BAB I2

Bahan Ajar  Komunikasi Serat Optik 

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Sejarah Transmisi Optik  Penemuan Penemuan transmisi transmisi optik merupakan merupakan pemikiran pemikiran yang serovolusi serovolusioner, oner, 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 mengajukan ide dari sistem sistem pendistrib pendistribusian usian cahaya untuk rumah dan kantor. Pada Pada tahu tahun n 1937, 1937,   Norm Norman an R. Frenc French h mengaj mengajukan ukan sistem sistem telepo telepon n optik  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 Kell dan George C. Sziklai pada tahun 1950, yang pada waktu itu dimasukkan untuk mengirimkan signal televisi. Perkembangan Perkembangan laser memungkinkan memungkinkan untuk mentransfer mentransfer komunikasi Link   Laser gas radio dalam band microwave kedalam komunikasi optik melalui atmosfir  Laser  Helium Neon  Helium Neon telah digunakan dalam percobaan tahun 1960-1970. Serat optik menjadi menarik setelah 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 Ligh Lightt

Emit Emitti ting ng

Diod Diodaa

(LED (LED). ).

Mesk Meskip ipun un

bebe bebera rapa pa

labo labora rato tori rium um

menc mencob obaa

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 diarahkan pada konstruksi konstruksi kabel kabel serat optik  optik   graded indeks multimoda dengan core 50 μm.

1

Bahan Ajar  Komunikasi Serat Optik 

Pada tahun 1980 pengembangan serat optik kembali bergeser ke kabel serat  single-moda dengan mengingat keuntungan kapasitas pada jarak yang jauh. optik  single-moda Pada Pada genera generasi si pertam pertamaa transm transmisi isi serat serat optik optik menggun menggunaka akan n cahaya cahaya dengan dengan   pan panja jang ng gelo gelomb mban ang g 0,8 0,8 μm. μm. Teta Tetapi pi caha cahaya ya deng dengan an panj panjan ang g gelo gelomb mban ang g ini 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 chromatictersebut chromatictersebut akan dibatasi kapasitas transmisi dan akan melebarkan melebarkan pulsa. pulsa. Pada 1,5 μm redaman redaman sangat sangat rendah, rendah, tetapi dispersi chromatik lebih chromatik  lebih tinggi tinggi dari 1,3 μm. Gambar 1.1 memperlihatkan sejarah survey dari  perkembangan kabel serat optik dalam hubungan dengan redaman. Gener Generas asii

sela selanj njut utny nyaa

adala adalah h

gene genera rasi si ketig ketigaa

sist sistem em trans transmi misi si optik optik..

Kemungkinan laser dengan daya besar tidak berperan lagi untuk jarak yang jauh. Daya optik yang besar akan menyebabkan menyebabkan (intermodul (intermodulasi) asi) dan akan menyebabkan menyebabkan redam redaman an yang yang besar besar bila bila dile dilewa watk tkan an pada pada kabe kabell  serat  optik optik.. Oleh Oleh kare karena na itu itu dikembangkan laser dengan spectra yang sempit, bahan dari spectra yang sempit line. Dalam hal demikian, menjadi  single line. demikian, dispersi chromatic tidak berpengaruh, berpengaruh, sehingga kapasitas akan jauh lebih besar dari pada menggunakan transmisi laser  multi-moda. Juga dengan multi-moda. Juga cara cara pengk pengkode odean an dan dan modul modulas asii dari dari info inform rmas asii akan akan memberikan kemungkinan untuk menambah jarak jangkauan dan kapasitas transmisi. Dengan prinsip heterodyne akan dapat dicapai deteksi signal yang lebih baik  dari dari sisi sisi peneri penerima. ma. Perbai Perbaikan kan dari dari pemili pemilihan han menawar menawarkan kan kemung kemungkin kinan an untuk  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

Bahan Ajar  Komunikasi Serat Optik 

Gambar 1.1 Diagram blok sistem komunikasi optik (SKO)

Gambar 1.2 evolusi sistem serat optik 

I.2

Keuntungan dan Kelemahan Sistem Komunikasi Optik 

3

Bahan Ajar  Komunikasi Serat 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.

7.

Penyadapan informasi sukar  

4

Bahan Ajar  Komunikasi Serat Optik 

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.

Tabel 1.1 Perkembangan serat optik 

5

Bahan Ajar  Komunikasi Serat Optik 

Tahun

Serat

Sumber Optik  

1950

500 – 1000 dB/km

Ruby

1966

Mulai diusulkan  penggunaan serat optik 

Ga As

1970

Serat silika dengan redaman 20dB/ km

GaAlAs

1976

0,5 db/km serat silika

GaAlAsP

1978

0,2 dB/km serat silika

GaAlAs dengan waktu hidup 106 jam

1985

0,1 dB/km (silika dan CaF)

Laser koheren

sekarang

Redaman 50

Lebar pita frekuensi (BW)

(a) Pengaruh panjang gelombang terhadap redaman

7

Bahan Ajar  Komunikasi Serat Optik 

(b) Gambar 1.3 Perkembangan serat optik 

8

Bahan Ajar  Komunikasi Serat Optik 

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, dengan :

dalam media lain c/n = v

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

Bahan Ajar  Komunikasi Serat Optik 

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

Bahan Ajar  Komunikasi Serat Optik 

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

Bahan Ajar  Komunikasi Serat Optik 

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 (ϴ 2) Pembiasan : Pemantulan dengan :

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

=

ϴ3

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

Bahan Ajar  Komunikasi Serat Optik 

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 ber indeks 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 : sin θ 1 sin θ 2

=

k 2 k 1

=

ω   µ o ε 2 ω   µ oε 1

=

n2 n1

n1 sin ϴ1 = n2 sin ϴ2 untuk n1 > n 2 dengan semakin bertambahnya ϴ1 sampai mencapai sudut kritis ϴ 1= ϴ c

yang bertepatan dengan harga ϴ2 = π  / 2 yaitu n1 sin ϴ1 = n2 sin ϴ2 sin ϴ2

= n1/n2 sin ϴc

apabila ϴ2 = π  / 2 maka tidak ada gelombang yang merambat pada medium 2 karena gelombang mengalami pantulan total di dalam medium 1. ϴ1

Dimana sudut kritis

= arc sin n2/n1 ϴ1

= ϴc

2.3 Cahaya

13

Bahan Ajar  Komunikasi Serat Optik 

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 10 24 Hz. Semua gelombang elektromagnet merambat dengan kecepatan 300 x 10 6 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 10 14

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

Bahan Ajar  Komunikasi Serat Optik 

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

Bahan Ajar  Komunikasi Serat Optik 

Gambar 2.6. Spektrum elektromagnetik 

16

Bahan Ajar  Komunikasi Serat Optik 

Hubungan antara panjang gelombang dengan frekuensi semua gelombang elektromagnetik adalah : Kecepatan = frekuensi x panjang gelombang V

= f

x λ 

re d orange kuning Cahaya putih

Spektrum cahaya pelangi

hijau biru violet

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 :  E  = h

C  λ 

Dimana : E =

energi yang dihasilkan dalam (joule)

h

=

konstanta planck : 6,625 10-34 Js

c

=

kecepatan perambatan cahaya dalam suatu ruang hampa

λ  =

panjang gelombang (um)

17

Bahan Ajar  Komunikasi Serat Optik 

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 or bit  electron sebelah luar. Hal ini memberikan jawaban mengapa cahaya memerlukan waktu lama untuk   berpropagasi didalam gelas dari pada ruang hampa.

18

Bahan Ajar  Komunikasi Serat Optik 

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

Bahan Ajar  Komunikasi Serat Optik 

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

Bahan Ajar  Komunikasi Serat Optik 

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

Bahan Ajar  Komunikasi Serat Optik 

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)

d2 – d1 2

Sumber  Optik

θ d1

b

d2

Gambar 3.4 Numerical Aperture (NA)

22

Bahan Ajar  Komunikasi Serat Optik   NA = sin α  ( di dalam ruang hampa) α  =

tan

−1

d 2 −d 1

2

b

Dimana

d1 = diameter inti serat d2 = diameter pancaran cahaya  b = jarak antara serat optik dengan layar   NA

= n( r ). sin α  = n( r )(1 − cos

2

1/ 2

α )

(di dalam medium yang mempunyai indeks bias n)  NA ≈ sin α 

Sehingga di dalam udara  Numerical Aperture (NA) = Dimana

2

n1

2

− n2

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  p( r )  p (0)

3.4

=

[ NA (r )] 2 [ NA (0)]2

 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

Bahan Ajar  Komunikasi Serat Optik 

Moda terjadi pada perambatan gelombang cahaya yang melintasi inti, dan   besarnya daya, tegangan, frekuensi yang disuplay

tegangan yang disuplay

dirumuskan : v

=

2ΠaNA

λ  1

v=

2Πan1 (2∆) 2 λ 

v = k an1 ( 2∆)

∆≈

∆≈

1 2

n12 − n22 2n12 ( n1

− n2 )(n1 + n2 )

2n12

Untuk serat pemandu lemah maka yang ditinjau adalah

∆ E1

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 v=

 E 2 − E 1 h

=

∆ E 21

h

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.

51

Bahan Ajar  Komunikasi Serat Optik 

5.4.1

Karakteristik LASER Dioda

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

Bahan Ajar  Komunikasi Serat Optik 

5.4.2 a.

Spesifikasi Laser 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

53

Bahan Ajar  Komunikasi Serat Optik 

Gambar 5.6 Karakteristik LASER

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 :  p s

Dimana

  pt 

= ( pi +

pr  )

adalah kehilangan daya dalam media serat optik 

 pr  adalah level daya yang diterima oleh detektor 

54

Bahan Ajar  Komunikasi Serat Optik 

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. η  =

Dimana :

 P o  x100%  P i

 P  o

= daya output optikal

 P  i

= 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

55

Bahan Ajar  Komunikasi Serat Optik 

digunakan pada link  data dan telekomunikasi berkecepatan tinggi, namun LED 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 timenya diperlihatkan pada tabel 5.2. Tabel 5.2 Tabel klasifikasi foto dioda

Material Si

Ge

InGaAs

Type PD PIN APD PD PIN APD

Panjang gelombang (nm) 320 – 1150 600 – 1150 350 - 1100 600 – 1900 800 – 1750 800 – 1750

PIN APD

900 – 1650 900 – 1630

Respon time (ns) 2 – 5x102 3 – 10 0.1 – 4 104 102 - 104 0.5 - 2

- 0.7 0.1 – 1

56

Bahan Ajar  Komunikasi Serat Optik 

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

Bahan Ajar  Komunikasi Serat Optik 

5.8 Photodetect Photodetector  or 

 Photodetector  meru merupa pakan kan elem elemen en yang yang sang sangat at pent pentin ing g di dalam dalam sist sistem em transmisi serat optik. optik. Elemen ini mengubah sinyal optik menjadi menjadi sinyal elektrik, yang selanjutnya akan dikuatkan dan diproses diproses lebih lanjut. lanjut. Hal yang sangat penting yang haru haruss dipe diperh rhat atik ikan an adal adalah ah pers persya yara rata tan n unju unjuk k kerj kerjaa dan dan komp kompat atibi ibili lita tass dari dari  photodetector . Disamping Disamping itu, pemilihan pemilihan photodetector photodetector untuk aplikasi aplikasi spesifik spesifik juga mempertimbangkan besarnya biaya. Foto detector dapat diklasifikasikan sebagai berikut: -

foto ko konduksi

-

foto resistif 

-

fot foto vol volttaic aic : sel sel sur surya ya

-

foto foto fun fungs gsii : fot foto o diod dioda, a, fot foto o trans transis isto tor  r  Foto dioda dan foto transistor banyak digunakan secara luas sebagai foto

sensitive detector dengan jenis : -

jenis PN normal (PD)

-

jenis PIN

-

jenis avalanche

58

Bahan Ajar  Komunikasi Serat Optik 

BAB VI PENGGUNAAN DESIBEL DAN MENDESAIN DALAM RANGKAIAN SERAT OPTIK 

6.1 Penggunaan 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 Desibel adalah sebuah satuan logaritmi logaritmik k dan mengikuti mengikuti aturan-atur aturan-aturan. an. Rumus matematika untuk desibel adalah : Penguatan daya (gain) dalam satuan desibel = 10 log[

daya out  ]dB daya in

Contoh : Sebuah perangkat penguat daya memberikan daya output yang lebih besar  dari daya yang diterima sebagai input, sehingga perangkat ini menghasilkan penguat daya Dayain = 2 mW

Amplifier 

Dayaout = 6 mW

Gambar 6.1 Berapa besar penguatan (gain) dalam satuan desibel 

Gain

=

10 log[

daya out  ]dB daya in 6.10 −3

=

10 log[

=

10 log 3 dB

=

4.77 dBm

2.10 −3

]dB

Jadi penguatannya sebesar 4.77dB

59

Bahan Ajar  Komunikasi Serat Optik 

Elemen attenuator  dalam rangkaian dapat ditafsirkan dengan dua cara, hasil   per perhi hitu tung ngan an mate matemat matis is yang yang dida didapa patt di atas atas 4.77 4.77 dB. dB. Denga Dengan n demi demiki kian an , jika jika seseorang menanyakan pada kita bagaimana hasil akhir dari contoh diatas, kita dapat menjaw menjawabny abnyaa atenuat atenuator or menim menimbul bulkan kan loss sebe sebesa sarr -4.7 -4.77 7 dB atau atau aten atenua uato tor  r  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 d esibel 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

Dayain = 2 mW

Amplifier  12 dB

Loss 16 dB

Attenuator  6 dB

Gain 8 dB

Output

Gambar 6.2. berapakah daya output dalam satuan watt 

Gain

=

-2 = 10 log[

10 log[

daya out  ]dB daya in

daya out  ]dB 2

-2/10 = 10 log[

daya out  out  ]dB 2

60

Bahan Ajar  Komunikasi Serat Optik 

- 0.2 =

daya out  2

0.63 =

daya out  2

10-0.2 = 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

Bahan Ajar  Komunikasi Serat Optik 

carilah loss daya minimum yang diakibatkan oleh :

1.

serat optik, konektor, dan sambungan Carilah kemungkinan loss daya maksimum,

2.

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. Dengan loss maksimum

3. 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

Bahan Ajar  Komunikasi Serat Optik 

-

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

Bahan Ajar  Komunikasi Serat Optik 

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. t r 

-

=

0,35

bandwidthf   iber 

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

Bahan Ajar  Komunikasi Serat Optik 

t rsys

2

t rRX 

=

2

2

+ t rTX  +t rFiber 

 Bandwidth =

0.35

t rSis

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

= =

 petikanban dwidth  panjangdal  amk  6

30010 2.5

= 120 Mhz Waktu naik fiber  t r 

=

0,35

bandwidth   fiber 

t rFiber 

=

0,35 120 x10

6

= 2.9 ns Waktu naik cahaya dan penerima diasumsikan 2 ns dan 4 ns maka: 2

t rsys

=

t rRX 

t rsys

=

4

t rsys

= 5.3ns

2

2

2

+ t rTX  +t rFiber 

+2

2

+ 2.9

2

65

Bahan Ajar  Komunikasi Serat Optik 

 Bandwidth sistem =  Bandwidth sistem =

0.35

t rSis

0.35 5.3 x10

−9

= 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 =

0.44   figurdispe rsi

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 =

0.44 56 x10 −12

= 7.86 Ghz Waktu naik fiber : t r 

=

0,35

bandwidthf   iber 

66

Bahan Ajar  Komunikasi Serat Optik 

t r 

=

0,35 7.86 x10

9

= 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 : 2

t rsys

=

t rRX 

t rsys

=

2

t rsys

=

4.09

t rsys

= 2.02 ns

2

2

2

+ t rTX  +t rFiber  2

+ 0.3 +0.0445

2

Bandwidth sistem : Bendwidth sistem

= =

0.35

t rSis

0.35 2.02  x10 −9

= 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

Bahan Ajar  Komunikasi Serat Optik 

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