BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2. 1. Teori Cahaya dan Hukum Snellius

Penggunaan cahaya sebagai pembawa informasi sebenarnya sudah banyak

digunakan sejak zaman dahulu, baru sekitar tahun 1930-an para ilmuwan Jerman

mengawali eksperimen untuk mentransmisikan cahaya melalui bahan yang

bernama serat optik. Percobaan ini juga masih tergolong cukup primitif karena

hasil yang dicapai tidak bisa langsung dimanfaatkan, namun harus melalui

perkembangan dan penyempurnaan lebih lanjut lagi. Perkembangan selanjutnya

adalah ketika para ilmuwan Inggris pada tahun 1958 mengusulkan prototipe serat

optik yang sampai sekarang dipakai yaitu yang terdiri atas gelas inti yang

dibungkus oleh gelas lainnya. Sekitar awal tahun 1960-an perubahan fantastis

terjadi di Asia yaitu ketika para ilmuwan Jepang berhasil membuat jenis serat

optik yang mampu mentransmisikan gambar.

Di lain pihak para ilmuwan selain mencoba untuk memandu cahaya

melewati gelas (serat optik) namun juga mencoba untuk ”menjinakkan” cahaya.

Kerja keras itupun berhasil ketika sekitar 1959 laser ditemukan. Laser beroperasi

pada daerah frekuensi tampak sekitar 1014 Hertz - 15 Hertz atau ratusan ribu kali

frekuensi gelombang mikro.

Laser adalah merupakan sebuah peranti yang mengeluarkan cahaya

melalui satu proses dipanggil pemancaran terangsang. Laser adalah akronim

kepada LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation -

Pembesaran Cahaya oleh Pancaran Sinaran yang Terangsang). Cahaya laser

adalah gelombang elektromagnet nampak yang berada di dalam julat tertentu.

Laser adalah sumber optik yang memancarkan foton dalam pancaran

koheren. Cahaya laser biasanya hampir-monokromatik, contohnya, mengandungi

panjang gelombang tunggal atau warna, dan dipancarkan dalam pancaran halus.

Ini berbeza dengan sumber cahaya biasa, seperti mentol, yang memancarkan

Universitas Sumatera Utara

photon yang dapat dilihat kesemua arah, biasanya mencangkupi jarak gelombang

spektrum elektromagnetik yang luas. Aksi laser dapat difahami melalui

penggunaan teori mekanik kuantum dan termodinamik.

Salah satu jenis laser yaitu Laser diode yang menghasilkan panjang

gelombang dari 405 nm sehingga 1550 nm. Laser diode berkuasa rendah

digunakan dalam penunjuk laser, pencetak laser, dan pemain CD/DVD.

Kebanyakan laser diode lebih berkuasa biasanya digunakan bagi mengepam

secara optik laser lain dengan berkesan. Laser diode skala industri paling

berkuasa, dengan kuasa sehingga 10 kW, digunakan dalam pengilangan bagi

memotong dan mengimpal.

Pada awalnya peralatan penghasil sinar laser masih serba besar dan

merepotkan. Selain tidak efisien, ia baru dapat berfungsi pada suhu sangat rendah.

Laser juga belum terpancar lurus. Pada kondisi cahaya sangat cerah pun,

pancarannya gampang meliuk-liuk mengikuti kepadatan atmosfer. Waktu itu,

sebuah pancaran laser dalam jarak 1 km, bisa tiba di tujuan akhir pada banyak titik

dengan simpangan jarak hingga hitungan meternya sangat tinggi, kurang dari 1

bagian dalam sejuta. Dalam bahasa sehari-hari artinya serat yang sangat bening

dan tidak menghantar listrik ini sedemikian murninya, sehingga konon,

seandainya air laut itu semurni serat optik, dengan pencahayaan cukup mata

normal akan dapat menonton lalu-lalangnya penghuni dasar Samudera Pasifik.

Seperti halnya laser, serat optik pun harus melalui tahap-tahap

pengembangan awal. Sebagaimana medium transmisi cahaya, ia sangat tidak

efisien. Hingga tahun 1968 atau berselang dua tahun setelah serat optik pertama

kali diramalkan akan menjadi pemandu cahaya, tingkat atenuasi (kehilangan)-nya

masih 20 dB/km. Melalui pengembangan dalam teknologi material, serat optik

mengalami pemurnian, dehidran dan lain-lain. Secara perlahan tapi pasti

atenuasinya mencapai tingkat di bawah 1 dB/km.

Hukum Snellius sangat kita pahami bersama dengan mudah karena

memang rumusannya yang sangat mudah dimengerti. Hukum Snellius adalah

rumus matematika yang memberikan hubungan antara sudut datang dan sudut bias

pada cahaya atau gelombang lainnya yang melalui batas antara dua medium

isotropik berbeda, seperti udara dan gelas. Hukum ini menyebabkan bahwa

Universitas Sumatera Utara

“nisbah sinus sudut datang dan sudut bias adalah konstan, yang tergantung pada

medium (indeks bias medium)”.

Perumusan lain yang ekivalen dalam nisbah sudut datang dan sudut bias

sama dengan nisbah kecepatan cahaya pada kedua medium yang sama dengan

kebalikan nisbah indeks bias.

Gambar 2.1 Hukum Snellius

Perumusan matematis hukum Snellius adalah :

=

=

(2.1)

Atau

= (2.2)

Atau

(2.3)

Lambang merujuk pada sudut datang dan sudut bias, pada

kecepatan cahaya sinar datang dan sinar bias. Lambang menunjuk pada indeks

bias medium yang dilalui sinar datang, sedangkan adalah indeks bias medium

yang dilalui sinar bias.

Saat sudut datang > sudut kritis maka akan terjadi pemantulan sempurna.

Hal inilah yang terjadi dalam serat optik, dimana gelombang cahaya menjalar

dengan mengalami pemantulan-pemantulan sempurna dari dinding seratnya

(cladding) yang indeks refraksinya lebih kecil daripada indeks refraksi inti

seratnya (core).

Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.2 Pemantulan Dinding Serat Optik

Dari gambar 2.1 sebenarnya terlihat bahwa tanpa diberi cladding pun (artinya

n2 = 1 ) akan terjadi pemantulan-pemantulan yang sempurna. Tetapi hal ini

dihindarkan karena justru harga n1 dan n2 harus berbeda hanya sedikit agar

pengiriman dapat terlaksana untuk band yang lebar dan jarak yang jauh tanpa

terjadi distorsi.

2. 2. Serat Optik

Serat optik adalah saluran transmisi atau sejenis kabel yang terbuat dari kaca

atau plastik yang sangat halus dan lebih kecil dari sehelai rambut, dan dapat

digunakan untuk mentransmisikan sinyal cahaya dari suatu tempat ke tempat lain.

Sumber cahaya yang digunakan biasanya adalah laser atau LED. Kabel ini

berdiameter lebih kurang 120 mikrometer. Cahaya yang ada di dalam serat optik

tidak keluar karena indeks bias dari kaca lebih besar daripada indeks bias dari

udara, karena laser mempunyai spektrum yang sangat sempit.

Efisiensi dari serat optik ditentukan oleh kemurnian dari bahan penyusun

gelas/kaca. Semakin murni bahan gelas, semakin sedikit cahaya yang diserap oleh

serat optik.

Serat optik dibuat dari silikon dan germanium bereaksi dengan oksigen

membentuk SiO2 dan GeO2. SiO2 dan GeO2 menyatu dan membentuk kaca serat

optik terdiri dari 3 bagian seperti gambar 2.3, yaitu :

Universitas Sumatera Utara

1. Core adalah kaca tipis yang merupakan bagian inti dari serat atau inti fisik

yang mengirim sinyal data optik dari sumber cahaya ke alat penerima yang

berupa untai tunggal kontinyu dari kaca atau plastik. Semakin besar core

maka semakin banyak cahaya yang dapat dilewatkan dalam kabel.

2. Cladding adalah materi yang mengelilingi inti yang berfungsi memantulkan

sinar kembali ke dalam inti(core), atau layer/lapisan serat yang berfungsi

sebagai pembatas energi elektromagnetik yang terlalu besar, gelombang

cahaya dan penyebab pembiasan pada struktur inti. Pembuatan cladding yang

cukup tebal memungkinkan medan serat tidak dipengaruhi oleh perambatan

disekitar bahan sehingga bentuk fisik serat tidak cacat.

3. Buffer Coating adalah plastik pelapis yang melindungi serat dari kerusakan.

lapisan plastik disekitar core dan cladding ini juga berfungsi memperkuat inti

serat, membantu penyerapan dan sebagai pelindung ekstra pada

pembengkokan kabel.

Gambar 2.3 Bagian-bagian Serat Optik

Jenis serat optik berdasarkan indeks bias core pada serat optik multimode

dapat dibedakan menjadi dua macam, yaitu serat optik multimode step index

(indeks bias core homogen), dan serat optik multimode gradded index (indeks bias

core semakin mendekat ke arah cladding semakin kecil. Jadi pada gradded indeks,

pusat core memiliki nilai indeks bias yang paling besar).

Dalam penggunaan serat optik ini, terdapat beberapa keuntungan antara lain :

1. Lebar jalur besar dan kemampuan dalam membawa banyak data, dapat

memuat kapasitas informasi yang sangat besar dengan kecepatan transmisi

Universitas Sumatera Utara

mencapai gigabit-per detik dan menghantarkan informasi jarak jauh tanpa

pengulangan

2. Biaya pemasangan dan pengoperasian yang rendah serta tingkat keamanan

yang lebih tinggi

3. Ukuran kecil dan ringan, sehingga hemat pemakaian ruang

4. Imun, kekebalan terhadap gangguan elektromagnetik dan gangguan

gelombang radio

5. Non-Penghantar, tidak ada tenaga listrik dan percikan api

6. Tidak berkarat

2. 3. Prinsip dan Tipe Sensor Optik

Sensor serat optik adalah jenis sensor optik yang menggunakan serat optik

dalam mekanisme penginderaan atau pendeteksian, baik sebagai komponen aktif

sensor maupun sekedar sebagai pemandu gelombang (optik) saja. Sistem sensor

optik dilengkapi dengan paling tidak tiga komponen utama, yaitu komponen

optoelektronik, link optik dan probe. Komponen optoelektronika meliputi sumber

cahaya, detektor optik dan pengolah sinyal. Link optik berupa gelombang serat

optik yang berfungsi memandu cahaya ke atau dari bagian penginderaan (sensing

region). Sedangkan probe adalah bagian sensing atau transducing, baik pada

bagian dalam maupun luar serat optik, yang bertindak sebagai transduser dan

berinteraksi langsung dengan obyek atau besaran yang diukur. Sensor serat optik

didasarkan pada mekanisme modulasi gelombang optic (cahaya) dari suatu

sumber seperti LED, diode laser, atau yang lainnya. Kuantitas optik yang

dimodulasi dapat berupa intensitas atau amplitudo, panjang gelombang, fase

gelombang dan polarisasi gelombang optik tersebut. Modulasi ini dapat terjadi di

luar maupun di dalam serat optik.

Sampai saat ini ada 3 jenis fiber yang digunakan pada umumnya yaitu :

• Step index, multimode

• Graded index, multimode

• Step index, singlemode

2.3.1 Step Index Multimode

Fiber optic step index (multimode) dibuat dari core yang relatif besar,

dengan diselimuti cladding. Corenya mempunyai diameter antara 50 sampai

Universitas Sumatera Utara

dengan 200 μm, dimana cladding sangat tipis seperti pada gambar 2.3. Core dan

cladding mempunyai index bias yang berbeda. Serat tersebut mudah dibuat, oleh

karena itu serat optik ini pertama kali di pasarkan. Keuntungan lain dari serat step

index multimode adalah corenya yang tebal sehingga mudah dalam

penyambungan ujung dua serat dan dalam segi biaya lebih efektif. Biasanya

ukuran NA yang terdapat di dalam kabel Multi mode pada umumnya adalah

berkisar antara 0,20 hingga 0,29. Kerugian utama dari serat ini adalah terjadinya

tiga tipe dispersi dan adanya rugi-rugi daya yang besar. Oleh karena itu, serat step

index multimode digunakan untuk jarak yang pendek dengan bit rate yang relative

rendah. Kabel ini cocok untuk transmisi medium. Redaman dari serat step index

multimode antara 2 sampai dengan 30 dB/Km, dan bandwith antara 10 sampai

dengan 100 Mhz.[13]. Panjang gelombang core-nya sebesar 850 atau 1300nm.

Gambar 2.4 Karakteristik Serat Optik Multimode Step Index

2.3.2 Graded index Multimode

Kabel ini terdiri dari core yang mempunyai indeks bias berkurang sedikit

demi sedikit secara step by step dari pusat core sampai batas antara core dengan

cladding. Core tersebut terdiri dari lapisan-lapisan gelas, masing-masing lapisan

mempunyai index bias yang berbeda. Umumnya diameter core 50 μm dan untuk

claddingnya 125 μm seperti pada gambar 2.4. Berkas cahaya yang merambat

melalui kabel ini dibelokkan sampai propagasi sejajar dengan sumbu serat. Di

tempat titik pantul tersbut propagasi diarahkan kearah axis serat.

Propagasi gelombang cahaya melalui lapisan bagian luar berjalan lebih

jauh dari pada berkas yang hanya melalui lapisan bagian dalam. Tetapi indeks bias

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

bagian luar lebih cepat dari pada bagian dalam. Oleh karena itu, semua berkas

Universitas Sumatera Utara

cahaya (mode-mode) menggambarkan pulsa-pulsa yang datang pada waktu yang

bersamaan. Dengan cara ini dispersi multipath dapat diusahakan seminim

mungkin.

Fiber Graded Index Multimode mempunyai redaman mulai dari 2 sampai

dengan 10 dB/Km dan bandwith 1Ghz. Meskipun mempunyai banyak

keuntungan, fiber ini sukar dalam pembuatannya dan harganya lebih mahal dari

pada step index multimode.

Gambar 2.5 Karakteristik Serat Optik Multimode Gradded Index

2.3.3 Step Index Single Mode

Segera setelah perkembangan kedua jenis tipe fiber tersebut di atas,

kebutuhan akan bandwith lebih besar lagi. Dapat kita lihat bahwa semakin rendah

jumlah mode, semakin tinggi bandwithnya. Idealnya cahaya berpropagasi melalui

hanya satu mode saja, yang paralel dengan sumber fiber.

Gambar 2.6 Karakteristik Serat Optik Single Mode Step Index

Seperti yang terlihat pada gambar 2.5, core mempunyai diameter antara 8

sampai dengan 12μm, dan cladding telah distandarisasi pada 125 μm. Readaman

step index singlemode adalah 0,2 sampai 0,4 dB/Km, dan dengan bandwith 50

Ghz. Teknologi ini membutuhkan sumber cahaya dengan lebar spektral yang

sangat kecil pula dan ini berarti sebuah sistem yang mahal. Singlemode dapat

Universitas Sumatera Utara

membawa data dengan lebih cepat dan 50 kali lebih jauh dibandingkan dengan

serat optik multimode.

2. 4. Konektor Serat Optik

Konektor fiber digunakan untuk menyambungkan dua ujung fiber optik, yang

digunakan pada titik - titik di mana fiber berakhir pada pemancar dan penerima.

Pada kabel serat optik, sambungan ujung terminal atau disebut juga konektor,

biasanya memiliki tipe standar seperti berikut:

1. FC (Fiber Connector): digunakan untuk kabel single mode dengan akurasi

yang sangat tinggi dalam menghubungkan kabel dengan transmitter

maupun receiver. Konektor ini menggunakan sistem drat ulir dengan

posisi yang dapat diatur, sehingga ketika dipasangkan ke perangkat lain,

akurasinya tidak akan mudah berubah.

2. SC (Subsciber Connector) : digunakan untuk kabel single mode, dengan

sistem dicabut-pasang. Konektor ini tidak terlalu mahal, simpel, dan dapat

diatur secara manual serta akurasinya baik bila dipasangkan ke perangkat

lain.

3. ST (Straight Tip): bentuknya seperti bayonet berkunci hampir mirip

dengan konektor BNC. Sangat umum digunakan baik untuk kabel multi

mode maupun single mode. Sangat mudah digunakan baik dipasang

maupun dicabut.

4. Biconic: Salah satu konektor yang kali pertama muncul dalam komunikasi

fiber optik. Saat ini sangat jarang digunakan.

5. D4 konektor ini hampir mirip dengan FC hanya berbeda ukurannya saja.

Perbedaannya sekitar 2 mm pada bagian ferrule-nya.

6. SMA: konektor ini merupakan pendahulu dari konektor ST yang sama-

sama menggunakan penutup dan pelindung. Namun seiring dengan

berkembangnya ST konektor, maka konektor ini sudah tidak berkembang

lagi penggunaannya.

7. E200

Universitas Sumatera Utara

2. 5. Sensor `

Sensor adalah elemen sistem yang secara efektif berhubungan dengan proses

di mana suatu variabel sedang diukur dan menghasilkan suatu keluaran dalam

bentuk tertentu tergantung pada variabel masukannya, dan dapat digunakan oleh

bagian sistem pengukuran yang lain untuk mengenali nilai variabel tersebut.

Dari beberapa referensi didapatkan pengertian dari sensor seperti dibawah ini :

1. Sensor adalah suatu divais (alat) yang dapat mengukur besaran fisika dan

mengubahnya ke sinyal yang dapat dibaca oleh observer atau sebuah

instrumen.

2. Ada 6 macam sinyal, mekanik, termal, magnetik, elektrik, kimia, dan

radiasi. Dan alat yang mengubah suatu jenis sinyal ke sinyal lain disebut

transducer. Sinyal yang dihasilkan dapat bermanfaat dalam bentuk yang

lain. Sedangkan peralatan yang menawarkan keluaran elektrik disebut

sebagai sensor.

3. Sensor adalah alat (divais) yang mengubah fenomena fisis ke sinyal

elektrik. Dengan demikian sensor merepresentasikan bagian dari interface

antara dunia fisis dengan dunia peralatan elektrik.

Istilah yang biasa digunakan untuk mendefinisikan unjuk kerja (performa)

sensor yaitu histerisis, validitas dan reliabilitas. Histerisis berguna untuk

mengetahui apakah nilai pengukuran dengan arah yang berlawanan memiliki nilai

yang sama dan error yang kecil. Error histerisis digunakan untuk menyatakan

selisih keluaran yang diperoleh dari nilai besaran yang sama, yang sedang diukur

berkenaan dengan apakah nilainya dicapai melalui perubahan kontinu naik atau

turun.

Validitas dalam penelitian kuantitatif yaitu bagaimana sebuah penelitian

benar-benar mengukur apa yang akan diukur dan bagaimana kebenaran dari hasil

penelitian tersebut. Dengan kata lain, validitas menunjukkan ketepatan instrument

penelitian untuk mencapai sasaran penelitian tersebut . Tiga validitas dalam

penelitian kualitatif adalah validitas deskriptif (descriptive validity), validitas

interpretatif (interpretative validity) serta validitas teoritikal (theoretical validity).

Validitas deskriptif mengacu pada akurasi berdasarkan fakta-fakta yang

Universitas Sumatera Utara

sesungguhnya yang dilaporkan peneliti. Validitas interpretatifdidapatkan berdasar

sudut pandang, pemikiran, tujuan dan pengalaman yang dipahami dan dilaporkan

oleh peneliti. Validitas teoritikal didasarkan pada seberapa besar sebuah teori atau

penjelasan teoritikal yang diperoleh melalui penelitian sehingga dapat dipercaya

dan dipertanggungjawabkan.

Reliabilitas (keandalan) adalah persyaratan penting yang harus dimiliki oleh

suatu sistem pengukuran. Hal ini berguna untuk mengetahui apakah sistem

pengukuran dapat menghasilkan nilai yang sama terhadap perubahan waktu,

misalnya akibat meregangya pegas.

2. 6. Photodetektor

Photodetektor atau detektor cahaya adalah sebagai alat penerima komunikasi

optik. Fotodetektor mengubah sinyal optik menjadi sinyal elektrik. Keluaran dari

penerima adalah sinyal elektrik yang memenuhi spesifikasi dari pengguna

kekuatan sinyal, level impedansi, bandwidth, dan parameter lainnya.

Bentuk sistem fotodetektor termasuk dalam alat penerima yang sesuai,

biasanya adalah semikonduktor photodioda yang berasal dari komponen optik

gelombang cahaya ke alat fotodetektor.

Optoelektronika membuat secara luas mengenai penggunaan energi

tranducer. Dalam tranducer, seperti dalam mata kita, cahaya diubah menjadi arus

listrik oleh phodetektor (photosensor). Prinsip kerja photodetektor adalah

mendeteksi sinyal cahaya yang datang dan mengubahnya menjadi isyarat listrik

yang berisi isyarat informasi yang dikirim. Arus listrik tersebut kemudian

diperkuat untuk selanjutnya diolah sehingga dapat ditampilkan atau dikeluarkan

pada rangkaian elektronika.

Detector cahaya, secara khusus photodiode, dapat dipandang sebagai inverse

dari light emitting diode (LED). Disini madukan ke peranti adalah daya optic dan

keluaran dari peranti berupa sinyal listrik. Prinsip operasi dari photodiode ini

merupakan fenomena fisika sebagaimana yang terjadi pada LED. Detektor cahaya

menyerap photon cahaya dan menghasilkan electron, yaitu electron yang dapat

menghasilkan arus listrik.

Universitas Sumatera Utara

Untuk mendapatkan hasil yang optimum penggunaan photodiode sebagai

transducer, secara khusus untukaplikasi system komunikasi optic, maka detector

cahaya harus memiliki fitur fitur sebagai berikut:

1. Sensitivitas, kepekaan terhadap cahaya yang datang. Peranti detector cahaya

harus sangat sensitive. Arus listrik yang dihasilkan harus sebesar mungkin

dalam merespon daya optic masukan. Karena detector cahaya ini selektif

terhadap panjang gelombang (responnya terbatasi oleh rentang panjang

gelombang), maka sensitifitas ini harus bernilai besar pda daerah panjang

gelombang operasi.

2. Responsitivitas, merupakan perbandingan arus keluar dengan cahaya masuk.

Waktu respon terhadap Sinyal optic masukan harus cepat. Detektor cahaya

harus mampu menghasilkan arus listrik meski pulsa optic masukan

berlangsung dalam waktu yang cepat. Hal ini akan memungkinkan untuk

menerima data dengan laju bit tinggi.

3. Untuk system penerimaan data analog, detector cahaya harus memiliki

hubungan masukan-keluaran yang linier. Hal ini diperlukan untuk menghindari

distorsi Sinyal keluaran.

4. Derau dalam (internal noise) yang dibangkitkan oleh peranti harus sekecil

mungkin agar peranti dapat mendeteksi Sinyal optic masukan sekecil mungkin.

5. Effisiensi, merupakan perbandingan jumlah lubang elektron yang terjadi

terhadap foton yang masuk. Bila jumlah lubang elektron yang terjadi

mendekati banyaknya jumlah foton yang masuk maka lebih baik.

6. Respon time atau rise time, merupakan kecepatan yang dibutuhkan untuk

menghasilkan arus terhadap cahaya yang masuk.

7. Bandwidth, berpengaruh terhadap respon time.

Beberapa karakteristik penting lainnya, misalnya keandalan, stabilitas, dan

kekebalan terhadap pengaruh lingkungan.

2. 7. Rugi – rugi Daya pada Serat Optik akibat Pembengkokan Pada Serat

Energi atau daya yang dibawa oleh cahaya akan mengalami pelemahan (rugi-

rugi/loss) akibat terjadinya kebocoran atau karena kurangnya kejernihan bahan

serat optik. Besaran pelemahan energi sinyal informasi dari serat optik yang biasa

Universitas Sumatera Utara

dinyatakan perbandingan antara daya pancaran awal terhadap daya yang diterima

dinyatakan dalam deci-Bell (dB) disebabkan oleh 3 faktor utama yaitu absorpsi,

hamburan (scattering) dan lekukan (bending losses). Dengan susunan bahan yang

tepat maka akan didapatkan attenuasi (pelemahan) yang kecil. Attenuasi adalah

pelemahan energi sehingga amplitudo gelombang yang sampai pada penerima

menjadi lebih kecil dari pada amplitudo yang dikirimkan oleh pemancar.

Bending yaitu pembengkokan serat optik yang menyebabkan cahaya yang

merambat pada serat optik berbelok dari arah transmisi dan hilang. Sebagai

contoh, pada serat optik yang mendapat tekanan cukup keras dapat menyebabkan

ukuran diameter serat optik menjadi berbeda dari diameter semula, sehingga

mempengaruhi sifat transmisi cahaya di dalamnya. Rugi-rugi akibat pelengkungan

serat optik dibedakan menjadi dua macam yaitu:

1) Macro bending/pembengkokan makro

Rugi-rugi macro bending terjadi ketika sinar atau cahaya melalui serat

optik yang dilengkungkan dengan jari-jari lebih lebar dibandingkan dengan

diameter serat optik, sehingga menyebabkan rugi-rugi seperti pada Gambar 2.6.

Gambar 2.7. Pembengkokan Sinar Di Dalam Inti Serat Optik Dengan

Variasi Sudut Datang

Berdasarkan prinsip pemantulan dan pembiasan cahaya, jika sudut datang

lebih kecil dari sudut kritis, maka mode cahaya tidak dipantulkan secara sempurna

melainkan lebih banyak dibiaskan keluar dari inti serat optik. Sedangkan untuk

sinar yang membentuk sudut datang lebih besar dari sudut kritis, sebagian besar

mode cahaya akan dipantulkan kembali masuk ke dalam selubung seperti halnya

prinsip pemantulan total. Kondisi ini mengakibatkan perubahan mode. Jumlah

Universitas Sumatera Utara

radiasi optik dari lengkungan serat tergantung kekuatan medan dan kelengkungan

jari-jari.

2) Micro bending / pembengkokan mikro

Pembengkokan mikro terjadi karena ketidakrataan pada permukaan batas

antara teras dan selongsong secara acak atau random pada serat optik karena

proses pengkabelan ataupun ketika proses penarikan saat instalasi seperti terlihat

pada Gambar 2.7.

Gambar 2.8. Peristiwa Rugi-Rugi Akibat Pembengkokan Mikro

2. 8. Sensor Beban dengan Serat Optik Mikrobending

Sensor yang berbasis intensitas membutuhkan lebih banyak cahaya dan

karena itu biasanya menggunakan serat multimode dengan inti yang lebar. Ada

berbagai mekanisme seperti rugi daya optik akibat mikrobending, redaman, dan

bidang lepas yang dapat menghasilkan perubahan hasil ukur yang diinduksi dalam

intensitas optik yang disebarkan oleh serat optik. Keuntungan dari sensor ini

adalah kesederhanaan implementasi, biaya rendah, kemungkinan menjadi

multiplexing, dan kemampuan untuk tampil sebagai sensor yang didistribusikan

secara nyata. Salah satu sensor berbasis intensitas adalah sensor mikrobend, yang

didasarkan pada prinsip bahwa mekanik tikungan mikro yang periodik dapat

menyebabkan energi dari mode dipandu untuk digabungkan dengan mode radiasi

dan akibatnya menghasilkan redaman cahaya yang ditransmisikan. Seperti yang

terlihat pada Gambar.2.9, sensor terdiri dari dua pelat beralur dan di antara kedua

pelat terdapat serat optik. Pelat atas dapat bergerak sebagai respon terhadap

tekanan. Ketika radius tikungan serat melebihi sudut kritis yang diperlukan untuk

Universitas Sumatera Utara

membatasi cahaya ke area inti, cahaya mulai bocor ke cladding mengakibatkan

modulasi intensitas.

Gambar 2.9. Sensor Intrinsik Serat Optik

Adapun penjelasan yang signifikan yaitu ketika serat terkena tikungan kecil

atau gangguan, suatu bagian tertentu dari propagasi cahaya dalam inti serat

digabungkan dalam mode radiasi dan hilang. Mode penggabungan dapat dicapai

dengan menggunakan pelat bergelombang yang merubah bentuk serat menjadi

serangkaian tikungan. Oleh karena itu, mikrobending menyebabkan intensitas

cahaya menurun. Dengan memantau dan menghubungkan hilangnya intensitas

cahaya, berbagai jenis sensor mikrobend dapat dirancang. Wilayah penginderaan

sensor mikrobend terdiri dari dua pelat bergelombang, disebut lempeng deformer.

Serat optik ditekan dengan memberi gaya ke bawah karena lipatan atau lekukan

lempeng seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.9.

Gambar 2.10. Skematik Sensor Mikrobending

Universitas Sumatera Utara

Sensor mikrobending serat optik adalah jenis sensor serat berdasarkan prinsip

tekukan yang terstruktur yang dapat menyebabkan hilangnya intensitas cahaya,

yang terdiri dari susunan lekukan termodulasi dan serat optik. Kinerja sensor

mikrobending serat optik ditentukan oleh susunan lekukan (bending), maka

metode modulasi lekukan (bending) digunakan untuk menghasilkan periodik

lekukan (bending) pada serat optik.

Desain sensor yang dibuat yaitu plat bergerigi atau bergelombang pada sisi

atas dan bawah, dan diantara plat diberi sensor serat optik yang mengalami

gangguan mikrobending dan mengarahkan pancaran (mentransmisikan) gangguan

tersebut. Cahaya yang keluar dan menembus pembungkus (jacket) menyebabkan

intensitas cahaya output berkurang atau disebut pelemahan (attenuasi). Besarnya

gangguan dapat diperoleh dengan mendeteksi variasi intensitas cahaya, dan

tekanan pada sensor mikrobending serat optik dapat diperoleh.

Dari gambar 2.10 deformer dalam menanggapi perubahan gaya ΔF terhadap

pembengkokan serat menyebabkan amplitudo deformasi serat X untuk berubah

dengan jumlah Ax. Koefisien transmisi T, untuk cahaya yang merambat melalui

serat yang bengkok pada gilirannya diubah oleh jumlah ΔT sehingga:

(2.4)

di mana ΔT / Δx adalah sensitivitas, Seperti daerah, ls adalah ketebalan deformer,

Ys adalah modulus Young, dan kf adalah konstanta pegas efektif dari serat optik.

Konstanta pegas efektif pada gilirannya dapat dinyatakan sebagai berikut:

(2.5)

Dari Persamaan (2.4) dan (2.5), dapat dilihat bahwa jika kekuatan

diterapkan pada sensor microbend (ΔF), intensitas cahaya pada output serat akan

berubah. Selain itu, parameter geometris deformer seperti periodisitas mekanik,

luas penampang deformer, deformasi jarak dan jumlah lipatan akan

mempengaruhi intensitas keluaran cahaya. Karena sensor microbend jatuh ke

Universitas Sumatera Utara

dalam kelompok sensor serat optik intrinsik, sifat serat seperti modulus Young

dan diameter serat akan mempengaruhi intensitas keluaran juga.

Menurut teori gelombang optik, koefisien attenuasi dapat disimpulkan sebagai

berikut :

α =

K D

2 (t) L [

2

, (2.6)

dengan k merupakan konstanta pembanding (rasio), D(t), L & q secara berurutan

yaitu besarnya mikrobending, panjang serat optik dan frekwensi jarak lekukan

atau gerigi. Δβ merupakan perbedaan konstanta propagasi yang berdekatan. D(t)

didominasi dari ukuran, L panjang serat antara pelat gerigi, q periode jarak gerigi.

Ketika q = Δβ, kerugian mikrobending sangat besar dan modulasi mudah

terganggu, siklus sesuai Λo adalah siklus mikrobending yang optimal.

Gambar 2.11. Skematik Sensor dengan Pelat Bergerigi

Periodisitas mekanik dapat diberikan seperti gambar 2.11 :

Λo =

= (1 +

)

1/2

(2.7)

ξ konstanta tergantung pada profil indeks bias, untuk graded index ξ = 2 dan

untuk serat optik step index ξ = , M adalah jumlah mode dan m adalah jumlah

modus. Dalam serat optik multimode, mode orde yang lebih tinggi adalah mode

yang paling mudah digabungkan dari serat di lekukan-lekukan kecil. Kemudian

diasumsikan M = m dan periodisitas kritis adalah Λo = π a / Δ ½ (untuk serat

optik step index) dan Λo = / Δ ½ (untuk serat optik graded index), dimana

Universitas Sumatera Utara

a radius serat, Δ perbedaan normal indeks antara core dan cladding, Δ = (n1 – n2) /

n2.

Dalam studi ini, menggunakan serat optik multimode step index 62,5 μm /

125 μm dan perbedaan normal indeks adalah 0.01. Kemudian periodisitas

mekanik kritis dapat dihitung dan desain jarak gerigi atau lekukan dengan rumus

untuk serat optik step index akan meningkatkan sensitivitas sensor secara efektif.

Dengan menempelkan serat optik pada material yang berdaya tahan tinggi

dan elastis serta mengatur tingkat bending degan benar, maka respon sensitive

terhadap tekanan luar dapat ditingkatkan dan dapat melindungi serat optik secara

efektif sehingga daya tahan sensor lebih lama.

2. 9. Pengolahan Data-Data dengan Statistik

Dalam berbagai penelitian tentunya menghasilkan data-data yang akan

digunakan untuk mencapai tujuan penelitian. Data-data tersebut dapat diolah

dengan statistik misalnya untuk mengetahui apakah suatu variabel berpengaruh

terhadap variabel lainnya secara signifikan. Adapun beberapa cara pengujian data

dengan statistic salah satunya ANOVA (Analysis of Varians). Analisis variansi

adalah suatu prosedur untuk uji perbedaan mean beberapa populasi. Konsep

analisis variansi didasarkan pada konsep distribusi F dan biasanya dapat

diaplikasikan untuk berbagai macam kasus maupun dalam analisis hubungan

antara berbagai varabel yang diamati. Untuk dapat menguji data-data

menggunakan ANOVA ada beberapa syarat yaitu data berasal dari sampel yang

berbeda, data tersebut harus diuji homogenitasnya, uji normalaitas.Uji normalitas

data dimaksudkan untuk memperlihatkan bahwa data sampel berasal dari populasi

yang berdistribusi normal. Ada beberapa teknik yang dapat digunakan untuk

menguji normalitas data, antara lain uji chi-kuadrat, uji lilliefors, dan uji

kolmogorov-smirnov. Uji homogenitas dimaksudkan untuk memperlihatkan

bahwa dua atau lebih kelompok data sampel berasal dari populasi yang memiliki

variansi yang sama.

Universitas Sumatera Utara