serat optik

BAB I FIBER OPTIK DAN PROPAGASI CAHAYA

Komunikasi fiber optik telah memberikan dampak yang besar terhadap berbagai segi pengiriman data informasi, mulai dari lingkup ‘local area networks’(LAN) sampai teleko telekomun munika ikasi si antar antar benua benua. Fibe Fiberr opti optik k adal adalah ah suat suatu u medi mediaa tran transm smisi isi yang yang pemakaiannya sedang berkembang pesat. pes at. Hal ini karena media fiber optik memiliki keunggulan yang signifikan dibanding media transmisi kawat konvensional.

Keunggulan-keunggulan Keunggulan-keunggulan fiber optik dibandingkan dibandingkan kabel koaksial adalah : •

Mempunyai kapasitas yang besar hanya memerlikan sedikit fiber

•

Ukuran kecil dan ringan sehingga biaya instalasi kabel murah

•

Rugi transmisi rendah

•

Tahan gangguan elektromagnetik dan elektrik

Secara umum komunikasi fiber optik dapat dijelaskan sebagai berikut : Data Data yang yang akan akan diki dikirim rimka kan n dapa dapatt beru berupa pa analo analog g atau atau digi digita tal. l. Dalam Dalam siste sistem m pengiriman data

dalam system fiber optic maka data berasal dari elektrik akan

diub diubah ah dahu dahulu lu ke opti opticc oleh oleh sumb sumber er cahay cahayaa beru berupa pa LED, LED, Laser Laser Diod Diodaa (LD). (LD). Kemudian disambungkan dengan splices atau konektor dari fiber satu ke yang lain dan diterima oleh photodetektor bisa berupa PIN, APD (Avalance Photodioda) yang akan mengubah dari optik ke elektrik selanjutnya akan diubah ke data semula.

Gambar 1.1. Sistem Komunikasi Fiber Optik

Fiber optik dan propagasi cahaya

1

1.1.

Gelombang Elektromagnetik

Cahaya bukan saja hanya merupakan sinyal cahaya tampak saja, tetapi juga sebagai gelombang elektromagnetika lain yang tak tampak tetapi mempunyai sifat cahaya. Yaitu infra merah clan ultra ungu dengan rentang panjang gelombang antara 10-3 samapi 6x 10-10 m. Secara lebih rinci rentang panjang gelombang dan pembagian jenis gelombang elektromagnetik ini dapat dilihat pada Gambar (1.2).

Gambar 1.2. Spektrum Elektromagnetik untuk Telekomunikasi

Cahaya adalah gelombang elektromagnetik dimana dalam penggambaran sederhana dapat dilukiskan sebagai gelombang datar monokromatis. Suatu gelombang elektromagnetik yang yang terdiri dari medan listrik (E) dan medan magnet (B) dapat dinyatakan dalam persamaan berikut :

E = E 0 cos (kx − ω t )

… 1.1

cos (kx − ω t )

… 1.2

B

= B0

dengan Eo adalah amplitudo medan listrik (volt/meter), Bo adalah amplitudo medan


2

magnet (weber/m2 ). Hubungan antara Eo dan Bo dapat dilihat di persamaan (1.3) E 0 = Bo x C

… 1.3

dengan c adalah laju cahaya dalam ruang hampa yang memiliki nilai C = 3 x 10 8 meter

… 1.4

Cahaya sebagai gelombang datar mempunyai beberapa sifat penting yang berguna dalam mempelajari optoelektronika, yaitu: refleksi (pantulan) dan refraksi (pembiasan). Sifat ini terutama dipakai dalam pemanduan gelombang dalam fiber optik dan resonator laser. Peristiwa refleksi dan refraksi dapat dilihat pada gambar 1.3. Menurut hukum Snellius jika seberkas sinar masuk pada suatu ujung fiber optik (media yang transparan ) dengan sudut kritis dan sinar itu datang dari medium yang mempunyai indeks bias lebih kecil dari udara menuju inti fiber optik ( kuartz murni ) yang mempunyai indeks bias yang lebih besar maka seluruh sinar akan merambat sepanjang inti (core) fiber optik menuju ujung yang satu.

Gambar 1.3. Pemantulan dana pimbiasa cahaya yang terjadi di bidang batas antar dua media yang berbeda indeks bias.

Jika berkas cahaya melewat dua media yang memiliki indek bias berbeda nl dan n2, maka berkas sinar akan terpantul dengan sudut θi = θr dan terbias yang memenuhi


3

persamaan:

n1 sin θ i

= n2

sin θ t

… 1.5

Jika nilai θt pada persamaan (1.5) bernilai 90°, maka sudut θi = θc yang disebut dengan sudut kritis, dan berlaku:

sin θ c

=

Jika nilai

n 2 / n1

θ 1 ≥ θ c

… 1.6

, maka semua berkas sinar akan terpantul kembali. Hal ini disebut

dengan pantulan sempuma (total internal reflection) dan prinsip ini yang digunakan dalam sistem komunikasi fiber optik.

1.2. Fiber Optik 1.2.1. Tipe Fiber Optik

Fiber optik dapat diklasifikasikan berdasarkan struktur fiber optik yaitu:

•

Multimode Step index

Step index fiber optik adalah fiber optik yang mempunyai indek bias inti dan indek bias cladding yang seragam (uniform) tetapi indek bias lapisan lebih rendah dari indek bias inti sehingga pada batas antara inti dan lapisan terdapat penurunan indek bias yang berbentuk undak (step). Ilustrasi step indek multimode fiber seperti pada gambar 1.4.

Gambar 1.4. Step indek moda jamak


4

Total jumlah moda Mn naik seiring dengan naiknya Numerical Aperture (NA), Untuk jumlah moda yang besar dapat dihitung dengan :

M N

=

V 2

… 1.7

2

dimana frekuensi normal atau jumlah V adalah hubungan antara ukuran fiber, sudut datang dan panjang gelombang.

V = [ ( 2 xπ xa ) / λ ] xN . A V

=

[ ( 2 xπ xa ) / λ ] xn1 x( 2 x∆) 1 / 2

… 1.8

dimana a adalah jari-jari inti fiber, λ pajang gelombang, n 1 indek bias inti , ∆ perbedaan indek bias relative

Tabel 1-1. Karakteristik fiber optik mode jamak (multi mode) [1]

a. Single Mode (Moda tunggal) step indek

Energi cahaya dalam mode tunggal dikonsentarasikan hanya pada satu mode. Hal ini dapat dilakukan dengan cara mereduksi ∆ dan / atau diameter inti dimana jumlah V mempunyai nilai kurang dari 2,4.

Tidak ada disperse intermodal yang keluar dari fiber optik moda tunggal karena hanya ada satu moda. Karakteristik fiber optik moda tunggal :


5

-

rugi-ruginya kecil

-

kecepatan data tinggi dan attenuasinya rendah

-

biayanya mahal

Tabel 1-2. Parameter fiber optik mode tunggal (single mode) [1]

Gambar 1.5. Fiber moda tunggal

•

Graded index

Fiber optik yang mempunyai indek bias sebagai fungsi koordinat radial R :

n(r ) = n1

×

{1 − [2 × ∆ × ( r / a) ]}

2 1/ 2

… 1.9

Dimana r adalah jari-jari inti, a adalah total jarak dari inti, n1 adalah indek bias inti, n 1 adalah indek bias cladding, n r adalah indek bias antara inti dan cladding, ∆ perbedaan indek bias relative

Jumlah mode dari graded indek (parabolic) fiber adalah setengah dari step indek dari fiber:

M N

= V

2

/4

… 1.10

Dispersi dari graded indek


6

∆t =

( Lxn x∆ ) /( 8 xc) 2

… 1.11

1

dimana L adalah panjang kabel fiber n1 adalah indek bias inti ∆

perbedaan indek bias relative

c adalah kecepatan cahaya

Gambar 1.6. Fiber dengan graded indek

1.3. Karakteristik Fiber Optik

Karakteristik fiber optik tergantung dari komposisi yang spesifik material, bentuk dan ukuran dari fiber optik. Seperti komposisi fiber optik yang terbuat dari gelas, diameter, indek bias fiber optik semua berhubungan langsung dengan unjuk kerja (performance) fiber optik.

1.3.1.

Rugi-rugi fiber optik

Rugi-rugi daya dari fiber optik dapat dilihat pada gambar 1.6. Dimana P in daya yang masuk ke fiber optik dan P out daya yang keluar dari fiber optik. Rugi-rugi daya dapat didefinisikan sebagai berikut :

Loss

=

P out

… 1.12

P in

Bila menggunakan logaritmit, dan satuannya decibel maka


7

Loss

dB

= 10 × log

( P out / P in )

… 1.13 Pout

Pin

Gambar 1.6. Fiber dengan daya masuk Pin dan daya keluar Pout

Contoh Soal: Sebuah fiber dengan panjang 100 m mempunyai daya input 10 μW dan daya output 9 μW. Hitung rugi-rugi dalam dB/km

Solusi : Pout/Pin (dB) = 10 x log (9/10) = -0,458 dB. Karena rugi-ruginya pada 100m=0,1 km, maka 1 km -0,457 x (1/0,1)= -4,58 dB/ km

Rugi-rugi ini akan naik bila panjang dari fiber optik juga bertambah maka dapat dinyatakan dalam decibel per kilometer ( Loss per kilometer )

Tiga macam rugi-rugi cahaya dalam fiber optik: a. Rugi-rugi material. b. Hamburan (Scattering) c. Rugi-rugi lekungan (Waveguide)

Semua rugi-rugi ini tergantung dari panjang gelombang. Pemilihan panjang gelombang yang yang tepat pada saat beroperasi dapat meminimalkan rugi-rugi tersebut.

a. Rugi-rugi material


8

Penyerapan (absorption) yang disebabkan material yang berhubungan dengan struktur molekul dari material yang nilainya relative kecil. Sebagai contoh kaca germanium-silikon mempunyai rugi-rugi kurang dari 0,1 dB/km dengan λ antar 0,8 dan 1,6 μm. Hal ini mendekati nol untuk λ mendekati 1,3 μm. Bisa juga disebabkan oleh impurity dari material.dapat dikurang dengan dalam proses pembuatan bahan. Rugi-rugi terbesar disebabkan oleh ion OH. Hal ini tidak dapat dikurangi seperti impuritas pada besi yang dapat diabaikan. Impuritas Oh menyebabkan rugi-rugi yang berhubungan dengan dengan panjang gelombang. Rugi-rugi paling jelas adalah 4 dB/km terjadi pada λ = 1,4 μm. Untuk konsentrasi impurity 1ppm. Gambar 1.7. Konsentrasi OH mencapai tertinggi. Ada tiga rugi-rugi terbesar terjadi pada panjang gelombang 0,93 μm ; 1,25 μm 1,4 μm.

Gambar 1.7 Rugi-rugi fiber pada spektrum 0,7-1,6 μm

b. Hamburan ( Scattering )

Cahaya yang terhamburkan akibat ada halangan yang diakibatkan oleh bervariasinya kerapatan material yang menyebabkan berubahnya indek bias. Rugi-rugi ini berhubungan dengan rugi-rugi daya. Ketika indek bias terjadi halangan bervariasi dimana molekul dalam ukuran, rugi-rugi daya berhubungan dengan hamburan


9

rayleigh. Besarnya hamburan Rayleigh ini berbanding terbalik dengan pangkat empat dari pangjang gelombang cahaya yaitu : 1/ λ 4 . Sehingga dapat disimpulkan untuk lamda kecil, hamburan Rayleigh besar dan sebaliknya. Sebagai contoh pada panjang gelombang 1,8 μm, rugi-rugi rayleigh untuk tipe fiber gelas adalah 0,1 dB/km. Gambar 1.7 memperlihatkan efek dari rugi-rugi hamburan rayleigh.Pada gambar 1.8 memperlihatkan hamburan yang disebabkan oleh penghalang yang besar dan lekukan (macrobend).

Gambar 1.8. Hamburan akibat penghalang yang besar

c. Wave guide dan Mikrobending

Rugi-rugi ini disebabkan oleh bervariasi struktur menyebabkan radiasi kesegala arah di dalam fiber optik.Gambar 1.9. memperlihatkan radiasi yang disebabkan perubahan diameter , dimana sudut dating pada struktur daripada sudut kritisnya, sehingga cahaya yang memantul akan meninggalkan fiber optik ( garis benda padat).

Gambar 1.9. Radiasi yang disebabkan radiasi yang berubah.

Mikrobending yaitu pembengkokan fiber optik untuk memenuhi persyaratan ruangan. Namun pembengkokan dapat pula terjadi secara tidak sengaja seperti misalnya fiber optik yang mendapat tekanan cukup keras sehingga cahaya yang merambat di dalamnya akan berbelok dari arah transmisi dan hilang. Hal ini menyebabkan terjadinya rugi-rugi. Fenomena ini dapat dilihat pada gambar 1.10.

Fiber optik dan propagasi cahaya 10

Gambar 1.10. Rugi-rugi mikrobending

1.3.2. Dispersi

Dispersi dapat digunakan untuk mendiskripsikan pulsa broadening akibat dari fiber. Output pulsa yang dihasilkan lebih lebar dari input pulsa yang disebabkan oleh ponomena propagasi selama melintasi fiber.Fenomena ini dapat dilihat pada gambar 1.11.

Gambar 1.11. Pulsa broadening

Secara praktis lebar pulsa input t pi dan lebar imput pulsa t pi dimana t pi lebih besar dari t pi . Dispersi dapat didefinisikan sebagai berikut :

∆t =

(t

p 2

2

− t p1

)

2 1/ 2

… 1.14


Satuan dispersi dalam waktu seperti nanoseconds, atau picoseconds Total

dispersi tergantung dari panjang fiber, karena fiber

yang panjang

mengakibatkan broadening . Secara umum persamaan untuk menghitung total dispersi :

∆t = Lx ( dispersi / km )

… 1.15

dimana ∆t adalah dispersi fiber, L adalah panjang fibar (km)

Kategori dispersi secara umum terbagi menjadi dua yaitu dispersi intermodal dan dispersi intramodal.

a. Dispersi Intermodal Dispersi intermodal dihasilkan dari gelombang merambat pada moda-moda. Karena adanya dispesi antar moda maka menyebabkan perbedaan dalam perambatan gelombang dalam waktu untuk moda-moda yang berbeda. Untuk mengerti tipe dari disperse maka harus memahami tipe propagasi dalam fiber seperti pada gambar 1.12 (a).Sudut kritis (θc) pada moda propagasi dan sudut nol pada moda propagasi yang lain (moda nol). Pulsa dari cahaya akan merambat sepanjang gelombang dikedua moda tersebut.

Untuk moda nol, waktu yang ditempuh akan minimal dapat dinyatakan dalam persamaan :


(a)

(b) Gambar 1.12. Pelebaran pulsa cahaya karena dispersi intermodal

t d 0

t d 0

= L( n1

= L /(c / n1 )

/ c) (delay propagasi minimum)

… 1.16

dimana L adalah panjang dari fiber, n1 adalah indek bias inti dan c/n1 adalah kecepatan dari cahaya dalam fiber. Untuk cahaya yang bergerak di sudut kritis θc maka delaynya akan maksimal dinyatakan dalam persamaan berikut :

t dc

= ( L / cos θ c ) /(c / n1 )

t dc

= ( L × n1 ) /(cos θ c × c )

(delay propagasi maksimum)

… 1.17

Perbedaan antara delay minimal td0 dan delay maksimum t dc digunakan oleh energi pulsa untuk meninggalkan fiber optik. maka didapatkan lebar pulsa sebagai berikut :

∆t = t dc − t d 0

[(

) ] [(

)

∆ t = L × n1 / c × n1 − n 2 / n 2

]

… 1.18


dimana n1 adalah indek bias inti dan n 2 indek bias cladding. Pada gambar 1.12 (b) mereprentasikan tdc, td0 dan Δt

Karena perbedaan indek bias relatif Δ= (n1-n2)/n1 maka

∆t = ( L × n1

/ c) × ∆

… 1.19

dalan bentuk Numerical Aperture (NA) 2

∆t =

( L × ( NA) ) /(2 × n1 × c)

… 1.20

atau

∆t / L =

2

… 1.21

( NA) /(2 × n1 × c)

dimana Δt adalah pulsa broadening dan Δt/L adalah broadening per unit panjang fiber.

b. Dispersi Intramodal Contoh soal : Dispersi intramodal dihasilkan dari gelombang merambat yang terdiri sebuah grup Pulsa berjalan ditransmisikan dengan fiber optik sepanjang 400m yang frekuensi. Hal ini berhubungan dengan lebar panjang gelombang Δλ . Total dispersi mempunyai indek bias inti 1,4 dan indek bias cladding 1,36. Gambar output laser dapat dihitung dengan : dari

1. kecepatan laser 10.106 pulsa per detik (10Mb/s)

[

2

2

]

1/ 2

t t 2 ) +6 pulsa = ( ∆ t 1 ) laser + ( ∆20.10 ... 2. ∆kecepatan per detik (20Mb/s) tot

… 1.22

Hitung juga dispersi perkilometer. Asumsikan bahwa setip input pulsa adalah nol.

Solusi:

Dihitung nilai NA: NA = (n1-n2)/n1 = (1,6-1,35) /1,6 = 0,1567 Δ = ( n12- n22 ) / (2 x n12 ) = (1,4 -1,36 ) ( 2 x 1,4) = 0,02816 Δt untuk panjang 400 m Δt = ( L x n 1/c) x Δ = [( 400 x 1,4) / ( 300 x 106 )] xoptik 52,6 ns. Fiber dan propagasi cahaya 14 Maka disperse/km dari fiber 52,6 /0,4 = 131,4 ns /km

Contoh Soal :

Sebuah fiber mempunyai spesifikasi sebagai berikut : Dispersi Intermodal

5 ns/km

Intramodal

100 ps / (km x nm)

Lebar panjang gelombang

40 nm

Panjang fiber

5 km

1. Hitung total dispersi intermodal 2. Hitung total dispers intramodal 3. Total disperse

Solusi :

1. Dispersi intermodal = 5 (ns/km) x 5 km =25 ns 2. Setiap Namometer dari panjang gelombang, dimana ada 100 ps/km. Untuk Δλ = 40 nm, maka disperse intramodal 40 x 100 ps / km Untuk , total dispersi intramodal = 4 ns /km x 5 km =20 ns. 3. Total disperse dapat diestimasi Δttot= (252 + 202)1/2 = 32 ns


SOAL-SOAL

1. Hitunglah panjang gelombang, λ dalam meter untuk kasus berikut: a. Sinyal listrik dari gelombang suara yang memiliki frekuensi 3 KHz b. Gelombang pembawa radio WIN dengan frekuensi 1,010 MHz c. TV kanal 2 dengan frekuensi 57 MHz d. Kanal 36 VHF dengan frekuensi 605 MHz e. Sinyal inframerah jauh dengan frekuensi 1,00 GHz f. Sinyal inframerah dengan frekuensi 0,35 × 1015 Hz g. Sinar kuning dengan frekuensi 0,5 × 1015 Hz

2. Temukan kecapatan cahaya dalam media berikut a. Silica padat, n = 1,46 b. Polystyrene, n = 1,6 c. Sapphire, n = 1,8 d. Silikon, n = 3,5

3. Sebuah berkas cahaya diluncurkan ke dalam serat optik yang terbuat dari bahan quart. Panjang kabel 500 m. Berapa lama cahaya akan merambat di dalam serat, anggap bahwa cahaya merambat dalam serat dengan lintasan lurus sejaja sumbu serat optik.


serat optik

Recommend Documents