Prosiding SENTIA 2009 – Politeknik Negeri Malang
ANALISIS SISTEM KOMUNIKASI FIBER OPTIK SINGLE MODE Waluyo Pengajar Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Malang Email:
[email protected] ABSTRAK Salah satu media transmisi yang digunakan dalam sistem multimedia adalah fiber atau serat optik. Sistem komunikasi serat optik memanfaatkan gelombang cahaya (ligthwave) sebagai pembawa (carrier), untuk itu diperlukan komponen optik yang mampu mengubah sinyal elektrik menjadi sinyal optik dan sebaliknya. Komponen optik yang dimaksud adalah sumber cahaya dan detektor cahaya. Sumber cahaya yang banyak digunakan untuk komunikasi serat optik adalah Ligth Emitting Diode (LED) dan Injection Laser Diode (ILD). Sedang serat optik yang lazim digunakan adalah jenis single-mode. Untuk detektor cahaya yang banyak dipakai adalah dioda-foto p-i-n dan dioda-foto avalanche. Komponenkomponen optik tersebut dapat dikombinasikan satu dengan yang lain untuk mendapatkan bandwidth, bit rate, dan jarak jangkau yang diharapkan. Berdasarkan hasil perhitungan, komponen optik LED-PIN memiliki jarak jangkau maksimum 33,3 km, pada jarak transmisi 5 km mampu menghasilkan bandwidth 43,95 MHz dan bit rate 61,53 Mbps. Sedangkan komponen optik LED-APD memiliki jarak jangkau maksimum 13,3 km, pada jarak transmisi 5 km mampu menghasilkan bandwidth 43,91 MHz dan bit rate 61,48 Mbps. Untuk komponen optik ILD-PIN memiliki jarak jangkau maksimum 51,3 km dan pada jarak transmisi 5 km mampu menghasilkan bandwidth 529,95 MHz dan bit rate 830,13 Mbps. Kombinasi komponen optik ILD-APD memiliki jarak jangkau maksimum 31,3 km, pada jarak transmisi 5 km mampu menghasilkan bandwidth 525,69 MHz dan bit rate 735,96 Mbps. Dari data tersebut dapat disimpulkan bahwa kombinasi komponen optik ILD-PIN memiliki jarak jangkau maksimum paling jauh dan mampu menghasilkan bandwidth dan bit rate terbesar. Kata kunci : Fiber optik single mode, komponen optik, bandwidth, bit rate
Pendahuluan
errror) pada deteksi sinyal informasi yang diterima, serta membatasi bit rate (laju bit) dan bandwidth.
Fiber optik sebagai media transmisi untuk mendukung layanan informasi dan system multimedia. Hal ini disebabkan fiber optik mempunyai beberapa keunggulan dibandingkan media transmisi yang lain, antara lain : 1. 2.
Mempunyai bandwidth yang lebar, mencapai beberapa orde gigahertz. Memiliki
3.
Informasi yang ditransmisikan sulit
Untuk mengantisipasi dan meminimalkan kerugian yang ditimbulkan oleh keterbatasan serat optik, maka sebelum menggunakan serat optik sebagai media transmisi, sebaiknya dibuat suatu perencanaan yang baik terlebih dahulu, terutama dalam memilih komponen optik, sehingga pada akhirnya akan diperoleh informasi sesuai dengan yang diharapkan. Perkembangan teknologi fiber optic di tunjukkan pada gambar 1
disadap. Disamping mempunyai keunggulan, serat optik juga memiliki keterbatasan seperti : adanya rugi-rugi, terjadi pelebaran pulsa optik (dispersi), sulit melakukan penyambungan. Rugi-rugi yang timbul akan menyebabkan penurunan daya, sedangkan pelebaran pulsa optik dapat menimbulkan interferensi antar simbol (Intersymbol Interference, ISI), kesalahan bit (bit
J-1
Prosiding SENTIA 2009 – Politeknik Negeri Malang
Gambar 1 Perkembangan Teknologi Fiber Optik Rumusan Masalah
Jenis-jenis Serat Optik
Berdasarkan latar belakang yang ada, maka rumusan masalah ditekankan pada :
Ada beberapa cara untuk mengklasifikasikan serat optik, yaitu berdasarkan profil indeks bias inti dan jumlah mode yang ditransmisikan. Profil indeks bias inti menggambarkan indeks bias inti serat optik. Berdasarkan profil indeks bias inti, serat optik dibedakan menjadi : 1. Serat step-index Serat optik ini mempunyai indeks bias inti yang seragam (uniform) dan mempunyai profil indeks bias yang menurun secara mendadak pada batas antara inti dan selubung. Hubungan antara indeks bias inti (n1) dan indeks bias selubung (n2) dinyatakan dalam persamaan berikut (Keiser, 1991) :
1. Bagaimana memilih komponen optik yang menunjang sistem komunikasi serat optik single-mode point-to-point kanal tunggal 2. Bagaimana pengaruh komponen optik terhadap kinerja sistem komunikasi serat optik single-mode point-to-point kanal tunggal, ditinjau dari : a. bandwidth dan bit rate untuk jarak tertentu b. jarak jangkauan maksimum
Tujuan
S
Mengkaji dan menganalisa kinerja sistem komunikasi serat optik single-mode point-to-point kanal tunggal. Hasil kajian tersebut dapat diharapkan digunakan sebagai bahan pertimbangan dalam perencanaan sistem komunikasi serat optik .
n1 n 2 n1
dimana : S = perbedaan indeks bias relatif pada serat step-index 2. Serat graded-index Serat optik ini mempunyai indeks bias inti yang beru
n1 g
KONFIGURASI SISTEM KOMUNIKASI SERAT OPTIK
dimana :
Rangkaian Pengendali
Receiver
Sinyal Optik
Sumber Cahaya
Detektor Cahaya Serat Optik
Sinyal masukan elektrik
n2
2n1
2
2
= perbedaan indeks bias relatif pada
serat graded-index Berdasarkan jumlah mode yang ditransmisikan, serat optik step-index dan gradedindex dibagi menjadi dua, yaitu : a) Serat single-mode, yaitu serat optik yang hanya mampu merambatkan satu jenis mode gelombang cahaya. b) Serat multi-mode, yaitu serat optik yang mampu merambatkan lebih dari satu mode gelombang cahaya. Dari uraian di atas, maka serat optik diklasifikasikan menjadi 3 jenis seperti terlihat pada gambar 3.
Suatu sistem komunikasi pada umumnya terdiri atas transmitter, media transmisi, dan receiver. Pada sistem komunikasi serat optik, komponen utama transmitter adalah sumber cahaya, media transmisi yang digunakan adalah serat optik, dan komponen utama receiver adalah photodiode. Secara garis besar konfigurasi sistem komunikasi serat optik ditunjukkan oleh gambar 2
Transmitter
g
2
Pemulih Sinyal Penguat Keluaran sinyal elektrik
Gambar 2 Konfigurasi Sistem Komunikasi Serat Optik *) *(Keiser, 1991 : 5) J-2
Prosiding SENTIA 2009 – Politeknik Negeri Malang
Profil Indeks
n2
Penampang serat dan lintasan sinar
n1
b) Dispersi Pandu Gelombang Dispersi pandu gelombang terjadi akibat dari karakteristik perambatan pulsa sebagai fungsi perbandingan antara jari-jari inti serat optik dan struktur pandu gelombang. Dispersi pandu gelombang mempunyai persamaan sebagai berikut (Lee, 1986) :
Ukuran Khas
125 m (Selubung)
2a
8 - 12 m (Inti)
Serat M onomode Step - index
W n2
125 - 400 m
n1
(Selubung)
dengan : = dispersi pandu gelombang ( ns ) W D = panjang serat optik ( km ) c = cepat rambat cahaya ( 3 . 108 m/s ) = panjang gelombang yang ditransmisikan ( nm ) DW = koefisien dispersi pandu gelombang
50 - 200 m
2a
(Inti)
Serat M ultimode Step - index n2
125 m
n1
(Selubung)
r=a r
r=0
D DW . c.
50 m (Inti)
Serat M ultimode Graded - index
Gambar 3 Jenis-jenis Serat Optik
v =
2
= frekuensi ternormalisasi
a.n1 2
s
=lebar spektrum sumber cahaya
Dispersi Intramodal ( nm ) Dispersi intramodal adalah pelebaran pulsa yang terjadi pada masing-masing pulsa (mode) yang ditransmisikan, akibat dari kecepatan grup (group velocity) sebagai fungsi panjang gelombang. Dua penyebab utama dispersi intramodal adalah dispersi bahan (material dispersion) dan dispersi pandu gelombang (waveguide dispersion) (Keiser, 1991).
Dispersi Intermodal Sumber cahaya memancarkan pulsa cahaya yang berisi sejumlah pulsa identik (mode). Pulsa identik tersebut memiliki panjang gelombang yang berbeda-beda, yang terentang dalam spektrum panjang gelombang. Perbedaan panjang gelombang menunjukkan adanya perbedaan kecepatan, sehingga waktu yang dibutuhkan oleh masing-masing pulsa untuk mencapai ujung serat optik akan berbeda. Bila pulsa-pulsa tersebut dijumlahkan, maka akan dihasilkan pulsa yang melebar. Pelebaran pulsa optik ini disebut dengan dispersi intermodal ( im. Dispersi intermodal tidak terjadi pada serat singlemode.
a) Dispersi Bahan Indeks bias bahan serat optik berubah terhadap perubahan panjang gelombang. Berdasarkan hubungan antara kecepatan gelombang (v) dan indeks bias (n) yang dapat ditulis dengan :
v
c n
maka kecepatan gelombang juga berubah terhadap perubahan panjang gelombang. Sifat perubahan kecepatan yang disebabkan oleh sifat bahan disebut dispersi bahan (Sri Widodo, 1995 : 11). Dispersi bahan mempunyai persamaan sebagai berikut (Freeman, 1993) : .D.M m = dengan : = dispersi bahan ( ns ) m = lebar spektrum sumber cahaya (nm ) D = panjang serat optik ( km ) M = koefisien dispersi bahan(ps/(nm .km ))
c) Total Dispersi Pada setiap panjang gelombang, total dispersi adalah kombinasi rms (root mean square) dari ketiga dispersi tersebut di atas, yaitu : dispersi bahan, dispersi pandu gelombang, dan dispersi intermodal. Total dispersi diberikan dengan persamaan (Roddy Coolen, 1990 : 762) f
Dengan : f = total dispersi (ns)
J-3
w
m
im
Prosiding SENTIA 2009 – Politeknik Negeri Malang
dengan mempertimbangkan kemungkinan rugi-rugi yang timbul dalam pentransmisian sinyal. Secara lengkap analisis daya tersebut adalah (Hoss, 1990 : 265) :
Kinerja Sistem Komunikasi Serat Optik a) Link Bandwidth Budget Respon dari suatu komponen atau sistem dapat dikarakteristikan dalam domain waktu dengan istilah rise-time atau dalam domain frekuensi dengan istilah bandwidth. Pola rise-time lebih sering digunakan dalam analisis dibandingkan dengan pola bandwidth. Rise-time dari suatu sistem adalah waktu yang diperlukan output untuk meningkatkan respon dari 10% menjadi 90% ketika input diubah secara tiba-tiba (Killen, 1991). Total rise-time pada sistem komunikasi serat optik meliputi rise-time sumber cahaya, rise-time serat optik, rise-time detektor cahaya. Rise-time sumber cahaya dan rise-time detektor cahaya umumnya telah diketahui dari perencanaan sistem, sedangkan rise-time serat optik merupakan konstribusi dispersi yang terjadi pada serat optik tersebut. Total risetime dari komponen-komponen sistem komunikasi serat optik dinyatakan dengan persamaan (Hoss, 1990) :
sis
dengan sis r
1,1
2
2
r
D
total rise-time sistem (ns) rise-time detektor cahaya
=
rise-time sumber cahaya
=
total dispersi serat optik
M
Pp
Nc lc
N s ls
lf
Bila jarak pentransmisian sinyal cukup jauh, maka rugi-rugi yang timbul akan semakin besar. Rugirugi yang besar akan menyebabkan kebutuhan daya pancar meningkat. Namun terkadang kebutuhan daya pancar tersebut tidak dapat terpenuhi karena keterbatasan sumber cahaya. Untuk itu digunakan penguat optik atau repeater.
f
: = =
MDP
dengan : D = jarak jangkau maksimum (km) MDP= daya optik minimum yang terdeteksi (dBm) M = rugi-rugi batas (dB) Pp = kompensasi daya (dB) Nc = jumlah konektor lc = rugi-rugi konektor (dB) Ns = jumlah sambungan ls = rugi-rugi sambungan (dB) lf = rugi-rugi dalam serat optik (dB)
2
s
Pt
(ns) s
c) Rugi-rugi Total Penjumlahan rugi-rugi yang terjadi sepanjang link transmisi serat optik diberikan oleh (Hoss, 1990) : L = Lpt + Lpr + NcLc + NsLs + DLf dengan : Nc = jumlah konektor Lc = rugi-rugi konektor (dB) Ns = jumlah sambungan Ls = rugi-rugi sambungan (dB) D = panjang serat optik (km) Lf = rugi-rugi dalam serat optik (dB)
(ns) f
(ns) Hubungan antara total rise-time sistem dengan bandwidth sistem diberikan dengan persamaan (Palais, 1988) :
f3
dB
1
BW sis
2
sis
Hubungan antara total rise-time sistem dengan bit rate sistem (BRsis) tergantung dari format sinyal digital. 1.Format pengkodean Return-to-Zero (RZ)
BR sis
0,35
Untuk analisis system komunikasi serat optik, komponen data yang digunakan sebagai berikut :
sis
2.Format pengkodean Non Return- to-Zero (NRZ)
BR sis
0,7
Spesifikasi sumber cahaya (Hoss, 1990 : 90)
sis
b) Link Power Budget Analisis daya dimaksudkan untuk mengetahui jarak maksimum antara dua titik terminal pada sistem komunikasi serat optik (sumber cahaya dan detektor cahaya). Jarak jangkau maksimum sumber optik dapat dihitung
1). Jenis: Ligth Emitting Diode (LED) Bahan :
GaInAsP
Panjang gelombang ( ) : 1,3 m
J-4
Prosiding SENTIA 2009 – Politeknik Negeri Malang
Lebar spektrum (
)
:150 nm
Daya keluaran (Pt )
:-15 dBm
Spesifikasi konektor (Hoss, 1990 : 120)
Waktu jangkit ( s)
: 10 ns
Jenis
:
Biconic
Rugi-rugi konektor (Lc):1,3 dB 2.Jenis :
Injection Laser Diode (ILD)
Bahan :
GaInAsP
Spesifikasi umum
Panjang gelombang ( ) :1,3 m
Jarak transmisi
Lebar spektrum (
:5 nm
Jumlah sambungan (Ns) : 5 buah
Daya keluaran (Pt)
:-6 dBm
Rugi-rugi sambungan (ls): 0.15 dB
Waktu jangkit ( s)
:0,7 ns
Rugi-rugi batas (Mb) :
6 dB
Kompensasi daya (Pp ) :
1 dB
)
:
5 km
Spesifikasi serat optik (Hoss, 1990 : 106) Jenis
:
Indeks bias inti (n1)
Contoh perhitungan waktu jangkit, bandwidth, bit rate dan jarak jangkau maksimum dari sistem komunikasi serat optik menggunakan kombinasi komponen LED-PIN.
Single-mode : 1,465
Indeks bias selubung (n2): 1,46 1. Jari-jari inti (a)
m
Rugi-rugi (lf)
Perhitungan dispersi bahan
: 4,5 m =
.D.M
:0,5 dB/km =
150 nm . 5 km . 3,5 ps/nm.km
=
2625 ps
=
2,625 ns
Koefisien dispersi bahan (M):3,5 ps/nm/km
2.
Perhitungan dispersi pandu
Spesifikasi detektor cahaya (Hoss,1990 : 75) gelombang 1.Jenis :Positiv Intrinsic Negativ (PIN) Bahan
:
n1
InGaAS s
MDP
:
n2 n1
=
-42 dBm
Waktu jangkit ( r) : 0,3 ns
=
1,465 1,46 1,465
=
3, 412969283 . 10-3
2.Jenis :Avalanche Photodiode (APD) Bahan
:
InGaAS
MDP
:
-32 dBm
v
Waktu jangkit ( r) : 0,5 ns J-5
=
2
a . n1
2
s
Prosiding SENTIA 2009 – Politeknik Negeri Malang
=
=
2 .3,141592654 4,5 m .1,465 2 .3,412969283 .10 1,3 m
3
1,1
0,3
2
= =
4 1
Dw =
2,631026268
2
11,37914241 ns
4 1
Perhitungan bandwidth sistem
ln v v2
=
BWsis=
ln 2,632496741 2,632496741 2 =
0,018509143
D n1 c
=
n2 Dw .
1 2
sis
1 2 .11,37914241ns =
w
2
2,632496741
5.
=
10
43,940042 MHz
6. Perhitungan bit rate sistem
=
5 km 1,465 3.10 8 . 1,3 m
3.
1,46 0,018509143 .150 nm
=
1,779725288.10-10 s
=
0,177972529 ns
0,7
BRsis=
sis
=
0,7 11,37914241ns
=
61,516059 Mbps
Perhitungan total dispersi serat optic SD=
Pt f
2
=
2
w
im
4.
2
2,625
2
15 dBm
42 dBm
2,631026268 ns
Perhitungan waktu jangkit sistem
sis
=
1,1
Pp
N c lc
N s ls
=
=
=
M lf
2
m
0,177972529
MDP
2 r
2 s
2 f
J-6
6 dB 1dB 0,5 dB / km
=
16,65 km 0,5
=
33,3 km
2 .1,3 dB
5. 0,15 dB
Prosiding SENTIA 2009 – Politeknik Negeri Malang
Analisis Sistem Hasil perhitungan simulasi software untuk beberapa komponen fiber optic sebagai berikut :
Gambar 6.Tampilan Preview Untuk Komponen Optik LED-APD Gambar 4 Hasil perhitungan beberapa Komponen Optik Dari data pada tampilan preview di atas dapat diketahui bahwa sistem komunikasi serat optik single-mode point-topoint kanal tunggal menggunakan kombinasi komponen optik ILD-PIN memiliki bandwidth dan bit-rate paling tinggi dibandingkan dengan sistem komunikasi serat optik single-mode point-to-point kanal tunggal menggunakan kombinasi komponen optik LED-PIN, LED-APD, dan ILD-APD. Hal ini karena ILD mempunyai daya keluaran yang lebih besar dan waktu jangkit yang lebih kecil dibandingkan LED, serta PIN yang mempunyai waktu jangkit lebih kecil dibandingkan APD.
Gambar 7 Tampilan Preview Untuk Komponen Optik ILD-PIN
Gambar 5. Tampilan Preview Untuk Komponen Optik LED-PIN
J-7
Prosiding SENTIA 2009 – Politeknik Negeri Malang
4)
DAFTAR PUSTAKA Anonymous. tanpa tahun. Pengantar Teknologi Serat Optik, PT. Gunaputra. Freeman, George L. 1991. Telecommunication Transmission Handbook, Third Edition. New York : John Wiley & Sons, Inc. Hoss, Robert J. 1990. Fiber Optic Communication Design Handbook. Englewood Cliffs : Prentice-Hall International, Inc. Keiser, Gerd. 1991. Optical Fiber Communication. New York : McGraw-Hill Book Company. Killen, Harold B. 1991. Fiber Optic Communication, Second Edition. Englewood Cliffs : Prentice-Hall International, Inc. Ming-Kang Liu, Max. 1996. Principles and Applications of Optical Communication. New York : IRWIN McGraw-Hill Book Company. Palais, Joseph C. 1988. Fiber Optic Communication, Second Edition. Englewood Cliffs : Prentice-Hall International, Inc. Roddy, Dennis. & Coolen, John. 1991. Komunikasi Elektronika, Edisi Kedua. Jakarta : Erlangga. Sri Widodo, Thomas. 1995. Optoelektronika, Komunikasi Serat Optik. Yogyakarta : Andy Offset. Zanger, Henry. & Zanger, Cynthia. 1991. Fiber Optic Communication and Other Applications. Mac.millan Publishing Company
Gambar 8 Tampilan Preview Untuk Komponen Optik ILD-APD
Kesimpulan 1)
2)
3)
jangkau maksimum paling jauh dan mampu menghasilkan bandwidth dan bit rate terbesar. Pertambahan jarak transmisi akan menyebabkan peningkatan nilai dispersi serat optik. Hal ini akan membuat waktu jangkit sistem bertambah sehingga mengakibatkan penurunan bandwidth dan bit rate sistem.
Sistem komunikasi serat optik menggunakan komponen optik LED-PIN memiliki jarak jangkau maksimum 33,3 km dan pada jarak transmisi 5 km mampu menghasilkan bandwidth 43,95 MHz dan bit rate 61,53 Mbps. Kombinasi komponen optik LED-APD memiliki jarak jangkau maksimum 13,3 km dan pada jarak transmisi 5 km mampu menghasilkan bandwidth 43,91 MHz dan bit rate 61,48 Mbps. Komponen optik ILD-PIN memiliki jarak jangkau maksimum 51,3 km dan pada jarak transmisi 5 km mampu menghasilkan bandwidth 529,95 MHz dan bit rate 830,13 Mbps. Kombinasi komponen optik ILD-APD memiliki jarak jangkau maksimum 31,3 km dan pada jarak transmisi 5 km mampu menghasilkan bandwidth 525,69 MHz dan bit rate 735,96 Mbps. Dari data tersebut dapat diketahui bahwa komponen optik ILD-PIN memiliki jarak
J-8
Rentang
