DASAR KOMUNIKASI OPTIC-Part1

SERAT OPTIK

1. Pendahuluan
 

Sistem komunikasi optik merupakan sistem komunikasi optik yang menggunakan cahaya secagai pembawa informasi. Penyebaran gelombang cahaya melalui atmosfer bumi, bagaimanapun sulit dn tidak praktis. Sebagai konsekuensinya, sistem komunikasi optik serat dari glass atau plastik yang mengandung gelombnag cahaya yang dipandu melalui sebuah waveguide. Optoelekronik yang merupakan bagian dari komponen yang berhubungan dengan transmisi cahaya melalui ultrapure fiber yang pada umumnya dibuat dari glass atau plastik.

Sebenarnya cikal bakal serat optik dimulai dari eksperimanen Alexander Graham Bell pada sebuah peralatan yang disebut dengan photophone yang dibentuk dari dari cermin dan detektor selenium yang mengtransmisikan gelombang suara pada sebuah berkas cahaya. Namun photophone ini tidak praktis dan belum mencapai sesuai yang diinginkan.

Pada tahun 1930, J.L Baird dan C.W Hansell menjamin sebuah paten untuk scanning dan transmisi gambar televisi melalui kabel fiber yang tidak berlapis yang kemudian diikuti oleh H Lamm yang mentransmisikan image melalui single fiber glass sehingga pada tahun 1950, banyak terobosan yang dibuat pada serat optik

Tahun 1951 A.C.S Van Hell dan H.H Hopkins, N.S Kapany mengeksperimenkan transmisi cahaya melalui bundel serat optik dan Kapany inilah yang menciptakan istilah fiber optik ini

Pada tahun 1958, Charles H Townes dan Arthur L Schawlow, menulis sebuah paper yang menggambarkan bagaimana kemungkinan menggunakan stimulasi emisi untuk memperkuat gelombang cahaya dan juga microwave.

Laser( Light Amplification by stimulated emission of radiation) ditemukan pada 1960. laser mempunyai output power yang tinggi, frekuensi operasi yang tinggi dan kemampuan untuk membawa sinyal dengan bandwidth yang lebar sehingga sangat ideal untuk sistem komunikasi dengan kapasitas tinggi. Penemuan laser memperkuat pengembangan dari serat optik.

Kabel fiber pada tahun 1960 masih mempunyai loss yang besar (lebih dari 1000 dB/km) dan tahun 1970, Kapron, Keck dan Maurer mengembangkan fiber optik dengan loss 2 dB/km yang merupakan terobosan pada serat optik dan berkembangg dengan cepat.

Pada akhir 80 an, loss pada optik dikurang hingga 0,16 dB/km dan pada 1988 NEC mengembangkan transmisi long haul dengan mentransmisikan 10 Gbit/s pada 80,1 km fiber optik.

2 Komunikasi Serat Optik

Komunikasi Serat optik mempunyai beberapa keuntungan dibandingkan dengan komunikasi kabel koaksial atau metalik antara lain :

1. Kapasitas informasi yang lebih baik

Sistem komunikasi fiber mempunyai kapasitas informasi yang

2. mempunyai immunity terhadap crosstalk
3. mempunyai immunity terhadap interferensi statis yang disebabkan oleh electronic interference (EMI) dari pengcahayaan, motor elektik
4. immunity terhadap lingkungan misalnya perbedaan temperatur atau korosif pada liquid dan gas
5. safety, karena bahan fiber bersifat nonconductor sehingga tidak ada alirran listrik atau tegangan yang dihunbungkan dengan kabel tersebut.
6. lebih secure dibanding kabel koaksial sehingga bisa dipake untuk aplikasi militer
7. Bertahan lama,asumsi ini berdasarkan pada toleransi yang tinggi sehingga kabel fiber dapat menyesuaikan dengan keadaan lingkungan dan mempunyai ketahanan terhadap sifat korosif
8. Ekonomis,

Adapun kekurangan fiber optik adalah sebagai berikut :

1. Biaya interface yang tinggi.
2. Kekuatan, kabel optik mempuyai kekuatan tarik yang rendah dibanding dengan kabel koaksial. Ini dapat diperbaiki dengan melapisi optik dengan Kevlar dan dilapisi dengan pelindung PVC
3. Remote electric power, power electric sangat membantu remote interface atau memperbaharuui perangkat. Ini tidak ada pada optik sehingga kabel metalik mesti ditambahkan pada perlu dipasangkan.
4. Tidak dapat dibuktikan : karena kabel optik masih baru dan belum ada waktu yang tema untuk membuktikan keandaannya
5. Memerlukan too, perangkat dan training tertentu,

3 Blok Diagram Komunikasi Serat Optik

Gambar 8.1 menunjukkan diagram sederhana dari komunikais fiber optik. Tiga blok utama dari diagram tersebut yakni Transmitter, Receiver dan Fiber guide.

Gambar 1 

 

Transmitter terdiri dari interface analog atau digital, konverter tegangan ke arus, sumber cahaya, dan kopling sumber ke fiber. Fiber guide bis aterbuat dari kabel ultrapure glass atau plastik. Receiver termasuk peralatan kopling fiber ke detector cahaya, photo detektor, konverter arus ke tegangan dan amplifier, serta interface analog/digital.

Pada transmiiter fiber optik, sumber cahaya dapat dimodulasi dengan sinyal digital atau analaog. Untuk modulasi analog, interface input memachingkan impedansi dan membatasi amplitudo sinyal input. Untuk modulasi digital, sumber digital sudah dalam bentuk digital, namun jika dalam bentuk analog, harus dikonversikan dulu menjadi pulsa digital. Untuk kasus ini, konverter dari analog ke digital harus dimasukkan ke dalam interface.

Konverter tegangan ke arus bertindak sebagai sebuah interface elektrik antara untaian input dan sumber cahaya. Sumber cahaya bis aberupa LED (Light Emitting Diode) atau ILD (injection Laser Diode). Besarnya

cahaya yang dipancarkan bak oleh LED maupun Oleh ILD sebanding dengan jumlah arusnya. Dengan demikian konverter tegangan ke arus mengubah tegangan sinyal input menjadi arus yang digunakan untuk menggerakkan sumber cahaya.

Kopling/interface dari sumber ke fiber merupakan interface mekanis yang fungsinya untuk dirangkaikan sinar yang kan dipancarkan oleh sumber menuju ke kabel fiber optik. Fiber optik terdiri dari inti (glass atau plastik), cladding (pelapis) dan jaket pelindung. Peralatan interface detektor fiber ke cahaya juga merupakan interface mekanis yang fungsinya untuk kopling cahaya sebanyak mungkin dari kabel fiber ke detektor cahaya.

Detektor cahaya bisa berupa dioda PIN atau APD. Kedua mengkonversi energi cahaya menjadi arus. Dengan demikian membutuhkannkonverter arus ke tegangan.

Interface analaog atau digital pada output penerima juga menrupakan inteface elektrik. Jika mengggunakan modulasi analog, interface dimatchingkan/disesuaikan impedansinya dan level sinyal menuju ke output. Jika menggunakan modulasi digital, interface harus menggunakan konverter digital ke analog.

4 JENIS FIBER

Pada dasarnya, terdapat 3 jenis fiber optik. Ketiganya terbuat dari kaca, plastik atau kombinasi keduanya. Ketiganya adalah sebagai berikut :

1. Core dan cladding d ari plastik
2. Core dari kaca dengan cladding dari plastik (disebut dengan PCS)
3. core dan cladding dari glass (disebut dengan SCS )

4 1 KONSTRUKSI KABEL

Terdapat tiga desain kabel optik seperti yang ditunjukkan pada gambar dibawah ini

 gambar 2 part of fiber optic cable

Dari beberapa konfigurasi di atas sebuah kabel bisa terdiri dari core, cladding, protective tube, buffer, strength member dan protective jacket

5 PROPAGASI CAHAYA

5.1 Kecepatan propagasi

Energi elektromagnetik seperti cahaya, berjalan dengan kecepatan 3.10⁸ pada free space. Begitu halnya kecepatan propagasi sama pada semua frekuensi cahaya. Material yang kepadatannya lebih dibanding dnegan free space, maka kecepatannya akan dikurangi. Jika kecepatan gelomang elektromagnetik berkurang ketika melewati dari satu medium ke medium lainnya yang lebih padat, sinar cahaya akan dibengkokkan/dibiaskan terhadap garis normal. Begitu juga halnya jika material yang lebih padat menuju ruang hampa, frekuensi semua cahaya tidak merambat pada kecepatan yang sama.

5 2 Pembiasan

Gambar 8.3a menunjukkan bagaimana sinar cahaya dibiaskan dari material yang padat ke material yang kurang padat. Pada gambar 8.3b menujukkan bagaimana sinar matahari yang melewati dari yang kepadatan lebih menuju ke ruang hampa. Pembiasan terjadi pada interface udara dan kaca. 

                      (a)                                                                          (b)

Gambar 3 Pembiasan cahaya (a) pembiasan cahaya (b) pembiasan prisma

5.3 Indeks Bias

Nilai pembelokan atau bias yang terjadi pada interface dua material dengan kepadatan yang berbeda dapat ditentukan dan tergantung pada indeks bias dari material tersebut. Indeks bias merupakan perbandingan kecepatan propagasi sinar cahaya di ruang hampa dengan kecepatan propagasi dengan material yang diberikan.

n=c/v

dimana c = kecepatan cahaya di hampa udara

                  v = kecepatan cahaya material yang dilalui

Berikut ini adalah tabel indeks bias material tertentu

Tabel 1 Indeks bias material tertentu

Bagaimana cahaya akan bereaksi jika berada pada dua media transmisi yang mempunyai indeks bias yang berbeda dapat dijelaskan pada hukum Snell berikut :

n₁ sin ϴ₁ = n₂ sin ϴ₂ (2)

dimana n₁ = indeks biasa material 1(tidak bersatuan)

n₂ = indeks bias material 2 (tidak bersatuan)

ϴ₁ = sudut datang (derajat)

ϴ₂ = sudut bias (derajat)

Sebuah indeks bias ditunjukkan hukum snell ditunjukkan pada gambar 8.4. Pada sebuah interface, sinar datang dibiaskan ke arah garis normal atau menjauhinya tergantung apakah nilai n1 lebih kecil atau lebih besar n2.

Gambar 4 Model pembiasan pada hukum Snell

Gambar 5 menunjukkan bagaimana cahaya dibiaskan dari material yang lebih padat ke material yang kurang padat. Cahaya akan mengubah arah pada interface dan sudut bias akan lebih besar dibanding sudut yang masuk.

Gambar 5 Sinar yang dibiaskan jauh dari garis normal

Contoh :

Pada gambar 5 di atas , jika medium pertama adalah kaca dan medium ke 2 adalah ethyl alcohol. Sudut datang yang masuk 30⁰. Tentukan sudut biasnya.

Penyelesaian :

Berdasarkan persamaan 2 sebelumnya dan mensubtitusi nilai n1,n2 dan ϴ1 sehingga diperoleh

(n₁/n₂) sin ϴ₁ = sin ϴ₂

(1,5/1,36 sin 30) = sin ϴ₂

0,5514 = sin ϴ₂

ϴ₂ = sin^-1 0,5514

                                             = 33,47⁰

Dari nilai di atas menunjukkan bahwa sinar yang dibiaskan (dibelokkan) atau berubah arah 33,47⁰ pada interface. Karena sinar bergerak dari material yang lebih padat ke material yang kurang padat sehingga sinar dibelokkan jauh dari garis normal.

5.4 Sudut kritis

Gambar 6 menunjukkan kondisi dimana sudut datang berada pada sudut dimana sudut biasnya menjadi 90⁰ dan sinar biasnya sepanjang interface. Ini penting untuk di catat bahwa cahaya bergerak dari medium yang mempunyai indeks bias tinggi ke medium yang mempunyai indeks bias rendah sehingga berdasarkan Hukum Snell sehingga diperoleh :

sin ϴ₁ = (n₂/n₁) sin ϴ₂

dengan ϴ2 = 90⁰

sin ϴ₁ = (n₂/n₁) (1) atau sin ϴ₁ = (n₂/n₁)

sin^-1 (n₂/n₁) = ϴ₁ = ϴ_c

dimana ϴ_c adalah sudut kritis

Sudut kritis didefenisikan sebagai sudut datan minimum yang mana cahaya menyentuh interface dua media dan menghasilkan sudut bias 90⁰ atau lebih besar dari itu. Ini berlaku jika cahaya bergerak dari medium yang lebih padat ke medium yang kurang padat. Namun sudut datang lebih besar dari sudut kritis, maka akan memantulkan sudut datang tersebut, tidak dibiaskan seperti yang ditunjukkan pada gambar 6

Gambar 6 Sudut releksi dan sudut bias

8.6 Propagasi Cahaya Pada Serat Optik

Cahaya yang dipropagasikan pada serat optik akan dipantulkan dan dibiaskan tergantung dari jenis propagasi dan profil indeks pada serta optik

Pada serat optik dikenal istilah mode yang berarti path (jalur). Jika hanya terdapat satu jalur disebut dengan single mode. Jika terdapat beberapa jalur disebut dengan Multimode. Gambar 8.7 menunjukkan propagasi single mode dan multimode pada serat optik

Gambar 8.7 Mode propagasi (a) single mode (b) multimode

Profil indeks suatu serat optik merupakan gambaran grafis dari nilai indeks bias terhadap serat optik. Indeks bias dipetakan pada sumbu horisontal dan jarak radial dari sumbu core yang dipetakan pada sumbu vertikal. Gambar 8.8 menunjukkan profil indeks dari ketiga jenis serta optik.

Gambar 8.8 Indeks profil core (a) single mode step indeks

(b) multimode step indeks (c) multimode granded indeks

8.7 Konfigurasi Serat Optik

Terdapat 3 jenis konfigurasi serat optik yakni single mode step indeks, multimode step indeks dan multimode granded indeks

8.7.1 Single Mode Step Indeks

Single mode step indeks mempunyai pusat core yang kecil sehingga hanya satu path cahaya yang mungkin dipropagasi ke kabel seperti yang ditunjukkan pada gambar 8.9 di bawah ini

1. (b)

Gambar 8.9 Single mode step indeks (a) air cladding (b) glass cladding

8.7.2 Multimode Step indeks

Multimode step indeks ditunjukkan pada gambar 8.10. sama halnya dengan single mode kecuali pusat core yang lebih besar. Karena mempunyai lubang core yang lebih besar sehingga memungkinkan lebih bnayak cahaya yang masuk ke kabel

Gambar 8.10 Multimode step indeks

8.7.3 Multimode Granded Indeks

Multimode granded indeks dikarakterisasi dengan sebuah core yang mempunyai indeks bias yang tidak seragam. Akam mempunyai nilai maksimum pada pusat dan berkurang perlahan-lahan menuju ke ujung luar. Cahaya dipropagasikan ke fiber dengan pembiasan. Karena cahaya dipropagasikan secara diagonal terhadap pusat dari materail yang kurang padat ke yang lebih padat sehingga cahaya dibiaskan. Cahaya masuk dengan sudut yang berbeda. Cahaya yang bergerak pada area yang paling jauh akan menghasilkan jarak yang lebih jauh dibanding yang lebih dekat ke core.

8.8 Loss pada fiber Optic

Power loss pada fiber optik merupakan parameter yang paling penting. Power loss sering dsebut dengan attenuasi dan menghasilkan pengurangan power pada gelombnag cahaya yang bergerak ke kabel. Attenuasi dapat menurunkan performansi sebuh kabel t ermasuk mengurangi bandwidth, tingkat transmisi informasi, efesiensi dan sistem kapasitasnya.

Rumus standar yang pada power loss adalah

A(dB) = 10 log (Pout/Pin)

Dimana : A(dB) = pengurangan total pada level power

Pout = Power output kabel (watt)

P in = Power input kabel (watt)

Pada umumnya moltimode fiber cenderung mempunyai attenasi yang tinggi dibandingkan dengan single mode khususnya yang berhubungan dengan peningkatan penyebaran gelombang cahaya yang dihasilkan oleh multimode. Tabel 8.2 menunjukkan power output untuk input power untk serat optik dengan beberapa nilai decibel loss. Penurunan 3 dB mengurangi power output hingga 50% input power

Tabel 2 Persen output power vs Loss dalam dB

Loss (dB	Output (%)Power
1	79
3	50
6	25
9	12,5
10	10
13	5
20	1
30	0.1
40	0.01
50	0.001

Attenuasi pada kabel optik biasanya di ekspesikan dalam desibel loss per satuan panjang. Tabel di bawah ini menunjukkan attebuasi dalam dB/km untuk beberapa jenis kabel optik