PENGARUH DIAMETER DAN JUMLAH LENGKUNGAN FIBER OPTIK OSSES TERHADAP BENDI NG L OSS
Biaunik Niski Kumila, Yasin.A.Sahodo Jurusan Fisika fakultas Matematika dan Ilmu Ilmu Pengetahuan Alam Institut Teknologi Sepuluh Nopember Nopember Surabaya
[email protected] Abstrak
Percobaan ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh besar diameter kelengkungan dan jumlah lengkungan terhadap rugi daya pada fiber optik. Pada percobaan ini, fiber optik dilengkungan dengan beberapa variasi diameter kelengkungan. Untuk tiap-tipa variasi diameter, jumlah lengkungan juga divariasi. Fiber optik disinari oleh laser dan energi cahaya setelah melalui fiber ditangkap oleh fotodioda dan terbaca pada multimeter sebagai tegangan. Untuk menghitung bending losses, kita harus menghitung daya yang dijadikan acuan, yaitu saat fiber optik belum dilengkungkan. Karena arus pada rangkaian sama dalam semua keadaan, maka untuk menghitung bending losses, hanya dibutuhkan nilai nil ai tegangan setelah dilengkengkan dan tegangan acuannya saja. Bending losses berbanding terbalik terhadap diameter kelengkungan dan berbanding lurus dengan jumlah lengkungan. Kata ku nci : bendin bendin g loss losses,diamete ,diameterr kel kel engkun gan, gan, j uml ah l engkun gan
PENDAHULUAN Optic fiber atau fiber atau biasa disebut serat optik merupakan salah satu bentuk teknologi yang sering dipakai akhir-akhir ini. Serat optik digunakan dalam berbagai bidang salah satunya adalah bidang komunikasi. Emampuan serat optik untuk memandu gelombang sangat memebrikan peran penting dalam bidang komunikasi. Rugi daya pada serat optik sangat dihindari dengan tujuan masukan akan sama dengan keluaran (setelah melewati serat optik). Ada beberapa faktor yang menyebabkan kerugian dalam sistem serat optik, salah satunya adalah kelengkungan serat optik. Rugi daya akibat kelengkungan serat optik ini disebut bending losses. losses. Serat Optik Serat optik merupakan salah satu hasil rekayasa teknologi material, berfungsi sebagaimedia pemandu cahaya menuju tempat tujuan. Secara umum, serat optik terdiri dari tiga lapisan: inti(core) inti(core),kulit ,kulit(cladding) (cladding),, dan coating atau buffer (pelindung). Penampang
sebuah serat Gambar 1.
optik
ditunjukkan
pada
Gambar 1 Penampang serat optik
Core merupakan tempat perambatan cahaya sedangkan cladding merupakan lapisan pemantul cahaya sehingga cahaya tidak keluar dari serat.Proses pemanduan cahaya berdasarkan pada prinsip pembiasan dari hukum Snellius. n1 sin i
n2 sin
r
(1) Atau bisa ditulis dengan, sin i sin r
n2 n1
(2) dengan:
θi = sudut datang terhadap garis normal θi = sudut bias terhadap garis normal n2 = indeks bias kulit (cladding) n1 = indeks bias inti (core) Dengan memvariasi sudut datang dari 0° hingga 90° akan diperoleh keadaan dimana sudut bias θr = 90°. Sudut datang semacam ini disebut sebagai sudut kritis (θK ).
Gambar 3 Serat optik single mode step index
Gambar 4 Serat optik multimode step index
Gambar 5 Serat optik multimode graded index
Gambar 2 Pembiasan cahaya pada serat optik
Apabila besar sudut bias θr = 90° disubtitusikan ke persamaan 2. maka Besar sudut kritis dapat dituliskan pada persamaan berikut: i
Turunnya indeks bias dari inti ke kulit ditentukan oleh indeks profile. Pada step index, selisih indeks biasnya disimbolkan dengan , dengan:
n
2
1
2
n2 2
2n1
n sin 1 2 n1
K
(3) Maka apabila sudut datang melebihi sudut kritis dan indek bias lapisan cladding dibuat sedikit lebih kecil daripada core,akan memungkinkan cahaya mengalami pemantulan sempurna. Seperti yang terlihat pada gambar 2 pada ilustrasi perambatan cahaya warna hijau. Serat optik terdiri dari beberapa jenis, yaitu serat optik moda tunggal ( single mode)(Gambar 3) , serat optik moda jamak step indeks (multimode step index (Gambar 4), dan serat optik moda jamak graded indeks (multimode graded index)(Gambar 5). Jika perbedaan indek bias coredan cladding dibuat drastis disebut serat optik step indeks sedangkan jika perbedaan indek bias core dan cladding dibuat secara perlahan-lahan disebut graded index.
atau bisa dituliskan ;
n
1
n2 n
1
(4) Serat optik single mode hanya bisa dilalui oleh satu jenis cahaya dan memiliki core yang kecil menyebabkan cahaya merambat pada garis yang cenderung lurus sedangkan multimode memiliki core yang lebih besar dan membawa lebih dari satu jenis cahaya dengan frekuensi berbeda. Kelebihan dan kekurangan dari masingmasing jenis serat optik terlihat pada Tabel 2.1 Tabel 1. Kelebihan dan kekurangan jenis jenis serat optik Jenis Serat Kelebihan Kekurangan Optik Dispersi NA Single minimum kecil mode Bandwid Sulit step th Lebar untuk index terminasi Sangat
efisien Mahal Mudah Dispe Multim terminasi rsi lebar ode Kopling Band Step efisien width index minimum Murah Adapun untuk serat optik jenis multimode graded index memiliki kelebihan dan kekurangan diantara jenis single mode step index dan multimode step index.[1] Pembengkokan Bending yaitu pembengkokan fiber optik yang menyebabkan cahaya yang merambat pada fiber optik bervbelom arah transmisi dan hilang. Sebagai contoh, pada fiber optik yang mendapat tekanan cukup keras dapat menyebabkan ukuran diameter fiber optik menjadi berbeda dari diamete semula, sehingga mempengaruhi sifat transmisi cahaya di dalamnya.[2] Atenuasi akibat pembengkokan serat optik dapat dibedakan menjadi dua, yaitu pembengkokan makro (macro bending) dan pembengkokan mikro (micro bending). Kerugian akibat macro bending terjadi ketika sinar atau cahaya melalui serat optik yang dilengkungkan dengan jari-jari lebih lebar dibandingkan diameter serat optik sehingga menyebabkan kerugian. Sedangkan pembengkokan mikro (micro bending) terjadi karena ketidakrataan pada permukaan batas antara inti dan selubung secara acak atau random pada fiber optik karena proses pengkabelan ataupun ketika proses penarikan saat instalasi.[3] Hilangnya daya pada serat optik Energi atau daya yang dibawa oleh cahaya akan mengalami pelemahan (kerugian/loss) akibat terjadinya kebocoran atau kurangnya kejernihan bahan serat optik. Besaran pelemahan energi sinyal informasi darifiber optik yang biasa dinyatakan sebagai perbandingan antara daya pencaran awal terhadap daya yang diterima dinyatakan dalam deci-Bell (dB) disebabkan oleh 3 faktor yaitu absorpsi, hamburan
(scattering) dan bending losses. Gelas yang merupakan bahan pembuat fiber optik biasanya terbentuk dari silikon-dioksida (SiO2). Variasi indeks bias diperolah dengan menambahkan bahan lain seperti oksida titanium, thallium, germanium atau boron. Dengan susunan bahan yang tepat maka akan didapatkan atenuasi yang kecil. atenuasi menyebabkan pelemahan energi sehingga amplitudo gelombang yang sampai pada penerima menjadi lebih kecil dari pada yang dikirimkan oleh pemancar. Cahaya merambat sepanjang serat optik mengalami penurunan energi secara eksponensial terhadap jaraknya. Jika P(0) adalah tenaga oprik awal dalam serat (pada z=0), selanjutnya P(z) adalah tenaga optik setelah menempuh z, maka selanjutnya dinyatakan dengan rumus :
(5) (6)
merupakan koefisien atenuasi -1 satuannya km , z adalah panjang lintasan atau ketebalan serat optik yang digunakan untuk perjalanan sinar (gelombang elektromagnetik). Secara ringkas dalam perhitungan atenuasi dalam serat optik dinyatakan dengan decibel per kilometer (db/km). Secara matematis atenuasi dapat dirumuskan sebagai berikut :
(7)
dimana P1 merupakan besar daya masuk (ditransmisikan) dan P2 merupakan daya yang diterima.[1]
METODOLOGI Susunan peralatan dan bahan pada praktikum ini ditampilkan pada gambar berikut:
i
Fiber optik yang
t
dilengkungkan
f
multimeter
Laser disambungkan dengan poiwer supply kemudian disambungkan ke fiber optik. Fotodioda berfungsi sebagai sensor energi cahaya dari fiber optik yang kemudian terbaca pada multimeter sebagai tegangan. Tegangan saat fiber optik masih lurus diukur terlebih dahulu yang nantinya digunakan sebagai acuan. Variasi yang digunakan adalah variasi diameter lengkungan yaitu, 5 cm, 6 cm dan 7 cm. Selain itu, digunakan juga variasi jumlah lengkungan, yaitu 1 sampai 3 lengkungan. Tegangan pada tiap variasi diameter lengkungan diukur dengan jumlah lengkungan yang berbeda. Tegangan dari tiap variasi dibandingkan dan dihitung banding lossesnya dengan persamaan 7. Arus yang terbaca pada power supply adalah 11 A. ANALISA DATA Data yang diperoleh pada pecobaan ini ditampilkan pada tabel berikut: Tabel 2. Vout saat d=5 cm. Jumlah Vout (V) Vout rata2 (V) lilitan 241,5 1 241 241,25 239,6 239,9 2 239,9 239,80 235,5 235,5 3 235,4 235,70 236,2
Tabel 3. Vout saat d=6 cm Jumlah Vout (V) lilitan 237,3 1 237,3 238,3 230,3 2 229,1 229 238,3 3 238,5 238,4 Tabel 4. Vout saat d=7 cm. Jumlah Vout (V) lilitan 253,6 1 253,3 252,5 249,4 2 249,5 249,7 242,4 3 242,1 238,8
Vout rata2 (V)
237,73
229,47
238,40
Vout rata2 (V)
253,13
249,53
241,10
Bending losses dihitung dengan persamaan 7. Contoh perhitungan : P1=I1. V1 , P2=I2.V2 Karena I1=I2=11 A Maka Misal : V1=254,5 V2=241,25 Maka = log [254,5/241,25] = 0,02322 dB Hasil perhitungan selanjutnya ditampilakn oleh tabel berikut :
Tabel 7. Perhitungan Bending Losses Diameter Jumlah Vout Bending lengkungan lilitan Losses rata2 (cm) (V) (dB) 1 241,25 0,02322 5 2 239,80 0,02584 3 235,70 0,03333 1 237,73 0,02960 6 2 229,47 0,04497 3 238,40 0,02838 1 253,13 0,00234 7 2 249,53 0,00856 3 241,10 0,02349 PEMBAHASAN Percobaan ini menggunakan fiber optik yang dilengkungkan dengan variasi diameter kelengkungan dan jumlah lengkungan. Secara teori, bending losses berbanding lurus dengan jumlah lengkungan dan berbanding terbalik dengan diameter kelengkunga fiber optik. Jika fiber optik dilengkungkan, maka jarak tempuh cahaya yang terpandu akan semakin panjang. Losses (rugi daya) juga berbanding lurus dengan jarak tempuh cahaya yang melewati fiber optik. Secara struktural, saat fiber optik dilengkungkan, akan terjadi deformasi pada bagian yang dilengkungkan. Deformasi ini akan mengubah indeks bias bahan fiber optik. Fiber optik dibuat sedemikian rupa agar tidak ada energi yang hilang. Salah satu syaratnya adalah terjadi pemantulan sempurna di daam fiber optik. Pemantulan sempurna di dalam fiber optik ini terpenuhi jika indeks bias cladding sangat kecil dibandingkan indeks bias core fiber optik. Menurut hukum snellius, jika suatu berkas cahaya dilewatkan dari medim rapat(indeks bias besar) ke medium renggang(indeks bias kecil) maka cahaya akan menjauhi garis normal. Kita anggap bahwa cahaya datang dari core ke cladding . Jika indeks bias cladding jauh lebih kecil dari indeks bias core maka berkas cahaya akan dipantulkan kembali ke dalam core. Inilah yang disebut pemantulan sempurna di dalam fiber optik.
Jika fiber optik dilengkungkan, akan terjadi perubahan struktur dalam fiber optik. Core bagian luar akan semakin renggang hingga indeks bias bertambah kecil dan mendekati indeks bias cladding nya. Hal ini akan menyebabkan perubahan tatanan indeks bias yang seharusnya dimiliki oleh sebuah fiber optik. Perubahan struktur inilah yang menyebabkan terjadinya rugi daya. Jika jari-jari semakin diperkecil maka indeks bias core akan semakin mendekati cladding . Rugi daya pun semakin besar. Dan bila jumlah lengkungan ditambah, rugi daya juga semakin besar. (Tabel 7) merupakan hasil perhitungan banding losses dari tiap variasi. Bending losses diameter kelengkungan 7 cm lebih kecil dibandingkan 6 cm. Jika kita amati, semakin banyak jumlah lengkungan, bending losses juga semakin besar. KESIMPULAN Kesimpulan yang diperoleh dari percobaan ini adalah semakin besar diameter kelengkungan, bending losses semakin kecil. Dan semakin banyak jumlah lengkungan, bending losses semakin besar, begitu juga sebaliknya. DAFTAR PUSTAKA [1] Senior JM. (1992). Optical Fiber Communication. New Jersey. Prentice hall: Englewood Cliffs. [2] Farrell, G. (2002). Optical Communication System. Dublin: Institute of Technology. [3] Andre, PS. (2006). Modeling of Bend Losses in Single Mode Optical Fibers. Portugal: Aveiro University.
