberikan kontribusi energi dalam kabel.

21


Untuk membawa sebanyak mungkin energi melalui serat, sangat penting

membundel berkas cahaya pada sumber cahaya. Sebagian besar dari berkas cahaya

yang dikirimkan akan seperti berkas cahaya 1 atau berkas cahaya 2. Oleh karena itu,

sebagian energi akan dikirim kelokasi lain. Cahaya dapat berpropagasi dengan jalan

yang berbeda melalui serat optik (seperti berkas 1, 2, dan 3). Perdedaan jalan

(lintasan) dinamakan moda dari kabel serat optik. Ketebalan dari core menentukan

jumlah jari moda kabel serat optik.

3.3 Numerical Aperture (NA)

Numerical Aperture (NA) didefinisikan sebagai sinus dari sudut permukaan

(opening angle) yaitu sudut yang dibentuk antara axis core dengan garis berkas yang

leluasa, sehingga berkas cahaya didapatkan pantulan total didalam core.

Numerical Aperture (NA) diukur dari besaran daya yang diperoleh dari

kemampuan serat optik untuk menuntun cahaya distribusi medan dekat dan medan

jauh pada permukaan ujung keluaran serat optik (graded indeks) dieksitasi pada ujung

masukan dengan sumber menyebar. Untuk sumber jenis ini, daya datang persatuan

sudut ruang pada suatu titik di inti penampang irisan adalah konstan (semua moda

tereksitasi secara serba sama)

Gambar 3.4 Numerical Aperture (NA)

22


( di dalam ruang hampa)

Dimana d1 = diameter inti serat

d2 = diameter pancaran cahaya

b = jarak antara serat optik dengan layar

(di dalam medium yang mempunyai indeks bias n)

Sehingga di dalam udara

Numerical Aperture (NA) =

Dimana n1 = indeks bias core

n2 =indeks bias gladding

Daya yang diterima ternormalisasi pada sisi r relatif terhadap daya yang

diterima pada r = 0 dapat ditulis

3.4 Moda perambatan cahaya

Moda adalah sekumpulan/banyaknya lintasan cahaya yang merambat

sepanjang inti serat optik. Banyak moda yang terjadi pada serat optik sangat

dipengaruhi oleh beberapa faktor, antara lain:

- diameter inti

- besarnya sudut datang dan

- jenis serat dan material.

23


Moda terjadi pada perambatan gelombang cahaya yang melintasi inti, dan

besarnya daya, tegangan, frekuensi yang disuplay tegangan yang disuplay

dirumuskan :

Untuk serat pemandu lemah maka yang ditinjau adalah << 1 dan n1 n2

sehingga dapat sederhanakan menjadi

dengan:

adalah beda indeks bias antara nilai maksimum indeks bias di pusat inti

serat optic terhadap indeks bias gladding

Moda pada Serat multi moda total didalam pandu gelombang graded-indeks

dengan profil parabolik ( = 2) adalah setengah dari jumlah moda yang terdapat

didalam pemandu gelombang step indeks ( = ), yaitu

24


Dimana :

k = konstanta propagasi

= profilindeks bias parabola inti serat

= panjang gelombang dalam ruang hampa

3.5 Jenis –jenis serat optik

Sampai saat ini ada tiga jenis serat optik yang digunakan, yaitu:

- Step indeks multimoda

- Graded indeks multimoda

- Step indeks monomoda

3.5.1 Step indeks multimoda

Serat optik step indeks multimoda dibuat dari core (inti) yang relatif besar,

dengan diselimuti gladding. Core mempunyai diameter 2 – 10 μm, dimana gladding

sangat tipis sekitar 50 – 200 μm, dan coating 200 – 1200 μm , NA = 0,8 – 0,15. juga

core dan gladding mempunyai indeks bias yang berbeda. Kabel tersebut mudah

dibuat kerena kabel serat optik tipe ini pertama sekali dipasarkan. Keuntungan lain

dari kabel serat optik multimoda step indeks adalah core-nya tebal, yang

memungkinkan mudah dalam menyambung antara ujung dua kabel.

Kerugian utama pada jenis kabel adalah terjadinya tiga tipe dispersi, serat

multimoda step indeks digunakan untuk jarak yang pendek dengan bit rate yang

relatif rendah. Kabel ini cocok untuk transmisi medium, redaman serat optik

multimoda step indeks adalah 5 sampai 30 dB/km, dan bandwidh antara 10 sampai

dengan 100 Mhz.

3.5.2 Graded indeks multimoda

Tipe kedua dari serat optik adalah serat optik graded indeks multimoda.

Kabel ini mempunyai indeks bias berkurang sedikit demi sedikit secara step by step

mulai pusat core sampai batas antara core dengan gladding core. Terbuat terdiri dari

25


lapisan gelas. Masing-masing lapisan mempunyai indeks bias yang berbeda.

Umumnya diameter core 50 um, untuk gladding 125 um, berkas cahaya yang

merambat melalui kabel ini dibelokkan sampai propagasinya sejajar dengan sumbu

fiber, ditempat titik pantul tersebut propagasi diarahkan kearah axis fiber.

Gambar 3.5. Jenis serat optik dan indeks profil

Propagsi gelombang cahaya melalui lapisan bagian luar berjalar lebih jauh

dari pada berkas yang arahnya melalui lapisan bagian dalam. Namun indeks bias dari

lapisan bagian luar adalah lebih kecil, berarti bahwa kecepatan propagasi cahaya

bagian luar lebih cepat dari bagian dalam. Semua berkas cahaya (moda)

26


menggambarkan pulsa laser yang datang pada waktu bersamaan. Dengan cara ini

dispersi multipath dapat diusahakan seminim mungkin.

Fiber multimoda graded indeks mempunyai redaman mulai dari 3 sampai 10

dB/km dan bandwidth 2 Ghz, NA dari 0,2 – 0,3. Meskipun banyak keuntungan,

fiber multimoda grade indeks sukar pembuatannya, sehingga harganya cukup mahal

dari fiber multimoda step indeks.

3.6 Step indeks monomoda

Kebutuhan akan bandwidth yang lebih lebar sehingga para peneliti selalu

mengembangkan jenis serat ini. Dapat dilihat bahwa semakin rendah jumlah moda,

semakin tinggi bandwidth-nya. Idealnya cahaya berpropagasi melalui hanya satu

moda saja, yang paralel dengan sumbu/axis fiber. Panjang gelombang dari infra

merah yang terletak antara 800 sampai dengan 1600 nm yang berarti diameter core

0,8 sampai dengan 1,6 nm. Biasanya 10 kali diameter intinya.

Gambar 3.6 beberapa serat optik dalam satu kabel

27


Core mempunyai diameter diantara 2 sampai dengan 10 um, dan gladding

telah distandarisasi pada 125 um. Redaman dari step indeks fiber monomoda adalah 2

sampai 5 dB/km dengan bendwidth 50 GHz.

Gambar 3.7. koneksi sumber optik dengan kabel serat optik

28


Gambar 3.8 struktur kabel serat optik

29


BAB IV

JENIS REDAMAN PADA SERAT OPTIK

Pada sistem komunikasi serat optik proses pertukaran informasi dari pemancar

ke penerima sering terjadi penurunan daya pada ujung keluaran kabel optik karena

adanya redaman sepanjang saluran transmisi.redaman didefinisikan membandingkan

dua level daya imput (p1) terhadap daya output (po) pada penerima

dengan, =konstanta redaman serat optic dalam dB/km

L = panjang kabel serat optic (km)

Sifat-sifat serat optik sangat menentukan jarak maksimum anatara titik transmisi

dengan titik dimana signal harus dideteksi. Kerena sitem desaign beroperasi pada

berbagai jarak (jarak yang berbeda), signal output optik dari sistem telah disesuaikan

guna melengkapi sifat-sifat fiber. Sistem tersebut mampu beroperasi pada fiber

multimoda (MM) seperti pada serat optik single moda.

Faktor-faktor yang membatasi penggunaan serat optik ditentukan sebagai berikut:

- Redaman dari karakteristik phisik dari serat optik yaitu :

1. Scattering

2. Absorption

- Dispersi :

1. Dispersi moda

2. Dispersi chromatik

- Redaman karena sejumlah sambungan

- Redaman karena sejumlah konektor optik

30


4.1 Redaman Dari Karakteristik Phisik Serat Optik

Tahanan dari konduktor tembaga menyebabkan kehilangan sebagian dari

energi listrik yang mengalir melalui kabel. Core dari kabel serat optik menyerap

sebagian dari energi cahaya, hal ini dinyatakan dalam redaman kabel. Satuan yang

digunakan untuk redaman serat optik adalah dB/km. Pada gambar 4.1

memperlihatkan redaman dari serat optik sebagai fungsi dari panjang gelombang.

Redaman tergantung dari beberapa keadaan, tetapi yang utama adalah bahwa

redaman tergantung dari panjang gelombang dari cahaya yang digunakan. Untuk

panjang gelombang di anatara 700 sampai dengan 1650 nm, besarnya redaman

bertambah lagi.

4.1.1 Scattering

1. Rayleigh Scattering

Apabila pengukuran rugi transmisi spektral serat optik tidak memberikan

informasi yang cukup pada perancang serat optik, maka rugi hamburan dan rugi

serapan serat optik dapat dilakukan secara bebas satu sama lain. Untuk mengukur

rugi hamburan, cahaya terhambur dari serat optik pendek dikumpulkan dan

dibandingkan dengan pelintasan cahaya dalan inti serat optik.

Redaman untuk panjang gelombang pendek (dibawah 1000 nm) disebabkan

rayleigh scattering, yang diakibatkan oleh struktur gelas yang tidak teratur. Struktur

ini memindahkan sebagian dari berkas cahaya yang seharusnya merambat langsung

melalui serat optik. Tipe redaman ini adalah merupakan gambaran phisik kabel dan

menggambarkan batas minimum dari redaman kabel. Rugi hamburan dapat dihitung

seperti pada rumus :

dB/km

31


Gambar 4.1. susunan pada pengukuran rugi hamburan

2. Microbending

Microbending terjadi akibat tekanan mekanik atau sewaktu proses penarikan.

Hal ini menyebabkan terjadinya loss dimana moda cahaya dengan sudut datang yang

kecil berubah menjadi sudut yang besar seperti ditunjukan pada gambar 15. bila moda

cahaya tersebut melebihi sudut yang diijinkan, maka moda cahaya akan dibiaskan

yang mengakibatkan loss. Lekukan yang tajam harus dihindari, harus dilihat pada

spesifikasi kabel serat optik yang bersangkutan. Semakin tajam (semakin kecil jari-

jari lengkungan, maka semakin besar rugi-rugi yang timbul.

Manfaat rugi kelengkungan (rugi daya) untuk banyak hal melalui dua cara

yaitu dengan memanfaatkan peningkatan loss yang terjadi dalam serat optik dengan

memanfaatkan cahaya yang lolos dari serat optik.

32


Gambar 4.2. Microbending

3. Core size Variation

Loss jenis ini disebabkan oleh ketidak seragaman diameter inti serat optik,

sehingga beberapa moda tidak dipantulkan oleh batas antara core dan cladding

Gambar 4.3. core size variation

4.1.2 Absorption (penyerapan)

Zat kotoran apapun yang masih tersisa pada bahan inti akan menyerap

sebagian dari energi cahaya yang merambat di dalam serat optik. Kontaminasi yang

menimbulkan efek yang paling serius adalah ion-ion hidrosil dan zat logam.

Rugi serapan pada serat optik dapat ditentukan sebagai perbedaan rugi total

dan rugi hamburan atau dapat diukur langsung dengan menggunakan kalorimeter.

33


Salah satu teknik kalorimeter digunakan untuk memisahkan rugi komponen

hamburan dan serapan pada serat optik.

Gambar 4.4. sistem pengukuran temperatur untuk pengukuran kalorimeter

Redaman untuk panjang gelombang yang tinggi (di atas 1600 nm) disebabkan

oleh adanya penyerapan dari gelas. Lebih jauh lagi ada 3 daerah panjang gelombang

yang dapat dengan pertambahan redaman yang besar. Daerah-daerah tersebut

dinamakan OH-Peak yang disebabkan oleh interaksi antara berkas cahaya dengan

atom-atom air yang masih ada di dalam gelas. Panjang gelombang tersebut

34


menyebabkan osilasi yang membutuhkan energi, sehingga redaman semakin

bertambah. Dapat dirumuskan rugi serapan :

Dimana : = emisi vitas permukaan

R =jari tabung yang digunakan

V = tegangan pada jembatan wheatstone

P = daya optic yang melalui serat optic

C = tetapan calorimeter

= pemanasan dengan kawat , bila diketahui

4.2 DISPERSI

Dalam saluran transmisi optik harus memiliki lebar pita 50 Ghz/km. Karena

lebar pita pengaruh dispersi adalah pulsa-pulsa yang ditransmisikan pada ujung fiber

menjadi melebar (panjang pulsa menjadi lebih besar) bila pulsa-pulsa tersebut

diterima pada ujung yang lain. Sehingga jumlah pulsa-pulsa per unit waktu (bit rate)

yang dapat dideteksi pada jarak tertentu.

4.2.1 Dispersi Moda

Dispersi moda merupakan dispersi yang paling berpengaruh di dalam fiber

multimoda. Dispersi moda tersebut terjadi sebagai akibat oleh adanya berbagai

moda perjalanan cahaya pada serat optik melalui alur-alur yang berbeda pula.

Bayangan mengumpulkan dua sinar cahaya yang berbeda dalam serat. Karena sinar

merambat dalam bahan serat dengan indeks bias yang sama, maka kecepatan

perambatan antar kedua sinar akan sama. Pada gambar 4.5, sinar A akan menempuh

jarak yang lebih panjang dari sinar B sehingga terjadi dispersi. Pengaruh dispersi

pada data akan menyebabkan pulsa cahaya menjadi lebih lebar, sehingga pada

akhirnya mengakibatkan pulsa saling tumpang tindih satu sama lainnya (rusak).

35


Cara mengatasinya dilakukan dengan dua cara yaitu merancang serat optik

sedemikian rupa sehingga moda-moda dapat merambat didalamnya dengan kecepatan

yang sama. Kedua, menyisahkan hanya satu moda tunggal saja dalam serat dan

menghilangkan semua moda yang lain.

Faktor redaman =

dengan: 1 neper = 8,686 dB

dB = 0,115 Neper

L = panjang serat dalam km

Untuk menghitung jumlah moda dalam serat optik dapat ditentukan dengan

rumus :

Gambar 4.5. Pengaruh dispersi moda di dalam fiber multi moda

Contoh Soal

Nyatakan daya 5 watt sebagai nilai daya dalam desibel

36


Nilai daya dalam desibel = 10 log

Nilai daya dalam desibel = 10 log

Nilai daya dalam desibel = 10 log (5 103)

= 10 x 3.699 dBm

= 36,99 dBm

5 watt = 36,99 dBm

Contoh:

indeks bias inti : 1.484 dan

indeks bias gladding : 1.470

dengan garis tengah inti : 50 um.

Tentukan jumlah moda? Dengan panjang gelombang cahaya 850nm

NA = 0.203

Jumlah moda

= 703.66

Kita harus membulatkan nilai ini kebawah dan mendapatkan 703 moda

4.2.2 Dispersi intramoda (kromatik):

Cahaya dengan panjang gelombang yang berbeda akan mengalami derajat

pembiasan yang berbeda-beda. Disini ditegaskan bahwa indeks bias, kecepatan

cahaya bergantung dari panjang gelombang cahaya bersangkutan.

Dispersi kromatik dihasilkan oleh adanya tundaan grup gelombang optik yang

merambat di medium kaca yang bergantung pada panjang gelombang yaitu :

37


Dimana Ng = indeks bias grup medium

Karena hanya satu moda yang ada pada fiber single-moda, pulsa-pulsa di

dalam fiber jenis ini tidak dipengaruhi oleh dispersi moda. Bagaimanapun juga, ada

efek dispersi lain dari sistem single moda yang dapat diukur setelah jarak jauh. Efek

dispersi tersebut dinamakan dispersi chromatic. Dispersi chromatic juga

memberikan kontebusi pada total dispersi pada fiber multi moda, tetapi efeknya kecil

dibanding dengan dispersi moda. Dispersi chromatic adalah kombinasi dari dispersi

material dan dispersi waveguide. Kedua dispersi tersebut terjadi di dalam daya optik

dari satu panjang gelombang yang merambat dengan kecepatan yang berbeda dari

panjang gelombang lain.

Sebagian besar sumber cahaya untuk serat optik memancarkan daya optiknya

di dalam spektrum () dan tidak di dalam satu panjang gelombang single. Berarti

bahwa bila mengubah intensitas cahaya yang dipancarkan dari satu ujung fiber,

perubahan-perubahan tersebut akan dideteksi pada ujung yang lain yang hasilnya ada

sedikit perbedaan kecepatan propagasi pada bagian-bagian daya optik yang

mempunyai panjang gelombang berbeda. Gambar 4.6 memberikan variasi propagasi

akibat dari efek dispersi. Warna-warna tersebut diambil hanya sebagai contoh saja.

Cahaya yang dikeluarkan LED atau LASER terletak di dalam spektrum infra merah

dan perbedaan warna yang dipancarkan relative kecil.

Dispersi chromatic adalah hasil kombinasi dari efek dispersi material dan

dispersi waveguide. Dispersi chromatic dihasilkan oleh adanya tundaan group. Jika

pengaruh kedua dispersi tersebut terjadi secara independent, maka keduanya boleh

dijumlah. Seperti yang terlihat pada gambar 4.7, hasil penjumlahannya adalah nol

untuk daerah sekitar 1300 nm. Sehingga dengan penggunaan sumber cahaya sekitar

1300 nm, distorsi pulsa selama transportasinya akan minimum, bahkan jika perlu,

dapat digunakan LED dengan spektrum yang luas untuk pengganti LASER yang

38


mahal. Hanya informasi digital dipancarkan pada pulsa yang sangat pendek

(kecepatan tinggi) saja yang mengalami akibat dispersi chromatic.

Gambar 4.6. Pengaruh dari berbagai proses dispersi

Gambar 4.7. Karakteristik tipe dispersi chomatic

Untuk cahaya dengan panjang gelombang sekitar 1550 nm dalam transport

informasinya akan mengalami akibat dispersi. Hal tersebut akan membatasi jarak

39


maksimal pada satu ruas yang dapat dicapai oleh LASER dengan panjang gelombang

1550 nm.

4.2.3 Pengukuran rugi tanpa merusak

Pengukuran pelemahan dua titik merupakan metode pengukuran rugi serat

optik yang sangat teliti dan pada kondisi peluncuran yang tepat. Namun metode

tersebut memiliki kelemahan yaitu adanya kerusakan bagian serat. Dengan pendek

diujung masukan dihilangkan dari serat yang diuji untuk mendapatkan pengukuran

daya masukan. Pada keadaan tersebut bila serat terbungkus pada ujung konektor,

maka teknik pengukuran rugi dengan tanpa merusak memberikan dua harapan baru

(rugi sisipan dan reflektometer domain waktu optik =OTDR.)

Pada pengukuran rugi sisipan pertama yang harus ditentukan adalah besarnya

tingkat daya masukan dengan menyisipkan serat acuan pendek diantara sumber

cahaya dan detektor. Tingkat daya keluaran diukur dengan menghilangkan serat

acuan dan menghubungkan serat yang diuji diantara sumber cahaya dengan detektor

optik. Rugi sisipan yaitu :

Reflektometer optik domain waktu (OTDR) sangat berguna untuk metode

pengukuran rugi dengan orientasi medan untuk menentukan keberadaan dan lokasi

patahan serat optik serta untuk mengukur rugi sambungan dan rugi transmisi pada

sistem pemasangan serat optik. OTDR merupakan sistem echo pulsa optik yang

penting.

40


(a)

(b)

Gambar 4.8 Diagram pengukuran rugi sisipan

(a) pengukuran keluaran,(b) pengukuran acuan masukan

Gambar 4.9 diagram reflektometer optik domain waktu

41


4.3 Sambungan Kabel dan Konektor Kabel

4.3.1 Loss karena Sambungan Kabel

Suatu sambungan ideal antar dua serat optic harus mampu melakukan

penyaluran cahaya optic dari medium pandu secara lengkap, sehingga tidak terjadi

penurunan kualitas tampilan, sambunagn pada umumnya selalu mengalami ketidak

sempurnaan yang diakibatkan adanya pengurangan terhadap daya yang ditranmisikan

melalui sambungan.

Jika Po dan P1 secara berturut-turut adalah daya inti yang terpandu sebelum

dan sesudah melintasi sambungan.

Efesiensi kopling ( ) sambungan dinyatakan :

dan fraksi daya ( ) yang hilang adalah

Keterkaitan antara rugi kopling (rugi transmisi) L ditunjukan dalam decibel:

L = - 10 log

Penyebab rugi kopling, ada beberapa factor yang menyebabkan penurunan

efisiensi kopling antara dua serat optic yaitu :

- pantulan pada bidang batas antara udara dan kaca

- pengaturan ketepatan sumbu

- kualitas permukaan ujung dan ketidak ccocokan diantara

parameter kedua serat yang koplingkan.

Rugi akibat pantulan disebut rugi fresnel yang disebabkan oleh perubahan

mendadak indeks bias pada ujung kedu serat yang disambungkan. Jika n1 dan no

(indeks bias inti dan medium pada celah sambungan, rasio antara daya yang

42


dipantulkan terhadap daya yang dating pada kedua ujung serat disambungkan, untuk

cahaya yang datang tegak lurus yaitu :

dan efisiensi transmisi daya adalah:

Contoh untuk no (udara), indeks bias n1 berkisar antara 1,45 sampai 1,50, maka

rugi pantulan pada sambungan berada dalam rentang 0,3 – 0,35 dB bila ruang celah

diisi dengan cairan penyesuai indeks bias mendekati indeks bias inti, maka rugi

fresnel dapat ditiadakan.

Kabel biasanya dibuat dengan panjang 1 s/d 5 km. Oleh karena itu,

diperlukan beberapa kabel yang harus disambungkan untuk menghubungkan antara

terminal atau repeater. Tergantung dari teknik penyambungan yang digunakan,

setiap sambungan akan memberikan redaman yang bervariasi antara 0,1 sampai

dengan 0,5 dB. Redaman tersebut harus diperhitungkan, baik penyambungan yang

dilakukan pada saat instalasi maupun penyambungan pada saat pemeliharaan kabel.

1. Core to Cladding Eccentricity

Loss ini terjadi karena axis dari core tidak sama dari cladding

Gambar 4.10. Core to cladding eccentricity

43


2. Cladding Diameter Variations

Perbedaan dari diameter luar cladding akan menyebabkan loss. Jika diameter

cladding dari kedua fiber yang akan disambungkan tidak sama, maka penyambungan

core yang tepat tidak akan diperoleh.

Gambar 4.11. Variasi diameter cladding

3. Core Ellipticity

Loss ini terjadi karena core yang tidak bulat (ellips). Core yang ellips

menyebabkan loss sambungan yang tinggi. Loss ini mirip dengan loss karena core to

cladding eccentricity

Gambar 4.12. Core ellipticity

4. Core diameter variations

Perbedaan diameter core dari serat yang disambung akan menyebabkan loss.

Jika diameter core serat transmisi lebih besar dari diameter core serat receiving, maka

44


akan menyebabkan loss yang tinggi, sedangkan jika diameter core serat transmisi

lebih kecil dari diameter core serat receiving akan mengakibatkan loss yang rendah.

Gambar 4.13. Core diameter variasions

4.3.2 Konektor Optik

Konektor Optik digunakan oleh sistem sehingga memungkinkan unit-unit

optik yang terdapat di dalam sistem tersebut dapat dipindah atau diganti untuk

keperluan pemeliharaan. Disamping itu, fiber juga dapat dengan mudah dipindahkan

dalam hal pengukuran power optik. Konektor-konektor optik adalah perangkat

mekanik yang akan menghubungkan fiber secara meyakinkan, bila fiber yang satu

dimasukkan ke dalam yang lain (disekerup bersama-sama), core dari kedua fiber akan

tersambung menjadi satu sedemikian rupa sehingga kemungkinan kehilangan daya

amat kecil.

Sebagai contoh, konektor yang biasanya digunakan di dalam perangkat

saluran AT & T meredam signal optik sampai 0,3 dB (maksimal 0,5 dB).

Tipe-tipe dari konektor yang tersedia, yaitu:

- FC/PC (kontak fisik)

- Biconic

- ST (bayonet catch)

45


- OCCA (AT & T-NS-NL)

- Array

Pengaruh dari peralatan penyambung (sambungan konektor) adalah:

- Redaman

- Pantulan (single, multiple)

Moda Noise

Gambar 4.14

46


BAB V

SUMBER-SUMBER OPTIK DAN DETEKTOR

5.1 Electrical to Optical Converter

Di dalam sistem transmisi, informasi suara, gambar, atau data yang akan

ditransmisikan diubah terlebih dahulu menjadi sinyal elektrik. Sinyal informasi

elektrik yang akan ditransmisi melalui sistem Transmisi Serat Optik harus diubah

terlebih dahulu menjadi sinyal optik. Untuk mengubah sinyal listrik menjadi sinyal

optik diperlukan suatu sumber cahaya. Dapat dipilih berbagai tipe sumber cahaya

LED atau LASER dalam berbagai versi dan untuk berbagai windows. Dasar

pertimbangan yang diambil untuk pemilihan sumber cahaya tersebut ditentukan

berdasarkan unjuk kerja kemampuan yang diinginkan serta besar biaya yang tersedia.

5.2 Light Emitting Diode (LED)

Dioda semikonduktor yang digunakan untuk meradiasikan cahaya dengan

emisi yang spontan disebut Light Emitting Diode (LED). Secara garis besar, tipe

LED yang tersedia dibedakan menjadi dua tipe, yaitu:

- Surface Emitting LED

- Edge Emitting LED

Gambar 5.1. Kerja LED

Cara Kerja LED

Semikonduktor tipe n memiliki sejumlah elektron bebas, sedangkan tipe p

memiliki sejumlah lubang bebas. Jika semikonduktor tipe p dan n disambungkan,

maka akan terbentuk suatu penghalang tenaga. Baik elektron dan hole tidak memiliki

47


cukup tenaga untuk melewati penghalang tersebut untuk berkombinasi. Apabila

diberi suatu tegangan maju, maka besarnya tenaga penghalang akan turun sehingga

elektron mempunyai tenaga untuk berpindah melewati sambungan. Jika elektron

bebas dalam hole bertemu, maka elektron akan turun kebidang valensi, kemudian

berkombinasi dengan lubang bebas tersebut. Tenaga yang dilepas pada peristiwa itu

akan diubah menjadi tenaga optik dalam bentuk foton.

Gambar 5.2. Contoh LED yang digunakan pada transmisi optik

48


Gambar 5.2 memperlihatkan bahwa radiasi cahaya dari Surface LED adalah

acak (random), sedangkan pada Edge LED meradiasikan cahaya dalam bentuk

berkas. Oleh sebab itu, di dalam aplikasinya untuk mengumpankan daya optik ke

dalam fiber harus mempertimbangkan perbedaan dari kedua tipe LED tersebut. Tabel

1 menunjukkan besar daya yang akan diumpankan ke dalam fiber single-moda dan

multi-moda untuk kedua tipe tersebut.

Tabel 5.1. Rata-rata daya yan diumpan dari LED ke fiber

TYPE OF LEDTYPE OF FIBER

Single-moda Multi-moda

Surface Emitter -34 dBm -16 dBm

Edge Emitter -26 dBm 12 dBm

Lebar spectral untuk LED adalah:

30 – 50 nm untuk panjang gelombang 850 nm

50 – 150 nm untuk panjang gelombang 1300 nm

5.3 LASER

LASER merupakan singkatan dari Light Amplification by Stimulated Emission

of Radiation. Untuk memahami kerja LASER, terlebih dahulu harus memahami dua

aspek, yaitu:

1. Absorbsi dan Emisi Radiasi

Perhatikan gambar 5.3. Quantum cahaya atau suatu paket diskrit dari energi

disebut sebagai “photon”.

49


Gambar 5.3. Energy State Diagram

2. Teori Quantum

a. Atom hanya berada di dalam kondisi energi diskrit tertentu, E1, E2, dan lain-lain.

b. Perpindahan dari suatu kondisi ke kondisi yang lain: absorbsi atau emisi cahaya

(photons)

c. Frekuensi radiasi v:

d. Absorpsi photon (absorbsion of photon): absorbsi yang distimulasi (stimulated

absorbsion)

e. Emisi spontan (spontaneous emission): radiasi tidak koheren (panjang

gelombangnya berbeda)

f. Emisi yang distimulasi (stimulated emission): radiasi koheren (satu panjang

gelombang)

g. proses ini disebabkan adanya foton-foton luar. Sebuah atom atau molekul

menyerap sebuah foton dan berpindah ke level energi yang lebih tinggi dengan

kemungkinan transisi yang proposional dengan intensitas cahaya yang datang.

50


Titik hitam menyatakan posisi atom sebelum dan sesudah transisi. Proses

absorbsi, energi dikeluarkan dari gelombang bila

E1 = energi dalam suatu exsited state

Eo = energi dalam ground state

Dimana E2 > E1

h. Adalah suatu pancaran emisi sebuah foton dari suat atom secara spontan (tanpa

intervensi luar) turun dari level energi yang tinggi ke energi yang lebih rendah

Spontan emisi terjadi secara random dalam suatu waktu, tidak ada hubungan

dengan jumlah atom setiap transisi.

i. Terjadi karena sebuah atom/molekul memancarkan foton dan level energinya

turun ke level yang lebih rendah. Kuantum energi atom yang dihasilkan dari

stimulant emisi sefasa, frekuensi dan polarisasi sama. dengan radiasi

penstimulirnya. Disamping itu, emisi yang distimulasi (stimulated emission)

juga menyebabkan penguatan.

5.4 LASER Semikonduktor

Telah ditemukan bahwa cahaya semikonduktor P – N junction dapat

dibangkitkan melalui “radiative recombination of infected electrons” (rekombinasi

radiatif dari elektron-elektron yang diinjeksikan) dengan hole-hole yang

didistribusikan di dalam material semikonduktor. Proses rekombinasi hanya terjadi

di seputar (direct suroundings) junction. Di dalam LED terdapat emisi spontan,

sedangkan di dalam LASER terdapat stimulated emission (emisi yang distimulasi).

Tipe-tipe LASER ini disebut sebagai LASER semikonduktor atau semiconductor

injection LASERs.

5.4.1 Karakteristik LASER Dioda

51


Karakteristik optik ke elektrik dari laser diode diperlihatkan melalui

gambar 5.4. Gambar tersebut juga memperlihatkan modulasi dari sinyal optik yang

dihasilkan. Output power rata-rata dari LASER dioda juga konstan pada kira-kira

1 mW.

Gambar 5.4. Karakteristik Laser Dioda

Detektor optik dipasang di dalam modul laser, berfungsi untuk mengubah

sinyal optik yang diemisikan dari bagian belakang LASER dioda (power yang

diemisikan ke arah fiber) menjadi sinyal elektrik dengan level yang sesuai dengan

daya optik. Sinyal elektrik ini digunakan untuk mengontrol arus bias dan arus

modulasi dari LASER dioda. Dengan demikian, power optik dijamin konstan untuk

logik level 1 dan 0 sesuai yang dikehendaki.

52


5.4.2 Spesifikasi Laser

a. Panjang gelombang

Jika ingin membeli laser untuk panjang gelombang 1300 nm, perangkat yang

ditawarkan boleh jadi dipetik nilai 1285-1320 nm, panjang gelombang aktualnya akan

berada pada satu titik diantara batas tersebut 1300 nm merupakan nilai nominalnya

b. Waktu naik dan turun

Ukuran berapa cepat laser dapat dihidupkan atau dimatikan, diukur antara

tingkat keluaran sebesar 10-90% dari nilai maksimum.

Gambar 5.5. Waktu naik dan turun

c. Arus ambang

Arus yang paling kecil dimana laser beroperasi. Umumnya nilai sekitar 50

mA dan arus operasi normalnya adalah sekitar 70 mA

Gambar 5.6 Karakteristik LASER

53


d. Lebar spectrum

Bandwidth cahaya yang diemisikan lebarnya sekitar 1 nm – 5 nm dengan

panjang gelombang 1310 nm dengan lebar spectrum 4 nm

6

Gambar 5.7. Lebar spektrum LED dan LASER

e. Temperature operasi

Umumnya sekitar 10 hingga 65oC

f. Tegangan dan arus

Mencantumkan tegangan dan arus operasi detector pemantau, arus pendingin,

resistansi laser dan temperature serat optik

g. Daya keluaran

Daya keluaran dinyatakan dalam watt atau dBm

Daya output sumber cahaya minimum dapat dirumuskan :

Dimana adalah kehilangan daya dalam media serat optik

adalah level daya yang diterima oleh detektor

54


h. Efesisnsi daya

Efesiensi daya menentukan kebutuhan daya dan persaratannya disipasi panas

yang boleh terjadi, semakin kecil efesiensi, maka makin besar daya input yang

diperlukan untuk menghasilkan daya output optikal, akibatnya disipasi panas yang

timbul semakin besar.

Dimana : = daya output optikal

= daya input yang diperlukan

5.5 LED (LIGHT EMITTING DIODA)

LED dapat memberikan keluaran cahaya dalam spektrum cahaya tampak

seperti halnya dalam panjang gelombang 850 nm, 1300 nm, dan 1550 nm.

Gambar 5.8. LED dibungkus

Dibandingkan dengan LASER, LED memiliki keluaran daya yang lebih kecil,

kecepatan switching yang lebih lambat, dan lebar spektrum yang lebih besar, karena

mengalami dispersi yang lebih besar, kekurangan itu membuatnya lebih sedikit

digunakan pada link data dan telekomunikasi berkecepatan tinggi, namun LED

55


dipergunakan secara luas untuk sistem-sistem rentang pendek dan menengah yang

menggunakan serat kaca dan plastik karena lebih sederhana, murah, dan tidak

bergantung pada temperatur dan tidak dipengaruhi oleh energi cahaya datang dari

reflaksi fresnel.Walaupun dayanya rendah membuat LED lebih aman digunakan,

namun LED dapat membahayakan ketika cahaya dikosentrasikan melalui instrumen

pilihan.

5.6 FOTO DETEKTOR

Foto detektor dapat diklasifikasikan sebagi berikut:

- piranti foto konduksi

- piranti foto resistif

- piranti foto voltaic: sel surya

- piranti foto fungsi: foto dioda,foto trasistor

- foto image: opto coupler

Foto diodan dan foto transistor banyak digunakan secara luas sebagai foto

sensitif detektor dengan jenis : - PN normal (PD), Pin, avalanche (APD)

Foto dioda terbuat dari bahan semikonduktor jenis Si , Ge dan InGaAs.

Beberapa jenis foto dioda dengan renge panjang gelombang dan respon time-

nya diperlihatkan pada tabel 5.2.

Tabel 5.2 Tabel klasifikasi foto dioda

Material Type Panjang gelombang (nm) Respon time (ns)Si PD

PINAPD

320 – 1150600 – 1150350 - 1100

2 – 5x102

3 – 100.1 – 4

Ge PDPINAPD

600 – 1900800 – 1750800 – 1750

104

102 - 104

0.5 - 2

InGaAs PINAPD

900 – 1650900 – 1630

- 0.70.1 – 1

56


5.7 Spesifikasi penerima cahaya

a. panjang gelombang

Panjang gelombang sebagai sebuah rentang misalnya 800 – 1750 nm, dengan

menetapkan frekuensi yang memberikan keluaran paling tinggi

b. daya masukan optik

Daya masukan optik adalah rasio daya masukan maksimum dengan daya

masukan yang paling rendah yang dinyatakan dalam desibel atau watt.

c. Respositifitas

Ukuran besarnya arus keluaran yang diperoleh untuk setiap watt cahaya

masukan, misalnya 0.8 AW-1. ini berarti bahwa arus tersebut akan mengalami

kenaikan sebesar 0.8 ampere, untuk setiap watt kenaikan daya cahaya.

d. Waktu respon

Adalah waktu dan turun, waktu ini menentukan kecepatan switching detektor

yang paling tinggi, oleh kerena itu membatasi laju transmisi maksimum.

- Pin

Gambar 5.9 Waktu naik dan turun

57


5.8 Photodetector

Photodetector merupakan elemen yang sangat penting di dalam sistem

transmisi serat optik. Elemen ini mengubah sinyal optik menjadi sinyal elektrik, yang

selanjutnya akan dikuatkan dan diproses lebih lanjut. Hal yang sangat penting yang

harus diperhatikan adalah persyaratan unjuk kerja dan kompatibilitas dari

photodetector. Disamping itu, pemilihan photodetector untuk aplikasi spesifik juga

mempertimbangkan besarnya biaya.

Foto detector dapat diklasifikasikan sebagai berikut:

- foto konduksi

- foto resistif

- foto voltaic : sel surya

- foto fungsi : foto dioda, foto transistor

Foto dioda dan foto transistor banyak digunakan secara luas sebagai foto

sensitive detector dengan jenis :

- jenis PN normal (PD)

- jenis PIN

- jenis avalanche

58


BAB VI

PENGGUNAAN DESIBEL DAN MENDESAIN

DALAM RANGKAIAN SERAT OPTIK

6.1 Penggunaan Desibel

Penerapan konsep desibel untuk membandingkan daya yang dihasilkan oleh

sebuah rangkaian atau bagian rangkaian tertentu dengan daya yang diberikan sebagai

input. Secara sederhana desibel mengukur perbandingan antara daya output terhadap

daya input. Desibel adalah sebuah satuan logaritmik dan mengikuti aturan-aturan.

Rumus matematika untuk desibel adalah :

Penguatan daya (gain) dalam satuan desibel =

Contoh :

Sebuah perangkat penguat daya memberikan daya output yang lebih besar

dari daya yang diterima sebagai input, sehingga perangkat ini menghasilkan penguat

daya

Gambar 6.1 Berapa besar penguatan (gain) dalam satuan desibel

Gain =

=

= 10 log 3 dB

= 4.77 dBm

Jadi penguatannya sebesar 4.77dB

59


Elemen attenuator dalam rangkaian dapat ditafsirkan dengan dua cara, hasil

perhitungan matematis yang didapat di atas 4.77 dB. Dengan demikian , jika

seseorang menanyakan pada kita bagaimana hasil akhir dari contoh diatas, kita dapat

menjawabnya atenuator menimbulkan loss sebesar -4.77 dB atau atenuator

memberikan gain sebesar 4.77 dB.

Dalam jawaban pertama, fakta bahwa yang digunakan adalah loss (rugi daya) dari

gain akan memberitahukan bahwa adanya kehilangan sebaian daya atau rugi daya

Desibel pada sebuah rangkaian praktis :

Contoh

Nyatakan setiap perubahan daya yang terjadi dalam desibel, sebuah amplifier dengan

gain 12 dB dengan loss sebesar 16 dB, pelemahan (atenuasi) sebesar 6 dB dan gain

sebesar 8 dB. Daya total dalam desibel dalam seluruh rangkaian :

(12 + (-16) + (-6) +8 = -2 dB

Hasil yang diperoleh menyatakan terjadinya los sebesar 2 dB pada rangkaian secara

keseluruhan , sehingga rangkaian tersebut dapat disederhanakan seperti gambar 5.4

Gambar 6.2. berapakah daya output dalam satuan watt

Gain =

-2 =

-2/10 =

60


- 0.2 = 10-0.2 = 0.63

0.63 =

Dayaout = 1.26 watt

6.2 Desain Sistem

Dalam mendesain suatu sistem, ada beberapa faktor yang perlu

diperhitungkan, karena tujuan untuk mencari kepuasan dengan meyakinkan bahwa

pemancar yang digunakan cukup bertenaga untuk meneruskan cahaya hingga ke

ujung fiber dan bandwidth-nya pun cukup untuk membuat sistem tersebut membawa

data ke laju yang lebuh tinggi.

1. Alokasi daya optik, loss atau fluks

Jika sinyal terlalu lemah ketika mencapai ujung akhir sistem, maka data akan

sulit dipisahkan dari derau. Ini menyebabkan sejumlah error di bit data penerimaan

bertambah. Jika terjadi satu kali error dalam setiap ribuan juta bit dapat dikatakan

bahwa kita memiliki bit error rate (BER).

2. Pembatasan pada daya penerima

- daya penerima harus cukup besar untuk menjaga BER pada nilai rendah

- daya penerima harus cukup kecil untuk menjaga kerusakan pada alat penerima

3. Pembatasan pada daya transmisi

Dengan alasan biaya dan keamanan, menjaga agar daya transmisi berada

pada nilai minimum yang dapat diterima. Permasalahan, diputuskan pada penerima

dan sistem, berapakah daya transmisi yang dibutuhkan.

Metode pemecahan masalah: metode ini dapat diterapkan dengan baik terhadap fiber

optik multimoda, single moda silica dan plastik:

61


1. carilah loss daya minimum yang diakibatkan oleh :

serat optik, konektor, dan sambungan

2. Carilah kemungkinan loss daya maksimum,

loss akibat usia (beberapa komponen sistem akan mengalami penurunan kinerja

selama waktu pakainya).

Perbaikan-perbaikan, sistem diluar gedung lebih membutuhkan perbaikan

ketimbang intalasi didalam gedung. Cadangan kabelnya dilebihkan.

3. Dengan loss maksimum

Pemilihan sumber cahaya transmisi dengan daya yang cukup untuk

memungkinkan sistem beroperasi dibawah kondisi terburuk

Contoh :

Hitunglah daya pemancar minimum yang dibutuhkan dalam sistem gambar 6.3

- loss daya minimum

- total panjang fiber adalah

20 m + 60m +3.74 m + 20 m = 3.84 km

Gambar 6.3. Sistem transmisi serat optik

- Serat optik telah dilihat spesifikasi dengan loss 3.5 dB/km, jadi total loss fiber

adalah panjang kali loss persatuan panjang adalah

3,84 x 3.5 = 13.44 dB

62


- Konektor : menurut katalog loss untuk jenis yang digunakan tersebut adalah 1

dB per pasangan yang dipadukan, karena ada dua paduan pasangan yang

digunakan sehingga total lossnya adalah

2 x 1 = 2 dB

- sambungan fusinya diasumsikan sebesar 0.2 dB maka

total loss daya minimum :

13.44 + 2 + 0.2 = 15.64 dB

- Mencari loss daya maksimum

Periksalah di katalog yaitu loss serat diabaikan,

konektor : 0.1 dB perpaduan pasangan jadi dua pasang : 0.2 dB,

sambungan : diabaikan.

Loss pada pemancar 1 dB jadi total aging loss 1.2 dB

Bila dalam perbaikan diasumsikan loss sebesar 1.5 dB maka loss daya

maksimum adalah :

- loss maksimum 15.63 dB

- loss aging : 1.2 dB

- Loss perbaikan :1.5 dB

- Cadangan : 3 dB

Total loss : 15.63 + 1.2 + 1.5 + 3

: 21.34 dB

Pemancar harus memasok daya yang cukup untuk mengatasi loss terburuk

dengan tetap memenuhi persaratan tingkat daya minimum pada penerima, daya

minimum pemancar sedkitnya harus (-3,66 dBm) gambar 6.4.

63


Gambar 6.4. Daya keluaran pemancar sedikitnya harus -3,66 dB

Tingkat daya minimum penerima adalah bilangan negatif dalam satuan

desibel, berarti tingkat daya sangat kecil. Daya keluaran pemancar harus lebih besar

dari pada nilai daya minimum adalah :

Daya minimum pemancar = -25 + 21.34 = -3.66 Dbm atau 430.5 uW

6.3 Penggunaan Bandwidth Serat Optik

Untuk membuat sistem yang nyata membutuhkan sumber cahaya dan sebuah

penerima, keduanya memiliki kecepatan pembalikan saklar dan membatasi laju

transmisi.

Bandwidth sistem multimoda:

- bandwidth sesuikan dengan spesifikasi fiber : frekuensi x km

- carilah rise time ( waktu naik) yaitu waktu yang dibutuhkan oleh cahaya

untuk membesar 10% ke 90% dari nilai akhirnya, nilai ini merupakan ukuran

frekuensi tertinggi.

- seberapa besar pemancar dan penerima menerima respon untuk laser 0.3 ns

dan LED 5 ns

- sumber optik fiber dan penerima masing-masing mempunyai kecepatan

pembalikan saklar sendiri-sendiri, sehingga perlu mengkombinasikan waktu

naik yang berbeda :

64


Bandwidth =

Contoh fiber multimoda :

Carilah bandwidth yang dapat digunakan dalam sistem serat optik yang

ditunjukan gambar 6.5.

Gambar 6.5. mencari bandwith dari sistem ini

Bandwidth fiber =

=

= 120 Mhz

Waktu naik fiber

= 2.9 ns

Waktu naik cahaya dan penerima diasumsikan 2 ns dan 4 ns maka:

65


Bandwidth sistem =

Bandwidth sistem =

= 66 Mhz

Bandwidth single-moda, mencari bandwidth sama dengan multimod.

Perbedaan hanya pada dispersi.

Dispersi adalah

(spesifikasi fiber) x (lebar spektrum sumber cahaya) x (panjang fiber)

Bandwidth =

Contoh : hitunglah bandwidth sistem single moda yang ditunjuk pada gambar 6.6.

Gambar 6.6. Informasi yang dibutuhkan untuk mencari bandwidth sistem single-moda

Dispersi = 3,5 x 2 x 8

= 56 ps nm-1km-1

Bandwith fiber =

= 7.86 Ghz

Waktu naik fiber :

66


= 44.53 ps dan seterusnya

Dari data yang diberikan, waktu naik pada serat optik adalah 0.3 ns dan waktu

naik pada penrima adalah 2 ns. Jadi respon untuk sistem tersebut :

Bandwidth sistem :

Bendwidth sistem =

=

= 173.3 Mhz

6.4 Memilih Fiber dan Komponen Yang Tepat

Standar fiber saat ini hanya 50/125; 62.5/125; standara ISO 11801 dan

EN50173 memberikan menstadarisasi kinerja beberapa jenis fiber yaitu :

OM1 dapat berupa 50/125 atau 62.5/125

OM2 dapat berupa 50/125 atau 62.5/125

OM3 hanya untuk 50/125

OS1 standar tingkat telekomunikasi single moda

67


BAB VII

PENGUJIAN SISTEM

7.1 UJI kontinitas cahaya nampak

Kabel serat optik berukuran pendek dapat digunakan untuk berbagai macam

sumber cahaya, tergantung pada tingkat kecerahan. Untuk menguji kabel koneksi

berukuran pendek (patcord atau jumper kabel) kabel ini mudah dilepas umumnya

berukuran 5 – 20 meter untuk menghubungkan serat optik dengan peralatan

instrumentasi, dengan memberikan sumber cahaya maka kita bisa tahu apakah serat

putus atau tidak dapat dilihat langsung pada ujung serat, bisa juga menggunakan

power optik untuk mengukur intensitas cahaya sehingga dapat mengukur daya aktual

pada sistem serat optik. Ada beberapa mamfaat pengunaan power meter yaitu dapat

mengukur tingkat gulungan kaber serat agar tercipta rugi-rugi (bandding loss)

Sumber cahaya

Sebuah sumber cahaya merupakan instrumen yang penting yang mampu memberikan

keluaran cahaya sesuai dengan ukuran (panjang gelombang)

68


69

bab i2

Documents