BAB II DASAR TEORI. 2.1 Pengertian dan Serajah Serat optik

BAB II DASAR TEORI

2.1

Pengertian dan Serajah Serat optik Serat optik adalah saluran transmisi yang terbuat dari kaca atau plastik

yang digunakan untuk mentransmisikan sinyal cahaya dari suatu tempat ke tempat lain. Cahaya yang ada di dalam serat optik sulit keluar karena indeks bias dari kaca lebih besar daripada indeks bias dari udara. Sumber cahaya yang digunakan adalah laser karena laser mempunyai spektrum yang sangat sempit. Kecepatan transmisi serat optik sangat tinggi sehingga sangat bagus digunakan sebagai saluran komunikasi. Serat optik umumnya digunakan dalam sistem telekomunikasi serta dalam

pencahayaan,

sensor, dan

optik pencitraan. Efisiensi dari serat optik

ditentukan oleh kemurnian dari bahan penyusun gelas. Semakin murni bahan gelas, semakin sedikit cahaya yang diserap oleh serat optik. Pada tahun 1880 Alexander Graham Bell menciptakan sebuah sistem komunikasi cahaya yang disebut photo-phone dengan menggunakan cahaya matahari yang dipantulkan dari sebuah cermin suara-termodulasi tipis untuk membawa percakapan, pada penerima cahaya matahari termodulasi mengenai sebuah foto-kondukting selselenium, yang merubahnya menjadi arus listrik, sebuah penerima telepon melengkapi sistem. Photo-phone tidak pernah mencapai sukses komersial, walaupun sistem tersebut bekerja cukup baik. Penerobosan besar yang membawa pada teknologi komunikasi serat optik dengan kapasitas tinggi adalah penemuan Laser pada tahun 1960, namun pada tahun tersebut kunci utama di dalam sistem serat praktis belum ditemukan yaitu serat yang efisien. Pada tahun 1970 serat dengan loss yang rendah dikembangkan dan komunikasi serat

optik menjadi praktis (Serat optik yang digunakan berbentuk

silinder seperti kawat pada

umumnya,

terdiri

dari

inti

serat

(core)

yang

dibungkus oleh kulit (cladding) dan keduanya dilindungi oleh jaket pelindung

Universitas Sumatera Utara

(buffer coating). Ini terjadi hanya 100 tahun setelah John Tyndall, seorang fisikawan Inggris, mendemonstrasikan kepada Royal Society bahwa cahaya dapat dipandu sepanjang kurva aliran air. Dipandunya cahaya olehsebuah serat optik dan oleh aliran air adalah peristiwa dari fenomena yang sama yaitu total internal reflection. Teknologi serat optik selalu berhadapan dengan masalah bagaimana caranya agar lebih banyak informasi yang dapat dibawa, lebih cepat dan lebih jauh penyampaiannya dengan tingkat kesalahan yang sekecil-kecilnya. Informasi yang dibawa berupa sinyal digital, digunakan besaran kapasitas transmisi diukur dalam 1 Gb km/s yang artinya 1 milyar bit dapat disampaikan tiap detik melalui jarak 1 km [2]. Berikut adalah beberapa tahap sejarah perkembangan teknologi serat optik [2]: 1. Generasi pertama (mulai tahun 1970) Sistem masih sederhana dan menjadi dasar bagi sistem generasi berikutnya terdiri dari : a) Encoding : Mengubah input (misal suara) menjadi sinyal listrik. b) Transmitter : Mengubah sinyal listrik menjadi gelombang cahaya termodulasi, berupa LED dengan panjang gelombang 0,87µm. c) Serat Silika : Sebagai pengantar gelombang cahaya. d) Repeater : Sebagai penguat gelombang cahaya yang melemah di jalan e) Receiver : Mengubah gelombang cahaya termodulasi menjadi sinyal listrik, berupa foto-detektor f) Decoding : Mengubah sinyal listrik menjadi ouput (misal: suara) g) Repeater bekerja dengan merubah gelombang cahaya menjadi sinyal listrik kemudian diperkuat secara elektronik dan diubah kembali menjadi gelombang cahaya. h) Pada tahun 1978 dapat mencapai kapasitas transmisi 10 Gb.km/s. 2. Generasi ke-dua (mulai tahun 1981) a) Untuk mengurangi efek dispersi, ukuran inti serat diperkecil.


b) Indeks bias kulit dibuat sedekat-dekatnya dengan indeks bias inti. c) Menggunakan dioda laser, panjang gelombang yang dipancarkan 1,3µm. d) Kapasitas transmisi menjadi 100 Gb.km/s. 3. Generasi ke-tiga (mulai tahun 1982) a) Penyempurnaan pembuatan serat silika. b) Pembuatan chip diode laser berpanjang gelombang 1,55 µm. c) Kemurniaan bahan silika ditingkatkan sehingga transparansinya dapat dibuat untuk panjang gelombang sekitar 1,2 µm sampai 1,6 µm d) Kapasitas transmisi menjadi ratusan Gb.km/s. 4. Generasi ke-empat (mulai tahun 1984) a) Dimulainya riset dan pengembangan sistem koheren, modulasinya bukan modulasi intensitas melainkan modulasi frekuensi, sehingga sinyal yang sudah lemah intensitasnya masih dapat dideteksi, maka jarak yang dapat ditempuh dan kapasitas transmisinya ikut membesar. b) Pada tahun 1984 kapasitasnya sudah dapat menyamai kapasitas sistem deteksi langsung (modulasi intensitas). c) Terhambat perkembangannya karena teknologi piranti sumber dan deteksi modulasi frekuensi masih jauh tertinggal 5. Generasi ke-lima (mulai tahun 1989) a) Dikembangkan suatu penguat optik yang menggantikan fungsi repeater pada generasi-generasi sebelumnya. b) Pada awal pengembangannya kapasitas transmisi hanya dicapai 400 Gb.km/s tetapi setahun kemudian kapasitas transmisinya sudah menembus 50.000 Gb.km/s 6. Generasi ke-enam a) Pada tahun 1988 Linn F. Mollenauer mempelopori sistem komunikasi optik soliton. Soliton adalah pulsa gelombang yang terdiri dari banyak komponen panjang gelombang yang berbeda hanya sedikit dan juga bervariasi dalam intensitasnya.


b) Panjang soliton hanya 10-12 detik dan dapat dibagi menjadi beberapa komponen

yang

saling

berdekatan,

sehingga

sinyal-sinyal

yang

berupasoliton merupakan informasi yang terdiri dari beberapa saluran sekaligus (wavelength division multiplexing). c) Eksprimen menunjukkan bahwa soliton minimal dapat membawa 5 saluran yang masing-masing membawa informasi dengan laju 5 Gb/s. Kapasitas transmisi yang telah diuji mencapai 35.000 Gb km/s. d) Cara kerja sistem soliton ini adalah efek Kerr, yaitu sinar-sinar yang panjang gelombangnya sama akan merambat dengan laju yang berbeda di dalam suatu bahan jika intensitasnya melebihi suatu harga batas. Efek ini kemudian digunakan untuk menetralisir efek dispersi, sehingga soliton tidak melebar pada waktu

sampai

di

penerima (receiver).

Hal

ini

sangat

menguntungkan karena tingkat kesalahan yang ditimbulkannya amat kecil bahkan dapat diabaikan [2][3]. Sistem Komunikasi Serat Optik Serat optik memiliki keunggulan yang signifikan dibandingkan media transmisi kawat konvensional. Keunggulan tersebut antara lain adalah [2]: 1. Rugi transmisi rendah 2. Bandwidth lebar 3. Ukuran kecil dan ringan 4. Tahan gangguan elektromagnetik dan elektrik Sedangkan kerugian menggunakan serat optik sebagai media transmisi yaitu: 1. Konstruksi fiber optik lemah sehingga dalam pemakaiannya diperlukan lapisan penguat sebagai proteksi 2. Karakteristik transmisi dapat berubah bila terjadi tekanan dari luar yang berlebihan. 3. Tidak dapat dialiri arus listrik, sehingga tidak dapat memberikan catuan pada pemasangan repeater. Untuk itu biasanya serat optik digunakan untuk media transmisi sinyal digital. Untuk pemilihan serat optik memiliki pilihan single-mode atau multi-mode dan


pilihan antara step index atau graded index. Pemilihan ini tergantung jenis sumber cahaya yang digunakan dan besarnya dispersi maksimum yang diijinkan.Untuk sumber cahaya LED (Light Emitting Diode), biasanya digunakan serat multi-mode, meskipun LED jenis edge emitting bisa digunakan dengan serat single-mode dengan laju sampai 560 Mbps sepanjang beberapa kilometer.Untuk Laser dioda, bisa digunakan single-mode atau multimode.Serat single-mode mampu menyediakan produk laju data-jarak yang sangat bagus (mampu mencapai 30 Gbps.km). Teknologi serat optik adalah suatu teknologi komunikasi yang menggunakan media cahaya sebagai penyalur informasi.Pada teknologi ini terjadi perubahan informasi yang biasanya berbentuk sinyal elektris menjadi sinyal optik (cahaya), yang kemudian disalurkan melalui kabel serat optik dan diterima pada sisi penerima untuk diubah kembali menjadi sinyal elektris.

Sistem Komunikasi serat optik secara umum dapat dilihat seperti Gambar 2.1 yaitu terdiri dari pemancar sebagai sumber pengirim informasi, detektor penerima informasi, dan media transmisi sebagai sarana untuk melewatkannya. Pengirim bertugas untuk mengolah informasi yang akan disampaikan agar dapat dilewatkan melalui suatu media sehingga informasi tersebut dapat sampai dan diterima dengan baik dan benar ditujuan/penerima. Perangkat yang ada di penerima bertugas untuk menterjemahkan informasi kiriman tersebut sehingga maksud dari informasi dapat dimengerti. Pada sistem komunikasi serat optik, sinyal informasi diubah ke signal listrik lalu diubah lagi ke optik/cahaya. Sinyal ini kemudian di lewatkan melalui serat optik yang setelah sampai di penerima nanti, cahaya tersebut diubah kembali ke listrik dan akhirnya di terjemahkan menjadi sinyal informasi [2].


Gambar 2.1 Blok diagram sistem komunikasi Serat Optik Konsep dasar serat optik sangat penting di pelajari dan dapat dimanfaatkan terutama dalam komunikasi. Dalam komunikasi serat optik konsep dasar yang digunakan dengan transmisi cahaya, Dimana pengubahan antara sinyal elektrik menjadi sinyal cahaya dalam menyalurkan informasi disepanjang serat optik. Maka konsepnya berupa cahaya, optik, serat, dan aplikasi lain serat. Prinsip kerja dari serat optik ini adalah sinyal awal/source yang berbentuk sinyal listrik ini pada transmitter diubah oleh transducer elektro optik (Dioda/Laser Dioda) menjadi gelombang cahaya yang kemudian ditransmisikan melalui kabel serat optik menuju penerima/receiver yang terletak pada ujung lainnya dari serat optik, pada penerima/receiver sinyal optik ini diubah oleh transducer Optoelektronik (Photo Dioda/Avalanche Photo Dioda) menjadi sinyal elektris kembali. Dalam perjalanan sinyal optik dari transmitter menuju receiver akan terjadi redaman cahaya di sepanjang kabel optik, sambungan-sambungan kabel dan konektor-konektor di perangkatnya, oleh karena itu jika jarak transmisinya jauh maka diperlukan sebuah atau beberapa repeater yang berfungsi untuk memperkuat gelombang cahaya yang telah mengalami redaman sepanjang perjalanannya.

2.2

Struktur Dasar Serat Optik Sebuah serat optik terdiri atas core (inti), cladding (kulit), coating

(pelindung), streng thening fibers dan cable jacket (kulit kabel) seperti pada Gambar


2.2 Elemen dasar sebuah kabel serat optik adalah cladding dan core. Cahaya yang disalurkan merambat pada core, dimana pola rambatannya mengikuti pola cahaya masuk lalu cahaya dipantulkan oleh cladding sepanjang saluran [3].

Gambar 2.2 Stuktur serat optik Spesifikasi dari setiap bagian pada Gambar 2.2 antara lain adalah sebagai berikut: a. Core (inti Kabel) berfungsi untuk menyalurkan cahaya dari satu ujung ke ujung lainnya. Core yaitu elemen pertama dari fiber optik yang merupakan konduktor sebenarnya yaitu sebuah batang silinder terbuat dari bahan dielektrik (bahan silika (SiO2), biasanya diberi doping dengan germanium oksida (GeO2) atau fosfor penta oksida (P2O5) untuk menaikan indeks biasnya) yang tidak menghantarkan listrik. Inti memiliki diameter antara 3 – 200 µm. Ketebalan dari core merupakan hal yang penting, karena menentukan karakteristik dari kabel. Core (inti) dari serat optik terbuat dari material kristal kaca kelas tinggi dan indeks bias core besarnya sekitar 1,5. b. Cladding berfungsi sebagai cermin yaitu memantulkan cahaya agar dapat merambat ke ujung lainnya. Cladding yaitu

lapisan selimut/selubung yang

dilapiskan pada core yang memiliki diameter antara 125 – 250 µm. Cladding juga terbuat dari gelas tetapi indeks bias nya lebih kecil dari indeks bias core. Hubungan antara kedua indeks dibuat kritis karena untuk memungkinkan terjadinya pemantulan total dari berkas cahaya yang merambat berada dibawah sudut kritis sewaktu dilewatkan sepanjang serat optik. c. Coating berfungsi sebagai pelindung mekanis yang melindungi serat optik dari kerusakan dan sebagai pengkodean warna pada serat optik. Coating yaitu bagian


pelindung lapisan inti dan selimut yang terbuat dari bahan plastik elastis (PVC) yang berfungsi untuk melindungi serat optik dari tekanan luar. d. Streng thening serat berfungsi sebagai serat yang menguatkan bagian dalam kabel sehingga tidak mudah putus dan terbuat dari bahan serat kain sejenis benang yang sangat banyak dan memiliki ketahanan yang sangat baik. e. Jacket kabel berfungsi sebagai pelindung keseluruhan bagian dalam kabel serat optik serta didalamnya terdapat tanda pengenal dan terbuat dari bahan PVC. Cahaya merambat sepanjang inti serat tanpa lapisan material kulit, namun kulit memiliki beberapa fungsi [3] : 1. Mengurangi loss hamburan pada permukaan inti. 2. Melindungi serat dari kontaminasi penyerapan permukaan. 3. Mengurangi cahaya yang loss dari inti ke udara sekitar 4. Menambah kekuatan mekanis. 2.3

Tipe Jenis Serat Optik Pada prinsipnya, transmisi cahaya dalam fiber sama dengan pada pandu

gelombang dielektrik planar, kecuali bentuk geometrinya. Dalam kedua jenis pandu gelombang cahaya merambat dalam bentuk modus-modus. Masing-masing modus menjalar sepanjang sumbu pandu gelombang dengan suatu konstanta perambatan dan kecepatan group dengan mempertahankan distribusi ruang transversalnya dan polarisasinya. Bila diameter core-nya kecil maka hanya satu modus yang diperbolehkan dan fiber disebut dengan single-mode fiber. Salah satu masalah yang berkaitan dengan perambatan cahaya dalam fiber multi mode adalah ditimbulkan dari perbedaan kecepatan group dari masing-masing modus akibatnya pulsa akan melebar sepanjang fiber. Efek ini dikenal sebagai modal dispersion (dispersi modus), yaitu batas kecepatan dimana pulsa-pulsa dapat dikirim tanpa saling tumpang tindih (over lapping). Modal dispersion dapat dikurangi dengan gradien indeks bias dari core, yang mempunyai nilai maksimum pada pusatnya dan nilai minimum pada batas core/cladding. Fiber tersebut dikenal sebagai graded-index


fiber, dimana pada fiber konvensional indeks bias core dan cladding adalah konstan (step-index fiber). Jenis – jenis Serat Optik menurut perambatannya ada 2 bagian yaitu [4]: 2.3.1

Serat Optik Singlemode Serat optik merupakan saluran transmisi yang terbuat dari kaca atau

plastik yang digunakan untuk mentransmisikan sinyal cahaya dari suatu tempat ke tempat lain. Single mode fiber mempunyai inti sangat kecil (yang memiliki diameter sekitar 9x10-6 meter atau 9 mikro meter), perambatan gelombang pada sistem singlemode fibers ini akan terlihat pada Gambar 2.3 cahaya yang merambat secara paralel di tengah membuat terjadinya sedikit dispersi pulsa. Single-mode 29 fibers mentransmisikan cahaya laser infra merah (panjang gelombang 1300 - 1550 nm). Jenis serat ini digunakan untuk mentransmisikan satu sinyal dalam setiap serat. Serat ini sering dipakai dalam pesawat telepon dan TV kabel [4].

Gambar 2.3 Perambatan gelombang pada single-mode fiber Pada serat optik single mode terdapat empat macam tipe yang sering digunakan

berdasarkan ITU-T

(International

Telecommunication

Union

–

Telecommunication Standardization Sector) yang dahulu dikenal dengan CCITT yaitu[3]: 1. G.652 - Standar Single Mode Fiber 2. G.653 – Dispersion-Shifted Single Mode Fiber 3. G.653 – Characteristics of Cut-Off Shifted Mode Fiber Cable 4. G.655 – Dispertion-Shifted Non Zero Dispertion Fiber.


Untuk mendukung sistem yang mentransmisikan informasi dengan kapasitas tinggi, pemilihan serat optik yang tepat sebagai media transmisi juga diperhatikan. Ada dua tipe serat optik yang digunakan pada sistem DWDM, yaitu[2]: 1. Non Dispersion Shifted Fiber (NDSF) Serat optik Non Dispersion Shifted Fiber (NDSF) merupakan rekomendasi ITU-T seri G.652. NDSF memiliki nilai koefisien dispersi kromatik mendekati nol di daerah panjang gelombang 1310 nm . 2. Non Zero Dispersion Shifted Fiber (NZDSF) Non Zero Dispersion Shifted Fiber (NZDSF) merupakan jenis fiber yang sesuai dengan rekomendasi ITU-T seri G.655 dengan range panjang gelombang 1255 – 1650 nm. NZDSF memiliki nilai dispersi tidak nol namun juga tidak lebar di daerah panjang gelombang 1550 nm dibandingkan dengan nilai koefisien dispersi kromatik pada serat optik Non Dispersion Shifted Fiber (NDSF). 2.3.2 Serat Optik Multimode Multi-mode fiber mempunyai ukuran inti lebih besar ( berdiameter sekitar 6,35 x 10-5 meter atau 63,5 mikro meter) dan mentransmisikan cahaya inframerah (panjang gelombang 850 – 1300 nm) dari lampu light-emitting diode (LED) dan perambatan gelombang yang terjadi pada sistem multi-mode fiber ini akan terlihat seperti pada Gambar 2.4 Serat ini digunakan untuk mentransmisikan banyak sinyal dalam setiap serat dan sering digunakan pada jaringan komputer dan Local Area Networks (LAN) [4].

Gambar 2.4 Perambatan gelombang pada multi-mode fiber Jenis serat optik berdasarkan indeks bias ada 3 bagian yaitu [4]:


2.3.3

Serat Optik Multimode Step Index Suatu step-index fiber dispesifikasi oleh indeks bias core n1 dan cladding n2

yang diameternya a dan b. Perbedaan nilai indeks bias core dan cladding sangat kecil sehingga fraksi perubahan indeks bias sangat kecil [4]: ∆=

<< 1

(2.1)

Dimana : n1 = nclad n2 = ncore Kebanyakan fiber yang digunakan dalam sistem komunikasi optik terbuat dari bahan gelas silika (SiO2) dengan kemurnian kimiawi yang tinggi. Perubahan kecil dari indeks bias dapat dibuat dengan penambahan konsentrasi material doping yang rendah (seperti titanium, germanium atau boron). Indeks bias n1 berada dalam rentang 1,44 sampai 1,46 bergantung pada panjang gelombang. Tipikal nilai dari Δ adalah antara 0,001 dan 0,02. Suatu berkas cahaya datang dari udara kedalam fiber menjadi suatu berkas yang terpandu, jika datang dengan sudut θ terhadap sumbu fiber lebih kecil [4]. θ c = cos-1 (n1 / n2)

(2.2)

Keadaan bagaimana cahaya dipandu dapat dilihat untuk berkas-berkas meridional (berkas-berkas di dalam bidang yang memotong sumbu serat optik) seperti pada Gambar 2.5 berkas-berkas ini memotong sumbu serat optik dan memantul dalam bidang yang sama tanpa adanya perubahan sudut datang (seperti dalam kasus pandu gelombang planar). Serat optik multi mode step index dimana indeks bias core konstan, Ukuran core antara 50 – 125 mm dan dilapisi cladding yang tipis. Penyambungan kabel lebih mudah karena memiliki core yang besar, Banyak terjadi disperse, Lebar pita frekuensi terbatas/sempit, hanya digunakan untuk jarak pendek dan transmisi data bit rate rendah dan Harga relatif murah [4].


Gambar 2.5 Serat optik multi modesStep index

2.3.4

Serat Optik Multimode Graded Index Graded-index fiber adalah suatu metode yang sederhana untuk mengurangi

efek pelebaran pulsa yang disebabkan oleh perbedaan kecepatan group dari modusmodus dalam multi mode fiber, mempunyai indeks bias yang bervariasi, yaitu nilai tertinggi pada pusat dan berkurang secara gradual dan mempunyai nilai terendah pada cladding, sebagai berikut [4] : 1. Core terdiri dari sejumlah lapisan gelas yang memiliki indeks bias yang berbeda, indeks bias tertinggi terdapat pada pusat core dan berangsur-angsur turun sampai ke batas core cladding. 2. Ukuran diameter core antara 30 – 60 mm. 3. Cahaya merambat karena difraksi yang terjadi pada core sehingga rambatan cahaya sejajar dengan sumbu serat. 4. Dispersi lebih kecil dibanding dengan Multimode Step Index. 5. Digunakan untuk jarak menengah dan lebar pita frekuensi besar. 6. Harga relatif mahal dari SI, karena faktor pembuatannya lebih sulit.

2.3.5

Serat Optik Singlemode Step Index Serat optik ini memiliki karakteristik dimana Serat optik single mode

memiliki diameter core antara 2 – 10 mm dan sangat kecil dibandingkan dengan ukuran claddingnya, Cahaya hanya merambat dalam satu mode saja yaitu sejajar dengan sumbu serat optik, memiliki redaman yang sangat kecil, memiliki lebar fita


frekuensi yang sangat lebar, digunakan untuk jarak jauh dan mampu menyalurkan data dengan kecepatan bit rate yang tinggi.

2.4

Sumber Cahaya pada Serat Optik Banyak tipe dari sumber cahaya yang digunakan sistem serat optik, dalam

bentuk LED dan laser [5]. Pemancar optik dasar mengubah sinyal listrik menjadi cahaya termodulasi untuk pengiriman melalui serat optik. Perangkat yang paling umum digunakan sebagai sumber cahaya di pemancar optik dioda ringan. Sumber cahaya serat optik membuat penggunaan yang baik ini, seperti memancarkan cahaya dioda memancarkan relatif besar daerah dan digunakan untuk jarak moderat. Serat optik sumber cahaya terbukti ekonomis. Sebuah sumber cahaya serat optik perangkat dipasang pada sebuah paket yang memungkinkan serat optik untuk pasangan cahaya sebanyak mungkin ke dalam serat. Dalam beberapa kasus lensa bulat kecil juga dipasang untuk mengumpulkan dan memfokuskan cahaya ke setiap kemungkinan serat. Dioda cahaya LED dan dioda cahaya inframerah beroperasi di bagian spektrum elektromagnetik. Gelombang operasi mereka dipilih sesuai dengan kebutuhan. Sumber cahaya serat optik dapat diandalkan dan yang paling umum digunakan oleh panjang gelombang sumber cahaya serat optik saat ini adalah 850-1.300 nanometer atau dalam beberapa kasus bahkan 1500 nanometer [6]. Kebanyakan sumber cahaya adalah tidak berfrekuensi tunggal, melainkan memancarkan cahaya pada beberapa frekuensi pada sebuah jalur atau bagian dari spektrum, yang mungkin cukup lebar. Beberapa sumber seperti lampu ionisasi gas, dioda-dioda yang memancarkan cahaya (light emitting diode) LED dan LASER, memancarkan cahaya dalam bagian spektrum yang jauh lebih sempit. Tetapi bahkan sumber-sumber ini pun tidak bersifat monochromatis sepenuhnya, karena masih juga memancar pada beberapa frekuensi pada jalur yang sempit. Pemancar-pemancar tersebut harus mempunyai suatu keluaran cahaya yang berintensitas tinggi, sehingga dapat dipancarkan energi yang cukup untuk mengatasi rugi-rugi yang dijumpai dalam transmisi di sepanjang fiber. Sumber cahaya juga harus mampu untuk dimodulasi dengan mudah, serta pemancar


cahaya tersebut haruslah kecil, ringkas (compact), dan dapat dengan mudah digandengkan ke serat. jenis sumber cahaya diantranya ada dua jenis sumber optik yang sering digunakan [6].

2.4.1

LED (Light Emitting Diode) Dalam transmisi serat optik digunakan sumber cahaya yang monokromatis.

Sumber cahaya yang monokromatis yang digunakan untuk transmisi cahaya serat optik dapat menggunakan laser, diode laser, atau LED. Penggunaan laser sebagai sumber cahaya cukup rumit karena menggunakan sumber tegangan yang cukup tinggi dan pemasangannya harus hati-hati. Dioda adalah komponen aktif bersaluran dua, dioda mempunyai dua elektroda aktif dimana isyarat dapat mengalir dan kebanyakan dioda digunakan karena karakteristik satu arah yang dimilikinya. Kesearahan yang dimiliki sebagian besar jenis dioda seringkali disebut karakteristik menyearahkan. Fungsi paling umum dari dioda adalah untuk memperbolehkan aliran arus listrik dalam suatu arah yang disebut kondisi panjar maju dan untuk menahan arus dari arah sebaliknya yang disebut kondisi panjar mundur. Saat ini dioda yang paling umum dibuat dari bahan semikonduktor seperti silikon atau germanium. LED (Light Emitting Diode) atau kadang disebut juga diode cahaya adalah suatu semikonduktor yang memancarkan cahaya monokromatik yang tidak koheren ketika diberi tegangan maju. Bagian ini termasuk bentuk elektroluminesensi yang diketahui bahwa elektron yang menerjang sambungan P-N juga melepaskan energi berupa energi panas dan energi cahaya [7]. LED dibuat agar lebih efisien jika mengeluarkan cahaya. Untuk mendapatkan emisi cahaya pada semikonduktor, doping yang digunakan adalah galium, arsenik dan phosphor [7]. Jenis doping yang berbeda menghasilkan warna cahaya yang berbeda pula. Warna yang dihasilkan bergantung pada bahan semikonduktor yang dipakai dan bisa juga ultraviolet dekat atau inframerah dekat Semikonduktor adalah material dengan konduktivitas diantara konduktor dan isolator, susunan atom-atomnya membentuk struktur kristal. Elektron


mengalami transisi secara langsung dan mudah dari level energi tinggi ke rendah dan cahaya secara mudah diradiasikan, momentum juga harus berubah, transisi elektron menjadi sulit dan probabilitas dari cahaya yang diemisikan lebih kecil. Pada Gambar 2.6a dan 2.6b menunjukkan proses yang disebut semi-konduktor transisi langsung dan transisi tidak langsung [7].

Gambar 2.6 Transisi langsung dan Transisi tidak langsung Panjang gelomang yang dipancarkan (λ) bergantung dengan gap energi antara pita konduksi dan pita valensi yang Persamaannya [7]: λ=

=

(2.3)

Karakteristik dari LED diantaranya [7] : 1.

Umumnya memakai kabel serat optik multimode.

2.

Sirkit lebih sederhana.

3.

Harganya lebih murah.

4.

Cahaya yang dipancarkan LED bersifat tidak koheren yang akan menyebabkan dispersi chromatic sehingga LED hanya cocok untuk transmisi data dengan bit rate rendah sampai sedang (Untuk komunikasi berkecepatan < 200 Mb/s).

5. 6.

Daya keluaran optik LED adalah -30 ~ -10 dBm. LED memiliki lebar spectral (spectral width) 30–50 nm pada panjang gelombang 850 nm dan 50–150 nm pada panjang gelombang 1310 nm.


2.4.2

Laser (Light amplification by stimulated emission of radiation) Laser adalah singkatan dari Light Amplification by Stimulated Emission of

Radiation. Laser merupakan sumber cahaya koheren yang monokromatik dan amat lurus. Laser bekerja pada spektrum infra merah sampai ultra ungu. Proses laser pada dasarnya adalah proses interaksi gelombang elektromagnetik dengan atom-atom materi, yaitu penggandaan intensitas cahaya yang dihasilkan dari proses transisi dalam atom di dalam materi, untuk dapat mengetahui bagaimana sumber cahaya ini bekerja maka terlebih dahulu perlu diketahui keadaan energi yang terdapat didalam suatu atom. Menurut teori kuantum, keadaan energi dari suatu atom ditentukan oleh keadaan energi dari elektron-elektronnya. Salah satu contoh yang sederhana dari prinsip kerja laser adalah sistem dua tingkat energi untuk hidrogen seperti pada Gambar 2.7 yang menyatakan dimana E1 adalah tingkat energi normal (ground state) dan E2 adalah tingkat energi tereksitasi (exciting state) [8].

Gambar 2.7 Mekanisme energi laser Mula-mula dalam keadaan normal atom berada di E1 (tingkat energi normal) lalu diganggu, misalnya dengan cara dialiri arus listrik sehingga energinya naik ke E2 (tingkat energi tereksitasi). Setelah berada dalam tingkat energi tereksitasi, maka atom akan berusaha kembali ke keadaan normalnya, yaitu menuju ke E1 . Sewaktu menuju E1 dari E2 inilah dipancarkan sinar laser dalam bentuk emisi spontan (spontaneous emission). Dalam keadaan kesetimbang termal maka jumlah atom di tingkat tereksitasi (2N) akan sama jumlahnya dengan jumlah atom di tingkat energi normal (1N) [8].


Pada waktu perpindahan menuju keadaan normal maka perubahan jumlah atomnya memenuhi Persamaan [8]: N2 / N1 = Exp (-ΔE/kT) Dengan : k

(2.4)

= konstanta Bolzman ( 1,38 x 10−23 J/K)

T = Temperatur ( °K) ΔE = E1 – E2 Sedangkan energi fotonnya memenuhi persamaan : hν = E2 – E1

dengan :

(2.5)

h = konstanta Plank ( 6,6261 x10-34 J.s) ν = frekuensi energi foton

Dalam sistem tersebut photon dengan arah dan energi yang sama akan bolakbalik dan membentuk photon baru yang energi dan arahnya juga sama, sehingga pada suatu saat setelah terkumpul energi yang besar kumpulan photon ini akan melewati bagian cermin kedua dan inilah yang keluar sebagai laser. Memang tidak semua laser yang ada mempergunakan cermin-cermin untuk menstimulasi pembentukan foton baru, akan tetapi penjelasan diatas merupakan gambaran secara umum terjadinya laser. Laser juga merupakan sebuah alat yang menggunakan efek mekanika kuantum, pancaran terstimulasi, untuk menghasilkan sebuah cahaya yang koherens dari medium "lasing" yang dikontrol kemurnian, ukuran dan bentuknya. Pengeluaran dari laser dapat berkelanjutan dan dengan amplituda-konstan (dikenal sebagai CW atau gelombang berkelanjutan), atau detak, dengan menggunakan teknik Q-switching, modelocking, atau gain-switching. Sebuah medium laser juga dapat berfungsi sebagai amplifier optikal. Signal yang diperkuat dapat menjadi sangat mirip dengan signal input dalam istilah panjang gelombang fase dan polarisasi, ini tentunya penting dalam komunikasi optikal lase berarti memproduksi cahaya koherens, dan merupakan pembentukan-belakang dari istilah laser.


Komponen penting sebuah laser adalah laser resonator atau laser cavity. Laser cavity terdiri dari 3 komponen penting yaitu medium, pemompa energi dan sepasang cermin. Medium mengandung atom-atom yang mempunyai tingkat energi metastabil yang dapat dieksitasi dengan menyerap energi dari luar. Pada Gambar 2.8 menunjukkan bahwa medium ini dapat berupa cat cair, gas maupun zat padat yang dikategorikan laser cat (dye laser), laser diode (zat padat) dan laser CO2 (laser gas) [9].

Gambar 2.8 Skema rongga laser Dalam rongga laser cahaya yang diemisikan atom-atom akan bolak-balik karena dipantulkan oleh kedua cermin, cahaya ini akan membentuk sebuah gelombang berdiri (standing wave) yang menentukan karakteristik frekuensi dan panjang gelombang laser yang dihasilkan. Adapun karakteristik laser yaitu [9]: 1. Umumnya menggunakan kabel optik single mode. 2. Response time < 1 nano detik. 3. Cahaya yang dipancarkan oleh dioda laser bersifat koheren. 4. Diode laser memiliki lebar spektral yang lebih sempit (~1 nm) jika dibandingkan dengan LED sehingga dispersi chromatic dapat ditekan. 5. Diode laser diterapkan untuk transmisi data dengan bit rate tinggi (Untuk komunikasi berkecepatan diatas 200 Mb/s) 6. Daya keluaran optik dari diode laser adalah 0 ~ 10 dBm.


7. Kinerja (keluaran daya optik, panjang gelombang, umur) dari diode laser sangat dipengaruhi oleh temperatur operasi. Laser merupakan sumber optik yang koheren. Bahan dasarnya berupa gas, cairan, kristal dan semikonduktor. Komunikasi jarak jauh memerlukan laser monomode (single mode) diantaranya sebagai berikut [9]: 1. DFB : Distributed Feedback Laser 2. DBR : Distributed Bragg Reflector Laser

2.5

Prinsip Kerja Laser Laser dihasilkan dari proses relaksasi electron, pada saat proses ini maka

sejumlah foton akan dilepaskan berbeda dengan cahaya senter. Emisi pada laser terjadi dengan teratur sedangkan pada lampu senter emisi terjadi secara acak. Pada laser emisi akan menghasilkan cahaya yang memiliki panjang gelombang tertentu, berbeda dengan lampu senter emisi akan mengasilkan cahaya dengan banyak panjang gelombang. Proses yang terjadi adalah elektron pada keadaan ground state (pada pita valensi) mendapat energi kemudian statusnya naik menuju pita konduksi ( keadaan eksitasi) kemudian elektron tersebut kembali ke keadaan awal (ground state) diikuti dengan beberapa foton yang terlepas. Kemudian energi yang dibawa cukup besar maka dibutuhkan sebuah resonator, resonator ini dapat berupa lensa atau cermin yang sering digunakan adalah lensa dan cermin. Ketika di dalam resonator maka foton-foton tersebut akan saling memantul terhadap dinding resonator sehingga cukup kuat untuk meninggalkan resonator tersebut. Laser cukup kuat digunakan sebagai alat pemotong misalnya adalah laser CO2 yang kuat adalah tingkat pelebaranya rendah dan energi fotonnya tinggi [9]. 2.6

Jenis Laser Jenis laser berdasarkan arah rambatnya dibagi atas dua yaitu diantaranya DBR

(Distributed Bragg Reflector) dan DFB (Distributed Feedback).


2.6.1

Distributed Bragg Reflector (DBR) Distributed Bragg Reflektor Laser (DBR) adalah jenis laser yang frekuensi

diode laser dengan frekuensi tunggal. Struktur laser DBR dibuat dengan fitur permukaan yang mendefinisikan monolitik, satu modus ridge waveguide yang menjalankan seluruh panjang perangkat. Sebuah rongga resonan didefinisikan oleh cermin DBR sangat reflektif pada salah satu ujungnya, dan reflektifitas rendah dibelah keluar segi di ujung. Dalam rongga bagian punggung keuntungan, di mana saat ini disuntikkan untuk menghasilkan mode penguat spasial tunggal [10]. DBR dirancang untuk mencerminkan cahaya membujur tunggal. Akibatnya, laser beroperasi pada modus spasial dan longitudinal tunggal. Laser memancarkan dari segi keluar berlawanan. DBR selama sekitar kisaran 2 nm dengan mengubah arus atau suhu. Koefisien suhu sekitar 0,07 nm / K, dan koefisien saat ini adalah sekitar 0,003 nm / mA sehingga laser DBR stabil pada noise yang rendah [11]. Ketika dioperasikan dengan arus listrik rendah pada suhu konstan memancarkan arus laser DBR memiliki linewidth kurang dari 10 MHz. Tingkat daya biasanya dapat berjalan hingga beberapa ratus mwatt. Laser DBR hampir sama dengan laser DFB, Kedua menunjukkan linewidth sempit dan operasi frekuensi tunggal yang stabil [12]. Namun, lokasi dari elemen umpan balik (kisi-kisinya) menyebabkan DBR dan DFB memiliki karakteristik operasional yang berbeda. Karena kisi-kisi didistribusikan sepanjang area gain di DFB kisi dan mendapatkan kondisi area yang sama seperti perangkat disetel dengan arus dan suhu. DFB dapat menunjukkan tuning berbagai kontinu 2 nm atau lebih. Namun, pada rentang saat ini atau temperatur yang cukup panjang, panjang gelombang yang dipancarkan akan tiba-tiba melompat ke gelombang yang lebih panjang meninggalkan celah di kisaran tuning [13]. Karena laser DBR memiliki area kisi pasif karakteristik penyetelannya berbeda dengan daerah gain. Peningkatan arus di area gain menyebabkan pergeseran merah dalam output laser karena pemanasan. Kurva reflektifitas dari kisi pasif tidak berubah. Akibatnya kisi-kisi akan mengalami kehilangan reflektifitas pada panjang


gelombang yang lebih panjang, dan pada akhirnya akan mendorong pergeseran cahaya biru terputus panjang gelombang untuk menemukan gain yang lebih tinggi. Pergeseran cahaya biru memastikan bahwa karakteristik panjang gelombang akan terulang dengan meningkatnya suhu atau arus, dan tidak ada kesenjangan akan terjadi di tuning. 2.6.2

Distributed Feedback (DFB) Suatu diode laser dapat berosilasi dalam bermacam-macam panjang

gelombang pada suatu rentangan tertentu secara serentak dan ini dinamakan mode longitudinal. Mode longitudinal berhubungan dengan gelombang berdiri yang timbul karena cahaya resonator terpantul-pantul ke muka dan ke belakang [13]. Sedangkan mode-mode dalam arah normal terhadap arah perambatan dinamakan mode transversal. Pada penggunaan serat optik model tunggal diperlukan suatu laser yang membangkitkan cahaya pada panjang gelombang yang tunggal. Laser tersebut harus mampu menekan mode-mode samping sehingga menghasilkan keluaran pada mode tunggal. Suatu pendekatan alternatif adalah dengan menggunakan rongga laser yang hanya mempunyai resonansi tunggal dalam lebar bidang penguatan. Ini dapat disediakan oleh struktur Distributed Feedback (DFB). Dalam struktur tersebut umpan balik disediakan oleh suatu gangguan periodik sepanjang pemandu gelombang lapisan aktif. Umpan balik tersebut lebih baik dari pada penempatan pemantul pada bagian akhir pemandu gelombang seperti dalam laser-laser biasa. Gambar 2.9a menunjukkan struktur dan Gambar 2.9b spectrum [13].


Gambar 2.9a Stuktur Laser DFB

Gambar 2.9b Spektrum laser DFB Dalam laser DFB struktur periode terdistribusi sepanjang daerah aktif laser, terlihat dalam gambar diatas. Kelebihan resonator tipe ini dibandingkan resonator permukaan rata seperti pada laser injeksi biasa adalah berkurangnya sensitivitas frekuensi terhadap perubahan daya dan suhu laser. Dengan demikian stabilitasnya lebih baik dari pada laser biasa. Kelebihan dalam hal stabilitas frekuensi ini harus dibayar dengan proses fabrikasi yang sangat kompleks. Untuk kecepatan tinggi pada jarak yang jauh pada komunikasi menggunakan single mode laser, dimana harus mengamati single longitudinal mode dan single transverse mode. kemudian, lebar spectrum cahaya sangat kecil. Sesuatu yang menarik dari laser dengan hanya satu longitudinal mode adalah lebar L dari kapasitasnya memberikan point pada separatis frekuensi, tipe dari laser dikonfigurasi dengan merancang frekuensi-reflektor selektif [14]. Pada Gambar 2.10 yang


menunjukkan corrugated grating yang terdapat pada layer active yang terdapat pada daerah active region [14].

Gambar 2.10 Laser frekuensi-selektif pada DFB Laser DFB dengan mode melintang dan membujur dapat diketahui pajang gelombangnya dengan Persamaan [14]: λ= λB ±

(m+ )

(2.6)

dimana : λB = panjang gelombang bragg =(1550) ne= indeks bias efektif serat optik Le= panjang kisi efektif =(10000 µm) m= mode order (0,1,2,…..)

2.6.2.1 Indeks Bias Serat Optik Hukum Snellius sangat kita pahami bersama dengan mudah karena memang rumusannya yang sangat mudah dimengerti. Hukum Snellius adalah rumus matematika yang memberikan hubungan antara sudut datang dan sudut bias pada cahaya atau gelombang lainnya yang melalui batas antara dua medium isotropik berbeda, seperti udara dan gelas. Hukum ini menyebabkan bahwa “sinus sudut datang dan sudut bias adalah konstan, yang tergantung pada medium (indeks bias medium)”.


Pemanduan cahaya pada Gambar 2.11 dalam serat optik menggunakan pantulan internal total yang terjadi pada bidang batas antara 2 media dengan indek bias yang berbeda yaitu n1 dan n2. Bila indek bias medium pertama (n1) lebih kecil dari indek bias medium kedua (n2), maka sinar akan dibiaskan pada media berindeks bias besar dengan sudut i2 terhadap garis normal, hubungan antara sudut datang i1 dan sudut bias i2 terhadap indeks bias dielektrik dinyatakan oleh hukum Snellius [6].

Gambar 2.11 Sinar cahaya pada antar muka indeks bias

Perumusan matematis hukum Snellius [6]: =

=

(2.7)

Atau n1 sin θ1 = n2 sin θ

(2.8)

θc = ars sin

(2.9)

atau


Lambang θ1 dan θ2 merujuk pada sudut datang dan sudut bias,v1 dan v2 pada kecepatan cahaya sinar datang dan sinar bias. Lambang n1 menunjuk pada indeks bias medium yang dilalui sinar datang, sedangkan n2 adalah indeks bias medium yang dilalui sinar bias. Pada Gambar 2.12 menunjukkan bahwa sudut datang > sudut kritis maka akan terjadi pemantulan sempurna. Hal inilah yang terjadi dalam serat optik, dimana gelombang cahaya menjalar dengan mengalami pemantulan-pemantulan sempurna dari dinding seratnya (cladding) yang indeks refraksinya lebih kecil daripada indeks refraksi inti seratnya (core) [14].

Gambar 2.12 Pemantulan dinding Serat Optik Gambar 2.13 sebenarnya terlihat bahwa tanpa diberi cladding pun (artinya n2=1) akan terjadi pemantulan-pemantulan yang sempurna. Tetapi hal ini dihindarkan karena justru harga n1 dan n2 harus berbeda hanya sedikit agar pengiriman dapat terlaksana untuk band yang lebar dan jarak yang jauh tanpa terjadi distorsi.

2.6.2.2 Panjang Kisi Efektif Panjang kisi efektif pada serat optik sepanjang 10000 nm, dimana pada panjang kisi yang baik dalam serat optik dan tingkat pemantulannya yang bagus dalam mengirimkan cahaya pada core serat optik.


2.6.2.3 Panjang Gelombang Bragg Sebuah fiber Bragg Grating (FBG) adalah sebuah variasi periode dari indeks refraktif yang ada pada sebagian panjang fiber optik. Fiber Bragg Grating (FBG) merupakan suatu jenis reflektor (Bragg) yang terdistribusi dalam bentuk segmensegmen atau kisi dalam serat optik. FBG memantulkan beberapa panjang gelombang cahaya tertentu dan meneruskan sisanya, dimana hal ini dapat terjadi karena adanya penambahan suatu variasi periodik terhadap indeks bias core serat optik. Dengan karakteristik yang dimilikinya tersebut, FBG dapat difungsikan sebagai filter optik (optical filter) yakni untuk menghalangi panjang gelombang cahaya tertentu yang diinginkan atau sebagai reflektor panjang gelombang cahaya spesifik. Gambar 2.13 menunjukkan periode Λ yang dimiliki oleh sebuah fiber bragg grating. Grating (kisi) berarti kumpulan ruang teratur yang pada dasarnya merupakan elemen indentik dan pararel yang dipandang cahaya sebagai reflektor. Pada gambar diatas gtratingnya adalah uniform, sehingga Λ periode bragg gratingnya adalah konstan [11].

Gambar 2.13 Panjang gelombang bragg Adanya grating tersebut di dalam fiber menyebabkan fiber bragg grating merefleksikan panjang gelombang cahaya yang hanya memenuhi kondisi bragg dan mentransmisikan semua panjang gelombang yang lain.


BAB II DASAR TEORI. 2.1 Pengertian dan Serajah Serat optik

Recommend Documents