degradasi sinyal pd fiber optik · dispersi pandu gelombang • terjadi karena tidak semua cahaya...

38
Fakultas Teknik Elektro 1 DEGRADASI SINYAL PD FIBER OPTIK Ref : Keiser, Palais

Upload: dangtuyen

Post on 08-Mar-2019

251 views

Category:

Documents


1 download

TRANSCRIPT

Page 1: DEGRADASI SINYAL PD FIBER OPTIK · Dispersi pandu gelombang • Terjadi karena tidak semua cahaya yang diterima detektor melalui inti, tetapi sebagian cahaya merambat melalui kulit

Fakultas Teknik Elektro 1

DEGRADASI SINYAL

PD FIBER OPTIK

Ref : Keiser, Palais

Page 2: DEGRADASI SINYAL PD FIBER OPTIK · Dispersi pandu gelombang • Terjadi karena tidak semua cahaya yang diterima detektor melalui inti, tetapi sebagian cahaya merambat melalui kulit

Fakultas Teknik Elektro 2

Degradasi sinyal :

• Degradasi sinyal dlm fiber :

– Redaman

– Dispersi

• Redaman diklasifikasikan :

– Absorpsi

– Hamburan Raleigh

– Efek geometri

– Loss inti dan kulit

Page 3: DEGRADASI SINYAL PD FIBER OPTIK · Dispersi pandu gelombang • Terjadi karena tidak semua cahaya yang diterima detektor melalui inti, tetapi sebagian cahaya merambat melalui kulit

Fakultas Teknik Elektro 3

Absorpsi

• Rugi-rugi absorpsi :– Kerusakan atom

– Intrisik

– Ekstrinsik

• Kerusakan atom– Ketidak sempurnaan struktur atom spt kehilangan

molekul, cluster kerapatan tinggi grup atom, atau kerusakan oksigen dlm struktur gelas.

– Umumnya rugi-rugi ini dpt diabaikan dibandingkan dgn karena intrinsik dan ekstrinsik.

– Rugi-rugi ini signifikan jika terjadi radiasi nuklir yg tinggi, misalnya di reaktor nuklir saat terjadi ledakan nuklir.

Page 4: DEGRADASI SINYAL PD FIBER OPTIK · Dispersi pandu gelombang • Terjadi karena tidak semua cahaya yang diterima detektor melalui inti, tetapi sebagian cahaya merambat melalui kulit

Fakultas Teknik Elektro 4

• Intrinsik :

– Sifat alamiah gelas menyerap cahaya

– Sangat kuat pd daerah ultra violet tdk

berpengaruh pd siskom optik

– Pd daerah inframerah terjadi puncak pd 7 μm

dan 12 μm.

– Energi panas atom-atom bergerak SiO

berkontraksi & meregang/vibrasi

Absorpsi

Page 5: DEGRADASI SINYAL PD FIBER OPTIK · Dispersi pandu gelombang • Terjadi karena tidak semua cahaya yang diterima detektor melalui inti, tetapi sebagian cahaya merambat melalui kulit

Fakultas Teknik Elektro 5

0/ EE

uv CeHukum Urbach :

C dan EO : konstanta empiris

E : energi photon

x : bagian molekul GeO2

63,4

210606,46

2,154e

x

xuv

dB/Km

Absorpsi daerah UV :

Absorpsi daerah IR :

48,48

111081,7

eIRUtk GeO2-SiO2 : dB/Km

Page 6: DEGRADASI SINYAL PD FIBER OPTIK · Dispersi pandu gelombang • Terjadi karena tidak semua cahaya yang diterima detektor melalui inti, tetapi sebagian cahaya merambat melalui kulit

Fakultas Teknik Elektro 6

• Ekstrinsik

– Ketidak murnian sumber utama rugi-rugi fiber.

– Jenis : ion transition metal dan ion OH

– Fe, Cu, V, Co, Ni, Mn, Cr menyerap secara kuat pd

daerah yg dinginkan

– Ketidak lengkapan pengisian sel elektron dalam,

penyerapan cahaya mengakibatkan elektron bergerak

dr level energi rendah ke level lebih tinggi.

– Redaman OH paling signifikan pd 1,37 μm, 1,23 μm,

0,95 μm

Absorpsi

Page 7: DEGRADASI SINYAL PD FIBER OPTIK · Dispersi pandu gelombang • Terjadi karena tidak semua cahaya yang diterima detektor melalui inti, tetapi sebagian cahaya merambat melalui kulit

Fakultas Teknik Elektro 7

Karakteristik

redaman fiber

silika diberikan

doping GeO2

Page 8: DEGRADASI SINYAL PD FIBER OPTIK · Dispersi pandu gelombang • Terjadi karena tidak semua cahaya yang diterima detektor melalui inti, tetapi sebagian cahaya merambat melalui kulit

Fakultas Teknik Elektro 8

Perbandingan absorbsi inframerah krn bahan doping pd low-loss

silica fiber.

Page 9: DEGRADASI SINYAL PD FIBER OPTIK · Dispersi pandu gelombang • Terjadi karena tidak semua cahaya yang diterima detektor melalui inti, tetapi sebagian cahaya merambat melalui kulit

Fakultas Teknik Elektro 9

Hamburan Rayleigh

• Terjadi krn gel bergerak mel media yg terdapat

benda hambur yg < 1 λ

• Saat pabrikasi gelas cair panas molekul bebas

bergerak

• Pd saat cairan dingin gerakan berkurang

• Pd saat padat mol acak membeku variasi

kepadatan variasi indeks bias setempat

hamburan.

Page 10: DEGRADASI SINYAL PD FIBER OPTIK · Dispersi pandu gelombang • Terjadi karena tidak semua cahaya yang diterima detektor melalui inti, tetapi sebagian cahaya merambat melalui kulit

Fakultas Teknik Elektro 10

Glory : gejala optik dihasilkan oleh backscattering ke sumber oleh

asap/kabut/butir air berukuran seragam.

Page 11: DEGRADASI SINYAL PD FIBER OPTIK · Dispersi pandu gelombang • Terjadi karena tidak semua cahaya yang diterima detektor melalui inti, tetapi sebagian cahaya merambat melalui kulit

Fakultas Teknik Elektro 11

• Penyebab hamburan lain :

– Bahan fiber terdiri dr lebih dr satu oksida fluktuasi

konsentrasi oksida penyusun

– Ketidak homogenan bahan yg dicampurkan dlm gelas

selama pabrikasi antar muka inti-kulit kasar, benda

hambur > λ optik dpt dikendalikan pd saat

pabrikasi.

Raleigh scattering

Page 12: DEGRADASI SINYAL PD FIBER OPTIK · Dispersi pandu gelombang • Terjadi karena tidak semua cahaya yang diterima detektor melalui inti, tetapi sebagian cahaya merambat melalui kulit

Fakultas Teknik Elektro 12

Redaman krn hamburan sebanding dng λ-4.

Gelas komponen tunggal :

TfBscat

TfBscat

Tkpn

Tkn

28

4

3

22

4

3

3

8

13

8

kB : Konstanta Boltzman = 1,380 x 10-23 J/OK

βT : Isothermal compressibility bahan

Tf : Suhu fictive/lebur

p : koefisien photoelastic

atau

Neper/Km

Neper/Km

Page 13: DEGRADASI SINYAL PD FIBER OPTIK · Dispersi pandu gelombang • Terjadi karena tidak semua cahaya yang diterima detektor melalui inti, tetapi sebagian cahaya merambat melalui kulit

Fakultas Teknik Elektro 13

Utk gelas multi komponen :

m

i

i

i

CC

nnn

Vn

1

2

2

2

2

22

22

4

3

3

8

δρ : fluktuasi kepadatan

δCi : fluktuasi konsentrasi komponen gelas

Neper/Km

Nilai fluktuasi komposisi dan kepadatan umumnya tidak

diketahui dan ditetapkan dr data hamburan percobaan

Page 14: DEGRADASI SINYAL PD FIBER OPTIK · Dispersi pandu gelombang • Terjadi karena tidak semua cahaya yang diterima detektor melalui inti, tetapi sebagian cahaya merambat melalui kulit

Fakultas Teknik Elektro 14

Redaman pd fiber GI-MM tertentu

Redaman pd fiber fiber SM tertentu

Page 15: DEGRADASI SINYAL PD FIBER OPTIK · Dispersi pandu gelombang • Terjadi karena tidak semua cahaya yang diterima detektor melalui inti, tetapi sebagian cahaya merambat melalui kulit

Fakultas Teknik Elektro 15

Efek Geometri

• Bengkokan/lengkungan redaman :

– Makroskopi

• berukuran besar dibanding diameter fiber

• Misalnya fiber dibelokan pojok

– Mikroskopi

• fluktuasi jari-jari ukurankecil berulang

• berukuran kecil dibanding diameter fiber

• Terjadi secara random

• Dpt bertambah saat pengkabelan

Page 16: DEGRADASI SINYAL PD FIBER OPTIK · Dispersi pandu gelombang • Terjadi karena tidak semua cahaya yang diterima detektor melalui inti, tetapi sebagian cahaya merambat melalui kulit

Fakultas Teknik Elektro 16

Efek Geometri

Page 17: DEGRADASI SINYAL PD FIBER OPTIK · Dispersi pandu gelombang • Terjadi karena tidak semua cahaya yang diterima detektor melalui inti, tetapi sebagian cahaya merambat melalui kulit

Fakultas Teknik Elektro 17

Mode fundamental dlm fiber lengkung

Jari-jari kritis single mode :

3

2/32

2

2

1

996,0748,220

C

C

nnR

2/32

2

2

1

1

4

3

nn

nRC

Jari-jari kritis multi mode :

Page 18: DEGRADASI SINYAL PD FIBER OPTIK · Dispersi pandu gelombang • Terjadi karena tidak semua cahaya yang diterima detektor melalui inti, tetapi sebagian cahaya merambat melalui kulit

Fakultas Teknik Elektro 18

Gloge : jumlah modus effektif

2

1

3/2

2

2

2

32

2

21

kanM

kRnR

aMM eff

: Jml total mode dlm fiber lurus

k = 2π/λ : konstanta propagasi gelombang

Page 19: DEGRADASI SINYAL PD FIBER OPTIK · Dispersi pandu gelombang • Terjadi karena tidak semua cahaya yang diterima detektor melalui inti, tetapi sebagian cahaya merambat melalui kulit

Fakultas Teknik Elektro 19

Microbending : fluktuasi jari-jari ukurankecil berulang

dr lengkungan sumbu fiber

Page 20: DEGRADASI SINYAL PD FIBER OPTIK · Dispersi pandu gelombang • Terjadi karena tidak semua cahaya yang diterima detektor melalui inti, tetapi sebagian cahaya merambat melalui kulit

Fakultas Teknik Elektro 20

Compressible jacket mengurangi microbending krn

tekanan dr luar

Page 21: DEGRADASI SINYAL PD FIBER OPTIK · Dispersi pandu gelombang • Terjadi karena tidak semua cahaya yang diterima detektor melalui inti, tetapi sebagian cahaya merambat melalui kulit

Fakultas Teknik Elektro 21

Loss Inti dan Kulit

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

cladvm

coreclad

cladcorevm

121

21

1

Inti dan kulit terbuat dr bahan yang berbeda

komposisinya memiliki kofisien redaman berbeda

(α1 utk inti dan α2 utk kulit).

Jika pengaruh kopling moda diabaikan, loss SI fiber

mode (v,m) :

karena

maka

Loss total dr fiber diperoleh dr penjumlahan semua moda

dr tiap bagian daya setiap moda

Pd fiber GI, koef redaman pd jarak r dr sumbu

2

2

2

22

121)0(

)()0()(

nn

rnnr

Page 22: DEGRADASI SINYAL PD FIBER OPTIK · Dispersi pandu gelombang • Terjadi karena tidak semua cahaya yang diterima detektor melalui inti, tetapi sebagian cahaya merambat melalui kulit

Fakultas Teknik Elektro 22

Dispersi

• Group velocity : kecepatan energi suatu modus tertentu bergerak sepanjang fiber.

• Perbedaan kec grup mengakibatkan perbedaan waktu tiba energi di tujuan shg mengakibatkan terjadinya pelebaran pulsa.

• Gejala yg mengakibatkan terjadinya pelebaran pulsa disebut dispersi.

• Jenis dispersi :

– Intramodal• Material

• waveguide

– Intermodal, hanya terjadi pd MM fiber

Page 23: DEGRADASI SINYAL PD FIBER OPTIK · Dispersi pandu gelombang • Terjadi karena tidak semua cahaya yang diterima detektor melalui inti, tetapi sebagian cahaya merambat melalui kulit

Fakultas Teknik Elektro 23

Group delay

Time delay atau Group delay per satuan panjang :

/2

2

11

1

2

k

dk

dcV

d

d

cdk

d

cVL

g

g

g

: kec energi dlm pulsa yg

merambat sepanjang fiber

Dimana :

L : jarak yg dicapai oleh pulsa

β : konstanta propagasi sepanjang sumbu fiber

Page 24: DEGRADASI SINYAL PD FIBER OPTIK · Dispersi pandu gelombang • Terjadi karena tidak semua cahaya yang diterima detektor melalui inti, tetapi sebagian cahaya merambat melalui kulit

Fakultas Teknik Elektro 24

d

d g

2

222

2

d

d

d

d

c

L

d

d g

g

Selisih Total delay sepanjang fiber L :

Pelebaran pulsa dpt didekati dgn lebar pulsa rms :

Dispersi :

d

d

LD

g1

Satuan dispersi : picosecond per kilometer per

nanometer

Page 25: DEGRADASI SINYAL PD FIBER OPTIK · Dispersi pandu gelombang • Terjadi karena tidak semua cahaya yang diterima detektor melalui inti, tetapi sebagian cahaya merambat melalui kulit

Fakultas Teknik Elektro 25

Dispersi material

• Dikenal juga sbg dispersi kromatis atau spektral.

• Terjadi karena variasi indeks bias bahan inti yg merupakan

fungsi panjang gelombang, serupa dng efek prisma

menguraikan spektrum, akibatnya terjadi kec grup berbeda

setiap moda yg tergantung pd panjang gelombang,

selanjutnya mengakibatkan terjadinya pelebaran pulsa .

d

dnn

c

L

n

d

d

cdk

d

cL

mat

g

2

2

1 2

Karena

dan

Maka :

Page 26: DEGRADASI SINYAL PD FIBER OPTIK · Dispersi pandu gelombang • Terjadi karena tidak semua cahaya yang diterima detektor melalui inti, tetapi sebagian cahaya merambat melalui kulit

Fakultas Teknik Elektro 26

Pelebaran pulsa dr suatu sumber yg memiliki lebar

spektral σλ karena dispersi material :

2

2

2

2

1

d

nd

cD

LDd

nd

c

L

d

d

mat

matmat

mat

: Dispersi material

Page 27: DEGRADASI SINYAL PD FIBER OPTIK · Dispersi pandu gelombang • Terjadi karena tidak semua cahaya yang diterima detektor melalui inti, tetapi sebagian cahaya merambat melalui kulit

Fakultas Teknik Elektro 27

Variasi indeks bias silika sbg fungsi panjang gelombang

Page 28: DEGRADASI SINYAL PD FIBER OPTIK · Dispersi pandu gelombang • Terjadi karena tidak semua cahaya yang diterima detektor melalui inti, tetapi sebagian cahaya merambat melalui kulit

Fakultas Teknik Elektro 28

Dispersi material silika

murni dan GeO2-SiO2

sbg fungsi panjang

gelombang

Page 29: DEGRADASI SINYAL PD FIBER OPTIK · Dispersi pandu gelombang • Terjadi karena tidak semua cahaya yang diterima detektor melalui inti, tetapi sebagian cahaya merambat melalui kulit

Fakultas Teknik Elektro 29

Dispersi pandu gelombang

• Terjadi karena tidak semua cahaya yang

diterima detektor melalui inti, tetapi sebagian

cahaya merambat melalui kulit.

• Besarnya dispersi pandu gelombang tergantung

pada rancangan fiber, karena konstanta

propagasi β merupakan fungsi 1/λ.

• Utk penyederhanaan dlm perhitungan

diasumsikan bhw indeks bias material tidak

tergantung pada panjang gelombang.

Page 30: DEGRADASI SINYAL PD FIBER OPTIK · Dispersi pandu gelombang • Terjadi karena tidak semua cahaya yang diterima detektor melalui inti, tetapi sebagian cahaya merambat melalui kulit

Fakultas Teknik Elektro 30

Konstanta propagasi normalisasi :

1

/

/

2

21

2

2

2

2

1

2

2

2

bkn

nn

nkb

nn

nkb

Utk ∆ <<<

atau

Group delay krn dispersi pandu gelombang :

dV

Vbdnn

c

L

kannnkaV

dk

kbdnn

c

L

dk

d

c

L

wg

wg

22

2

2

2

2

1

22

2

maka

Utk ∆ <<

Utk fiber MM dispersi PG << dispersi material dispersi PG dpt diabaikan

Page 31: DEGRADASI SINYAL PD FIBER OPTIK · Dispersi pandu gelombang • Terjadi karena tidak semua cahaya yang diterima detektor melalui inti, tetapi sebagian cahaya merambat melalui kulit

Fakultas Teknik Elektro 31

wg

wg

wg

wg

wg

wg

D

dV

VbdV

c

Ln

dV

dV

LDd

d

2

2

2

Pelebaran pulsa karena dispersi pandu gelombang :

: Dispersi pandu gelombang

:

:

22

mod

wg

m

wgmi

Pelebaran pulsa karena dispersi intramodus :

Pelebaran pulsa krn dispersi material

Pelebaran pulsa krn dispersi pandugelombang

Page 32: DEGRADASI SINYAL PD FIBER OPTIK · Dispersi pandu gelombang • Terjadi karena tidak semua cahaya yang diterima detektor melalui inti, tetapi sebagian cahaya merambat melalui kulit

Fakultas Teknik Elektro 32

Grafik d(Vb)/dV sbg fungsi V fiber SI utk berbagai LP moda

Page 33: DEGRADASI SINYAL PD FIBER OPTIK · Dispersi pandu gelombang • Terjadi karena tidak semua cahaya yang diterima detektor melalui inti, tetapi sebagian cahaya merambat melalui kulit

Fakultas Teknik Elektro 33

Parameter b dan turunanannya thd V modus LP01

sbg fungsi V

Page 34: DEGRADASI SINYAL PD FIBER OPTIK · Dispersi pandu gelombang • Terjadi karena tidak semua cahaya yang diterima detektor melalui inti, tetapi sebagian cahaya merambat melalui kulit

Fakultas Teknik Elektro 34

Distorsi sinyal pd fiber SM

Dispersi pandu gelombang dan dispersi material pd SM

memiliki nilai dlm orde yg hampir sama.

Contoh besarnya dispersi material dan PG sbg fungsi

panjang gelombang pd fiber SM silika

Page 35: DEGRADASI SINYAL PD FIBER OPTIK · Dispersi pandu gelombang • Terjadi karena tidak semua cahaya yang diterima detektor melalui inti, tetapi sebagian cahaya merambat melalui kulit

Fakultas Teknik Elektro 35

Dispersi antar modus

• Merupakan hasil dr perbedaan nilai group delay (kec

group axial) dr setiap modus individual pd satu frekuensi.

L

Tmax

Tmin

c

LnTTsi

1minmaxmod

Pelebaran pulsa krn dispersi

antar modus :

Page 36: DEGRADASI SINYAL PD FIBER OPTIK · Dispersi pandu gelombang • Terjadi karena tidak semua cahaya yang diterima detektor melalui inti, tetapi sebagian cahaya merambat melalui kulit

Fakultas Teknik Elektro 36

Pelebaran Pulsa pd Fiber GI

• Keuntungan profil indeks bias gradual adalah menawarkan

propagasi MM pd inti yg relatif besar dan kemungkinan

distorsi delay antar modus yg rendah.

• Karena indeks bias dibagian luar inti lebih rendah dr pd di

pusat inti maka cahaya akan merambat lebih cepat di bagian

luar inti dr pd di pusat inti. V = c/n

Pelebaran pulsa krn dispersi antar modus (untuk α = 2) :

sigi

gic

Ln

modmod

2

1mod

8

8

atau

Page 37: DEGRADASI SINYAL PD FIBER OPTIK · Dispersi pandu gelombang • Terjadi karena tidak semua cahaya yang diterima detektor melalui inti, tetapi sebagian cahaya merambat melalui kulit

Fakultas Teknik Elektro 37

:

:

mod

mod

2

mod

2

mod

a

i

ai

Pelebaran pulsa pd fiber MM :

Pelebaran pulsa krn dispersi intramodus

Pelebaran pulsa krn dispersi antarmodus

Page 38: DEGRADASI SINYAL PD FIBER OPTIK · Dispersi pandu gelombang • Terjadi karena tidak semua cahaya yang diterima detektor melalui inti, tetapi sebagian cahaya merambat melalui kulit

Fakultas Teknik Elektro

CONTOH

38

Diketahui :

Serat optik Multimode Step index, n1 = 1,48,

n2 = 1,475, L = 75 Km, Dmat = 60 ps/Km-nm,

Dwg = 1 ps/Km-nm

Sumber optik , σλ = 50 nm

Hitung : σmat = ?, σwg = ?, σimod = ?, σamod = ?,

σtot = ?.