BAB II SISTEM KOMUNIKASI SERAT OPTIK
2.1
Umum Dalam sistem komunikasi dewasa ini, komunikasi serat optik semakin
banyak digunakan. Bukan hanya sebagai pengganti dari jenis sistem transmisi sebelumnya, tetapi karena sistem serat optik ini memberikan keuntungan yang jauh lebih efektif dan efisien dibandingkan yang lain. Jenis komunikasi serat optik ini juga tidak bersifat menghantarkan listrik, sehingga dapat digunakan di daerahdaerah terisolasi listrik. Serat optik adalah saluran transmisi yang dibuat dari kaca atau plastik yang digunakan untuk mentransmisikan sinyal cahaya dari suatu tempat ke tempat lain. Cahaya yang ada didalam serat optik sulit keluar karena indeks bias dari kaca lebih besar dari pada 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 digunakan dalam sistem telekomunikasi serta dalam pencahayaan, sensor, dan optik pencitraan. Efisien dari serat optik ditentukan oleh kemurnian dari bahan penyusun gelas. Semakin murni bahan gelas, semakin sedikit cahaya yang diserap oleh serat optik. Karena memiliki kapasitas dengan informasi yang tinggi, maka jalur-jalur saluran dapat diringkas menjadi kabel-kabel yang jauh lebih kecil, sehingga dapat mengurangi arus traffic pada jalur-jalur kabel yang sudah sangat padat. Pada sistem komunikasi serat optik ini sinyal awal yang berbentuk sinyal listrik pada
18
transmitter akan dirubah oleh transducer menjadi gelombang cahaya yang kemudian di transmisikan melalui kabel serat optik menuju penerima (receiver) yang terletak pada ujung kabel lainnya. Pada penerima sinyal optik ini akan dirubah kembali oleh transducer menjadi sinyal listrik.
2.2
Struktur Dasar Serat Optik Sebuah serat optik terdiri atas core (inti), cladding (kulit), coating
(pelindung), strengthening serat dan cable jacket (kulit kabel) seperti pada Gambar 2.1. 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. Serat optik terbuat dari bahan dielektrik yang berbentuk seperti kaca (glass). Di dalam serat inilah energi listrik diubah menjadi cahaya yang akan ditransmisikan sehingga dapat diterima di ujung unit penerima (receiver) melalui transducer.
Gambar 2.1 Struktur Dasar Serat Optik
Struktur dasar dari sebuah serat optik yang terdiri dari 3 bagian pada Gambar 2.1 antara lain adalah sebagai berikut [1] :
19
1.
Inti (core) Bagian yang paling utama dinamakan bagian inti (core), dimana
gelombang cahaya yang dikirimkan akan merambat dan mempunyai indeks bias lebih besar dari lapisan kedua. Terbuat dari kaca (glass) yang berdiameter antara 2µm - 125µm, dalam hal ini tergantung dari jenis serat optiknya. 2.
Cladding Cladding berfungsi sebagai cermin yaitu memantulkan cahaya agar dapat
merambat ke ujung ainnya. Dengan adanya cladding ini cahaya dapat merambat dalam core serat optik. Cladding terbuat dari bahan gelas dengan indeks bias yang lebih kecil dari core. Cladding merupakan selubung dari core. Diameter cladding antara 5µm - 250µm, hubungan indeks bias antara core dan cladding akan mempengaruhi perambatan cahaya pada core, (yaitu mempengaruhi besarnya sudut kritis). 3.
Jaket (Coating) Coating berfungsi sebagai pelindung mekanis pada serat optik dan
identitas kode warna terbuat dari bahan plastic. Berfungsi untuk melindungi serat optik dari kerusakan.
2.3
Jenis-jenis Serat Optik Berdasarkan keperluan yang berbeda-beda, maka serat optik dibuat dalam
dua jenis utama yang berbeda, yaitu single-mode fibers dan multi-mode fibers. 1.
Single-mode Single-mode mempunyai inti sangat kecil (yang memiliki diameter sekitar
9x10-6 meter atau 9 mikro meter), pada Gambar 2.2 dapat dilihat bagaimana
20
perambatan gelombang terjadi pada sistem single-mode. Cahaya yang merambat secara paralel di tengah membuat terjadinya sedikit dispersi pulsa. Single-mode mentransmisikan cahaya laser inframerah (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 (televisi) kabel.
Gambar 2.2 Perambatan Gelombang pada Single-mode 2.
Multi-mode Multi-mode mempunyai ukuran inti lebih besar (berdiameter sekitar
6,35x10-5 meter atau 63,5 mikro meter) dan mentransmisikan cahaya inframerah (panjang gelombang 850-1300 nm) dari lampu light-emitting diodes (LED) dan pada Gambar 2.3 dapat dilihat bagaimana perambatan gelombang terjadi pada fibers multi-mode. Serat ini digunakan untuk mentransmisikan banyak sinyal dalam setiap serat dan sering digunakan pada jaringan komputer dan Local Area Networks (LAN).
Gambar 2.3 Perambatan Gelombang pada serat Multi-mode
21
3. Multi-mode Graded Index Pada jenis serat optik ini, core multi-mode graded index 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. Akibatnya dispersi waktu berbagai mode cahaya yang merambat berkurang sehingga cahaya akan tiba pada waktu yang bersamaan. Pada Gambar 2.4 dapat dilihat bagaimana perambatan gelombang terjadi pada fiber multi-mode graded index [1].
Gambar 2.4 Perambatan Gelombang pada serat Multi-mode Graded Index
Pada multi-mode Graded Index ini, Graded index multi mode memiliki karakteristik sebagai berikut : a.
Core terdiri dari sejumlah lapisan gelas yang memiliki indeks bias yang berbeda.
b.
Indeks bias tertinggi terdapat pada pusat core dan turun sampai dengan batas core dan clading.
c.
Cahaya merambat karena difraksi yang tejadi pada core sehingga rambatan cahaya sejajar dengan sumbu fiber optik.
d.
Masing-masing kecepatan cahaya tiap lapisan gelas berbeda, tetapi sampainya bersamaan. Harganya lebih mahal dari step Index karena proses pembuatannya lebih sulit. 22
2.4
Refraksi (Pembiasan) Cahaya Pembiasan cahaya adalah peristiwa penyimpangan atau pembelokan
cahaya karena melalui dua medium yang berbeda kerapatan optiknya. Arah pembiasan cahaya dibedakan menjadi dua macam yaitu : a. Mendekati garis normal. Cahaya dibiaskan mendekati garis normal jika cahaya merambat dari medium optik kurang rapat ke medium optik lebih rapat, contohnya cahaya merambat dari udara ke dalam air. b. Menjauhi garis normal. Cahaya dibiaskan menjauhi garis normal jika cahaya merambat dari medium optik lebih rapat ke medium optik kurang rapat, contohnya cahaya merambat dari dalam air ke udara. Pembiasan cahaya dapat terjadi dikarenakan perbedaan laju cahaya pada kedua medium. Laju cahaya pada medium yang rapat lebih kecil dibandingkan dengan laju cahaya pada medium yang kurang rapat. Menurut Christian Huygens (16291695): “Perbandingan laju cahaya dalam ruang hampa dengan laju cahaya dalam suatu zat dinamakan indeks bias.” Karakteristik dari cahaya adalah sebagai berikut : 1. Kecepatan cahaya tidak konstan dan bergantung pada media perambatannya. 2. Cahaya yang merambat melalui dua media yang berbeda akan mengalami pembelokan arah (refraksi). 3. Perbandingan
kecepatan
cahaya
diruang
hampa
terhadap
kecepatan
perambatan cahaya dalam suatu media disebut indeks bias.
23
4. Sebagai contoh kecepatan cahaya diruang hampa 300.000 km/det, dan kecepatan cahaya diair 230.000 km/det, maka n air adalah 1,3. Indeks bias tidak pernah lebih kecil dari “1”, bila gelombang cahaya merambat melalui material, tidak dalam vacuum, maka kecepatannya lebih kecil dibandingkan dalam vacuum (ruang hampa). Hubungan indeks bias dengan kecepatan cahaya diberikan oleh Persamaan (2.1). V = c/n
atau
n = c/V
(2.1)
Dimana : n
: Refractive Index (index of refraction) atau indeks bias (n ≥ 1).
V : Kecepatan rambat cahaya dalam material. c
: Laju cahaya dalam ruang hampa (3 x 108 m/s).
Sebuah benda yang berada dalam air terlihat dari udara sepertinya berada pada kedalaman yang lebih dangkal dari kedalaman benda yang sebenarnya. Radiasi sinar tampak, atau cahaya, dari matahari sangat penting terhadap sistem kehidupan di lautan. Cahaya ini menyediakan energi yang dibutuhkan oleh arus laut dan angin untuk bersirkulasi. Konversi energi cahaya tersebut menjadi energi panas membantu pembentukan lapisan tipis air hangat di dekat permukaan laut global, yang mendukung sebagian besar kehidupan laut. Lebih signifikan lagi, transmisi cahaya di air laut sangatlah penting untuk produktivitas di lautan. Sejumlah cahaya yang masuk ke atmosfer, akan direfleksikan ketika menyentuh permukaan laut. Hal ini tergantung dari kondisi air itu sendiri. Jika air laut tenang dan tidak banyak gelombang atau riak, maka akan lebih sedikit cahaya
24
yang direfleksikan. Jika kondisi air bergolak dengan banyak gelombang, maka akan lebih banyak cahaya yang direfleksikan. Cahaya yang berpenetrasi di permukaan akan direfraksikan karena perbedaan kecepatan akibat perbedaan kerapatan media antara udara dengan air. Cahaya merambat lebih cepat di media air dibandingkan dengan media udara [5].
2.5 Cara Kerja Serat Transmisi Optik Ada beberapa cara kerja sistem transmisi serat optik yang akan dijelaskan, diantaranya pengiriman data dengan media cahaya, sistem relay, konsep kerugian, dan lebar jalur pada serat optik [1].
2.5.1
Prinsip Kerja Transmisi Pada Serat Optik Berbeda dengan sistem transmisi yang menggunakan gelombang
elektromagnetik, pada sistem transmisi serat optik yang bertugas membawa sinyal informasi adalah gelombang cahaya. Berikut ini adalah proses yang terjadi pada sistem transmisi serat optik dengan sinyal yang ditransmisikan berupa sinyal suara. Pertama-tama mikrofon mengubah sinyal suara menjadi sinyal listrik. Sinyal listrik ini kemudian dibawa oleh gelombang cahaya melalui serat optik dari pengirim (transmitter) menuju alat penerima (receiver) yang terletak pada ujung lain dari serat. Sinyal listrik termodulasi diubah menjadi gelombang cahaya pada transmitter dan kemudian diubah kembali menjadi sinyal listrik pada receiver. Pada receiver sinyal listrik diubah menjadi gelombang suara.
25
Tugas untuk mengubah sinyal listrik ke gelombang cahaya atau sebaliknya dapat dilakukan dengan menggunakan komponen elektronik yag dikenal dengan nama optoelectronic pada setiap ujung serat optik. Prinsip kerja transmisi pada serat optik dapat dilihat dengan blok diagram yang ditunjukkan pada Gambar 2.5. Sumber Optik
Kabel Serat Optik
Rangkaian Elektronik
Multiplex Digital
Detektor Optik
Rangkaian Elektronik
DeMultiplex Digital
Gambar 2.5. Blok Diagram Prinsip Kerja Transmisi Pada Serat Optik
Berikut ini penjelasan dari blok diagram prinsip kerja transmisi pada serat optik yaitu : 1. Pada arah kirim, input sinyal yang berasal dari perangkat multiplex digital akan diteruskan ke rangkaian elektronik untuk menjalani perbaikan karakteristik dan mengubah kode sinyal yang masuk tersebut menjadi binary. 2. Selanjutnya sinyal binary tersebut diteruskan ke rangkaian sumber optik, dimana dalam rangkaian ini sinyal binary dengan daya listrik akan diubah menjadi sinyal dengan daya optik. 3. Dari sumber optik, kemudian sinyal akan diteruskan ke detektor optik melalui kabel serat optik.
26
4. Pada arah terima, sinyal dengan daya optik yang diterima dari sumber optik melalui kabel serat optik akan diubah menjadi sinyal dengan daya listrik. 5. Selanjutnya sinyal dengan daya listrik tersebut diteruskan ke rangkaian elektronik untuk didekodekan kembali ke sinyal. 6. Dari rangkaian elektronik, sinyal tersebut diteruskan ke demultipleks digital. Dalam perjalanan dari transmiter menuju ke receiver akan terjadi redaman/rugi cahaya di sepanjang kabel serat optik dan konektor-konektornya. Oleh sebab itu, bila jarak antara transmiter dan receiver ini terlalu jauh akan diperlukan sebuah atau beberapa perangkat pengulang (regenerative repeater) yang bertugas untuk memperkuat gelombang cahaya yang telah mengalami redaman [10].
2.5.2
Transmisi Cahaya pada Serat Optik Jika cahaya hendak dipancarkan ke sasaran yang lurus, hal itu dapat
dilakukan dengan menyorotkan cahaya ke sasaran yang dituju karena cahaya merambat lurus. Tetapi bagaimana jika cahaya hendak dipancarkan melalui daerah yang berbelok-belok ataupun berupa lintasan yang rumit, seperti di bawah tanah atau lubang yang kecil. Untuk mengatasi hal ini maka diperlukan suatu sistem yang bekerja seperti cermin tetapi memiliki efisiensi tinggi. Sistem pemantulan inilah yang merupakan prinsip dasar serat optik [2]. Serat Optik akan mengirimkan data dengan media cahaya dalam serat optik yang merambat melewati inti dengan pemantulan ( memantul dari dinding pembungkus atau cladding yang tetap. Prinsip ini disebut total pantulan internal, karena cladding tidak menyerap cahaya dari inti maka cahaya dapat melintasi
27
jarak yang cukup jauh. Walaupun begitu ada beberapa cahaya yang mengalamai kerugian (loss) ketika merambat dalam serat. Hal itu disebabkan karena pengotoran atau ketidakmurnian kaca. Besarnya kerugian cahaya tergantung kemurnian kaca dan panjang gelombang cahaya yang ditransmisikan [2]. 2.5.3
Perambatan Cahaya dalam Serat Optik Pada dasarnya cahaya dapat merambat lurus atau memantul di dalam core
serat optik, pemantulan cahaya terjadi karena indeks bias core lebih besar dibandingkan indeks bias cladding. Pola perambatan cahaya dalam serat optik sebagai berikut sinar merambat lurus sepanjang sumbu serat tanpa mengalami refleksi atau refraksi. Sinar datang mengalami refleksi total karena memiliki sudut datang yang lebih besar dari sudut kritis dan akan merambat sepanjang serat melalui pantulan-pantulan. Refraksi (pembiasan cahaya) adalah peristiwa penyimpangan atau pembelokan cahaya karena melalui dua medium yang berbeda kerapatan optiknya. Sinar akan mengalami refraksi dan tidak akan dirambatkan sepanjang serat karena memiliki sudut datang yang lebih kecil dari sudut kritis [2].
2.5.4 Indeks Bias Ketika cahaya merambat di dalam suatu bahan yang jernih, kecepatannya akan turun sebesar suatu faktor yang ditentukan oleh karakteristik bahan yang dinamakan indeks bias. Dengan kata lain indeks bias adalah pebandingan antara kecepatan cahaya di ruang hampa dengan kecepatan cahaya di dalam bahan. Sebagian besar bahan yang digunakan untuk membuat serat optik memiliki nilai indeks bias sekitar 1,5 [3].
28
Karena indeks bias sebenarnya merupakan nilai perbandingan (rasio) antara kecepatan cahaya di dalam ruang hampa terhadap kecepatan cahaya di dalam bahan, maka besaran indeks bias tidak memliki satuan. Dengan indeks bias berperan sebagai faktor pembagi dalam menentukan kecepatan cahaya di dalam suatu bahan, hal ini berarti bahwa semakin rendah nilai indeks bias maka semakin tinggi kecepatan cahaya di dalam bahan terkait [3]. indeks bias rendah = kecepatan cahaya tinggi.
2.5.5 Sistem Relay Serat Optik Sistem relay serat optik terdiri dari transmitter (membuat dan menulis dalam sandi sinyal cahaya), serat optik (menghubungkan sinyal cahaya), regenerator optik (diperlukan untuk menaikkan sinyal jika serat digunakan pada jarak yang jauh) dan receiver optik (menerima dan menguraikan sandi sinyal cahaya) [4].
2.5.5.1 Transmitter Transmitter berfungsi untuk menerima dan mengarahkan cahaya melalui peralatan optikal kemudian dirubah ke dalam rangkaian yang benar. Secara fisik transmitter mirip dengan serat optik dan biasanya mempunyai lensa untuk memfokuskan cahaya ke dalam serat. Pada dasarnya transmitter mengubah input sinyal listrik ke dalam modulasi cahaya untuk transmisi serat optik. Bergantung pada kealamian sinyal, hasil cahaya termodulasi mungkin akan berjalan on-off atau linier dengan
29
intensitas bervariasi. Peralatan yang paling sering digunakan sebagai sumber cahaya transmitter adalah Light Emitting Diode (LED) dan Laser Diode (LD) [4].
2.5.5.2 Konektor Konektor adalah peralatan mekanik yang ditempatkan di ujung akhir kabel serat optik, sumber cahaya, receiver, atau kerangka mesin. Pada transmitter menyediakan informasi cahaya penjuru (bearing light) dari kabel serat optik melalui konektor. Konektor harus mengarahkan dan mengumpulkan cahaya. Konektor juga harus dapat dipasang dan dilepas dengan mudah dari peralatan. Hal ini merupakan titik kunci. Konektor dapat dibongkar-pasang. Dengan fitur ini konektor menjadi berbeda dengan sambungan (splice) [4]. Untuk memastikan didapatkannya rugi yang rendah, konektor harus menghilangkan efek-efek pergeseran sudut dan lateral dan juga menjaga bahwa kedua ujung fiber akan saling menutup dengan sempurna. Bermacam-macam rancangan telah digunakan untuk membuat konektor-konektor semacam ini, di mana sebagian adalah lebih berhasil dari pada yang lain. Konektor optik merupakan salah satu perlengkapan kabel serat optik yang berfungsi sebagai penghubung serat [4]. Konektor ini mirip dengan konektor listrik dalam hal fungsi dan tampilan luar tetapi konektor pada serat optik memiliki ketelitian yang lebih tinggi. Konektor menandai sebuah tempat dalam sambungan data serat optik setempat dimana daya sinyal dapat hilang dan BER (Bit Error Rate) atau keandalan dapat
30
dipengaruhi oleh koneksi mekanik. Konektor yang digunakan dengan kabel serat optik kaca antara lain yang terdapat pada referensi [4] 1.
Bionik, salah satu jenis konektor yang paling awal digunakan dalam sambungan data serat optik. Konektor bionik memiliki selongsong tirus (tapered sleeve) yang merupakan harga mati untuk kabel serat optik. Ketika steker ini dimasukkan ke dalam akhir tirus stop kontak berarti menempatkan kabel serat optik dalam posisi tepat. Dengan konektor ini, tutup tepat di atas landasannya, sisanya terpandu cincin dan memutar masuk ke dalam selongsong tergulung untuk menjamin koneksi. Konektor jenis ini sekarang jarang digunakan.
2.
D4, konektor ini sangat mirip dengan konektor FC (Fiber Connector) dalam hal berkas pemasangannya, penguncian dan penyelesaian PC (Physical Contact) nya. Perbedaan utamanya adalah diameter landasan 2,0 mm, aslinya didesain oleh Nippon Electric Corp.
3.
FC/PC, digunakan untuk kabel single-mode fiber. Konektor ini menawarkan penempatan yang sangat tepat untuk kabel single-mode fiber, menanggapi pancaran sumber optik transmitter dan detector optic receiver konektor. Konektor ini mengistimewakan posisi yang dapat dilokasikan derajatnya dan sebuah stop kontak tergulung. Konektor ini dapat ditarik dan didorong dengan tab pengunci.
4.
SMA (SubMiniature versi A), pendahulu konektor ST (Straight Tip). Konektor ini mengistimewakan tutup tergulung dan perumahan.
5.
ST, suatu jenis bayonet terkunci mirip dengan konektor BNC (Bayonet Neil Concelmen). Konektor ini digunakan baik untuk kabel single-mode fibers
31
maupun multi-mode fibers. Konektor ini digunakan secara luas karena mempunyai kemampuan yang baik dalam hal memasukkan maupun mengeluarkannya dari kabel serat optik dengan cepat dan mudah. Metode penempatannya juga mudah. Ada dua versi konektor ini, yaitu ST dan ST2. Kedua konektor ini terkunci dan memuat pegas serta dapat ditarik dan diputar. 6.
Konektor Kabel Serat Optik, konektor ini digunakan secara eksklusif untuk kabel serat optik guna menekan harga dan mempermudah penerapannya. Sering digunakan pada penerapan dengan tanpa penggosokan atau epoxy (sambungan dari suatu komposisi dengan satu oksigen dan dua atom karbon dalam ikatan segitiga).
2.5.5.3 Penyambungan (Splicing) Sambungan (splice) adalah peralatan untuk menghubungkan satu kabel sarat optik dengan yang lainnya secara permanen. Splice merupakan perlengkapan tetap yang menyambung konektor. Meskipun demikian beberapa penjualan (vendor) menawarkan penyambungan yang dapat terhubung secara tidak permanen sehingga dapat diputus untuk perbaikan atau penyusunan kembali. Istilah sambungan ini dapat membingungkan [4]. Kabel serat optik mungkin mempunyai sambungan bersama untuk sejumlah alasan. Salah satunya adalah untuk mendapatkan sambungan panjang partikular. Penginstal jaringan kerja mungkin mempunyai penemuan inventaris beberapa kabel serat optik, tetapi tidak ada yang cukup panjang untuk memuaskan permintaan panjang sambungan. Hal ini terjadi karena pabrik kabel hanya
32
menawarkan kabel dengan panjang terbatas. Biasanya 1 km sampai 6 km. penginstalan sambungan 10 km dapat dikerjakan dengan beberapa sambungan bersama. Penginstal akan puas atas keperluan jarak dan tidak perlu membeli kabel serat optik yang baru. Splice diminta pada pintu masuk dalam bangunan, pengawatan tertutup, pemasang, dan secara harfiah sebagai titik perantara antara transmitter dan receiver [4]. Pada pandangan pertama akan terpikir bahwa penyambungan dua kabel secara serat optik bersama adalah seperti menghubungkan dua kawat. Padahal, syarat untuk sambungan serat optik dan sambungan kawat sangat berbeda. Dua sambungan tembaga dapat digabungkan dengan solder atau dengan konektor yang mempunyai kerut atau terpatri ke kawat. Tujuannya adalah untuk menciptakan kontak mendalam antara dua titik kontak untuk mendapatkan sedikit garis hambatan melintas persimpangan. Di pihak lain, menghubungakan dua kabel serat optik memerlukan penjajaran yang tepat untuk pasangan inti serat atau titik di dalam kabel singlemode fibers. Hal ini diminta sehingga semua cahaya yang berdekatan dipasangkan dari satu kabel serat optik melintasi persimpangan ke kabel serat optik lainnya. Kebutuhan akan ketepatan penjajaran menciptakan tantangan bagi desainer sambungan. Ada dua jenis prinsip sambungan [4] : 1.
Sambungan Fusi, menggunakan pancaran listrik untuk mematri dua kabel serat optik bersama-sama. Teknik ini memerlukan orang yang ahli dan berpengalaman karena penjajaran kabel serat optik membutuhkan komputer
33
terkontrol untuk mencapai kerugian sesedikit mungkin yaitu 0,05 dB. Teknik ini memerlukan biaya tinggi. 2.
Sambungan Mekanik, semuanya menggunakan elemen biasa. Teknik ini lebih mudah diterapkan di lapangan, memerlukan sedikit atau tanpa peralatan dan menawarkan kerugian sekitar 0,2 dB.
2.5.5.4 Receiver Optical receiver (penerima optik) seperti pelaut di dek kapal penerima sinyal. Receiver optik berfungsi mengambil sinyal cahaya digital yang masuk, menguraikannya dan mengirim sinyal listrik ke komputer lain, televisi atau telepon. Receiver menggunakan fotosel fotodioda untuk mendeteksi cahaya. Pada dasarnya receiver optik mengubah modulasi cahaya yang datang dari serat optik kembali ke bentuk asalnya. Karena jumlah cahaya pada serat optik sangat kecil, receiver optik biasanya menggunakan penguat internal yang tinggi. Oleh karena itu receiver optik dapat dengan mudah diisi kembali. Untuk alasan ini maka penting dilakukan untuk hanya menggunakan ukuran serat yang sesuai dengan sistem yang diberikan. Sebagai contoh, pasangan transmitter/receiver didesain untuk penggunaan single-mode fibers, tetapi digunakan dengan multi-mode fibers sehingga sejumlah besar cahaya pada keluaran serat akan memenuhi receiver dan kemudian menyebabkan beberapa distorsi sinyal keluaran (kelebihan sumber cahaya). Begitu juga jika pasangan transmitter/receiver yang didesain untuk multimode fibers digunakan pada single-mode fibers maka tidak cukup cahaya yang dapat mencapai receiver. Hasil keluaran terlalu banyak atau tidak ada sinyal sama
34
sekali. “Ketidaksesuaian” receiver baru dipertimbangkan jika ada cukup banyak kehilangan dalam serat dengan tambahan 5-10 dB pasangan cahaya ke dalam serat multi-mode hanya digunakan untuk memberikan kesempatan untuk mencapai operasi yang pantas. Meskipun begitu, ini merupakan kasus yang ekstrim dan tidak normal [4]. 2.6 Konsep Kerugian dalam Serat Optik Kerugian di sini terjadi karena cahaya berjalan melewati serat. Mengingat cahaya menempuh jarak puluhan kilometer atau lebih, maka kemurnian kaca pada inti serat harus sangat tinggi. Inti serat optik terbuat dari kaca sangat murni yang memiliki sedikit kerugian. Untuk menilai kemurnian kaca digunakan sistem perbandingan dengan kaca jendela biasa. Kaca jendela yang bening, dapat melewatkan cahaya dengan bebas, memiliki ketebalan 0,25 samapai 0,5 cm. bagian tembus pandang. Dalam kasus ini, cahaya yang melewati pinggiran dan masuk ke kaca, melewati beberapa centimeter. Jadi hanya sedikit cahaya yang mampu melewati puluhan kilometer kaca jendela [4] Kerugian merupakan hasil utama dari perambatan acak dan penyerapan ketidakmurnian kaca. Sumber kerugian yang lain dalam serat disebabkan karena bengkok yang berlebihan yang mana menyebabkan cahaya meninggalkan area inti serat. Semakin kecil radius pembengkokan, semakin kecil kerugian. Oleh karena itu pembengkokan di sepanjang kabel serat optik harus memiliki radius sekecil mungkin [4].
2.6.1
Rugi-rugi pada Serat Optik
35
Rugi-rugi pada serat optik adalah atenuasi yang disebabkan oleh 3 faktor yaitu absorpsi, hamburan (scattering) dan mikro-bending. Atenuasi adalah besaran pelemahan energi sinyal informasi dari fiber optik yang dinyatakan dalam dB.Gelas yang merupakan bahan pembuat fiber optik biasanya terbentuk dari silicon-dioksida ( SiO2). Variasi indeks bias diperoleh dengan menambahkan bahan lain seperti titanium, thallium, germanium atau boron. Dengan susunan bahan yang tepat maka akan didapatkan atenuasi yang sekecil mungkin. Atenuasi menyebabkan pelemahan energi sehingga amplitudo gelombang yang sampai pada penerima menjadi lebih kecil dari pada amplitudo yang dikirimkan oleh pemancar.
2.6.1.1 Absorpsi Absorpsi merupakan sifat alami suatu gelas. Pada daerah-daerah tertentu gelas dapat mengabsorpsi sebagian besar cahaya seperti pada daerah ultraviolet. Hal ini disebabkan oleh adanya gerakan elektron yang kuat. Demikian pula untuk daerah inframerah, terjadi absorpsi yang besar. Ini disebabkan adanya getaran ikatan kimia . Oleh karena itu sebaiknya penggunaan fiber optik harus menjauhi daerah ultraviolet dan inframerah. Penyebab absorpsi lain adanya transmisi ionion logam dan ion OH. Ion OH ini ternyata memberikan sumbangan absorpsi yang cukup besar. Semakin lama usia suatu fiber maka bisa diduga akan semakin banyak ion OH di dalamnya yang menyebabkan kualitas fiber menurun.
2.6.1.2 Hamburan
36
Seberkas cahaya yang melalui suatu gelas dengan variasi indeks bias disepanjang gelas tadi, sebagian energinya akan hilang dihamburkan oleh benda benda kecil yang ada di dalam gelas. Hamburan yang disebabkan oleh tumbukan cahaya dengan partikel tersebut dinamakan hamburan Rayleigh. Besarnya hamburan Rayleigh ini berbanding terbalik dengan pangkat empat dari pangjang gelombang cahaya yaitu : 1/ λ . Sehingga dapat disimpulkan untuk lamda kecil, hamburan Rayleigh besar dan sebaliknya. Seberapa besar sumbangan hamburan Rayleigh ini terhadap atenuasi transmisi dapat dilihat pada grafik gambar 2.3. yang sudah direkomendasi oleh CCITT. Ternyata pada panjang gelombang sekitar 0,85 μm yaitu panjang gelombang sinar laser Ga A1 As, Hamburan Rayleigh memberikan loss akibat hamburan sangat kecil dibandingkan dengan loss fiber optik multimode. Karena itu fiber optik singlemode lebih baik mutunya sebagai media transmisi dibandingkan dengan fiber optik multimode.
2.6.1.3 Mikro-bending Atenuasi lainya adalah atenuasi yang disebabkan mikro-bending yaitu kelengkungan fiber optik untuk memenuhi persyaratan ruangan. Namun kelengkungan 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 tentu saja menyebabkan atenuasi.
2.7 Redaman Serat Optik
37
Pada sistem transmisi serat optik, cahaya yang merambat sepanjang serat optik akan mengalami peredaman, sehingga di ujung jauh (sisi penerima) kekuatan cahaya akan menjadi lemah. Disisi lain kekuatan cahaya dari dioda laser terbatas dan photodetector memiliki sensitifitas tertentu untuk dapat mendeteksi sinyal optik. Oleh karena itu untuk dapat mengoperasikan sistem telekomunikasi, rugi-rugi optik (total loss) harus dibuat pada level yang lebih tinggi dari level sensitivitas yang dimiliki oleh photodetector. Level rugi-rugi optik yang diperbolehkan sudah ditentukan untuk masingmasing sistem telekomunikasi. Redaman serat optik dinyatakan dengan satuan dB/km. Macam-macam redaman serat optik adalah sebagai berikut. 1. Rayleigh Scatering, yaitu redaman dari gelombang pendek yang diakibatkan oleh struktur kaca yang tidak teratur. Struktur ini akan memindahkan sebagian dari berkas cahaya yang seharusnya merambat langsung melalui serat optik. 2. Mikrobending terjadi akibat tekanan mekanik sewaktu proses penarikan. 3. Absorption yaitu redaman untuk panjang gelombang yang tinggi (diatas 1600 nm) yang disebabkan oleh penyerapan dari gelas. 4. Dispersi yaitu redaman yang disebabkan oleh pulsa-pulsa yang ditransmisikan pada ujung serat optik sebagai akibat dari panjang perambatan [5]. Tahanan dari konduktor tembaga menyebabkan hilangnya sebagian dari energi listrik yang mengalir dari suatu kabel. Core dari kabel serat optik menyerap sebagian dari energi cahaya. Hal ini dinyatakan dalam redaman kabel. Satuan yang digunakan untuk redaman serat optik adalah dB/km. redaman tergantung dari beberapa keadaan. Tetapi yang utama adalah bahwa redaman tergantung pada panjang gelombang dari cahaya yang digunakan.
38
Menurut rekomendasi ITU-T G.0653E, kabel serat optik harus mempunyai koefisien redaman 0,5 dB/km untuk panjang gelombang 1310 nm dan 0,4 dB/km untuk panjang gelombang 1550 nm. Tapi besarnya koefisien ini bukan merupakan nilai yang mutlak, karena harus mempertimbangkan proses pabrikasi, desain & komposisi fiber, dan desain kabel. Untuk itu terdapat range redaman yang masih diizinkan yaitu 0,3 sampai 0,4 dB/km untuk panjang gelombang 1310 nm dan 0,17 sampai 0,25 dB/km, untuk panjang gelombang 1550. Selain itu, koefisien redaman mungkin juga dipengaruhi spektrum panjang gelombang yang diperoleh dari hasil pengukuran pada panjang gelombang yang berbeda. Redaman itu dapat terjadi karena adanya dua faktor yaitu faktor intrinsik dan faktor ekstrinsik.
2.7.1 Faktor Intrinsik Ada beberapa faktor intrinsik dari serat optik yang menyebabkan redaman, yaitu : 1.
Absorption (penyerapan), peristiwa ini terjadi akibat ketidak murnian bahan fiber optik yang digunakan. Bila cahaya menabrak sebuah partikel dari unsur yang tidak murni maka sebagian dari cahaya tersebut akan terserap.
2.
Scattering (penghamburan) terjadi akibat adanya berkas cahaya yang merambat dalam materi dipancarkan/dihamburkan ke segala arah dikarenakan struktur materi yang tidak murni. Biasanya scattering ini terjadi pada lokasilokasi tertentu saja di dalam bahan, dan ukuran daerah yang terkena pengaruh perubahan efek terpencarnya cahaya sangat kecil, yaitu kurang dari satu panjang gelombang cahaya.
39
3.
Microbending (pembengkokan pada saat pembuatan serat optik) pada umumnya timbul di dalam proses manufaktur. Penyebab yang biasa dijumpai adalah perbedaan laju pemuaian (dan penyusutan) antara serat optik dan lapisan-lapisan pelindung luarnya (jaket). Ketika kabel serat optik menjadi terlalu dingin, lapisan jaket maupun bagian inti/mantel akan mengalami penyusutan dan memendek sehingga dapat bergeser dari posisi relatifnya semula dan menimbulkan lekukan-lekukan yang disebut microbend.
2.7.2 Faktor Ekstrinsik Ada beberapa faktor ekstrinsik dari serat optik yang menyebabkan redaman, yaitu [6] : 1.
Frasnel Reflection terjadi karena ada celah udara sehingga cahaya harus melewati dua interface yang memantulkan sebagian karena perubahan index bias dari inti ke udara dan inti lagi.
2.
Mode Copling terjadi karena adanya sambungan antara sumber/detektor optik dengan serat optik.
3.
Macrobending, lekukan tajam pada sebuah kabel serat optik dapat menyebabkan timbulnya rugi daya yang cukup serius, dan lebih jauh lagi kemungkinan terjadinya kerusakan mekanis (pecahnya serat optik). Rugi day yang ditimbulkan dengan melengkungkan sepotong pendek serat optik boleh jadi lebih besar dari rugi daya total yang timbul pada seluruh kabel serat optik sepanjang 1 km yang dipasang secara normal.
2.8 Rugi-rugi Akibat Kelengkungan Serat Optik
40
Proses pemantulan dan pembiasan sinyal di dalam serat optik tergantung pada indeks bias bahan serat optik yang digunakan. Selain karakteristik bahan, redaman (attenuation) menjadi masalah tersendiri dalam penyaluran sinyal. Di antara bentuk redaman yang sering terjadi ketika proses instalasi kabel/kontruksi kabel adalah kelengkungan. Setiap kelengkungan tidak semuanya menyebabkan terjadinya redaman. Serat optik mengalami
redaman/rugi-rugi sinyal ketika
dibengkokkan pada jari-jari tertentu. Sinyal yang teredam di tengah perjalanan menuju receiver menyebabkan penurunan kualitas sinyal. Kelengkungan yang terjadi di tengah perjalanannya menuju receiver menyebabkan kenaikan rugi-rugi (loss). Semakin kecil radius kelengkungan, semakin kecil kerugian. Oleh karena itu, kelengkungan di sepanjang kabel serat optik harus memiliki radius sekecil mungkin. Rugi-rugi ini terjadi pada saat sinar melalui serat optik yang dilengkungkan, dimana sudut datang sinar lebih kecil dari pada sudut kritis sehingga sinar tidak dipantulkan sempurna tapi dibiaskan. Gambar 2.6 memperlihatkan rugi-rugi akibat kelengkungan.
Gambar 2.6 Rugi-rugi karena pelengkungan
Untuk mengurangi rugi-rugi karena pelengkungan maka harga Numerical Arpature dibuat besar. Numerical Aperture adalah ukuran atau besarnya sinus
41
sudut pancaran maksimum dari sumber optik yang merambat pada inti serat yang cahayanya masih dapat dipantulkan secara total, dimana nilai NA juga dipengaruhi oleh indeks bias core dan cladding. Besarnya nilai NA diperoleh dengan rumus : 𝑵𝑵𝑵𝑵𝑵𝑵 𝐬𝐬𝐬𝐬𝐬𝐬 𝜽𝜽
𝒏𝒏𝟎𝟎 𝐬𝐬𝐬𝐬𝐬𝐬 𝜽𝜽𝒊𝒊 = 𝒏𝒏𝟏𝟏 𝐬𝐬𝐬𝐬𝐬𝐬 𝜽𝜽𝒓𝒓 𝐬𝐬𝐬𝐬𝐬𝐬 ∅𝒄𝒄 =
𝒏𝒏𝟐𝟐 𝒏𝒏𝟏𝟏
(2.2) (2.3) (2.4)
dimana :
NA
= Numerical Aperture
Θ
= sudut cahaya yang masuk dalam serat optik
n1
= indeks bias core
n2
= indeks bias cladding
2.9 Lebar Jalur Serat Optik Jenis lebar jalur untuk serat optik yang umum memiliki jangkauan sedikit MHz per km untuk inti serat yang sangat besar. Standart multi-mode fibers adalah ratusan MHz per km, sedangkan untuk single-mode fibers adalah ribuan MHz per km. Dengan bertambahnya panjang serat maka lebar jalurnya akan berkurang secara proporsional. Sebagai contoh, kabel serat yang dapat mendukung lebar
42
jalur 500 MHz pada jarak 1km hanya mampu mendukung 250 MHz pada jarak 2 km dan 100 MHz pada jarak 5 km. Karena single-mode fibers sebagai lebar jalur tinggi, faktor pengurangan lebar jalur sebagai fungsi panjang ini tidak menjadi masalah utama ketika menggunakan serat jenis ini. Meskipun demikian, harus diperhatikan ketika menggunakan multi-mode fibers, apakah digunakan sebagai lebar jalur maksimum atau digunakan dalam jangkauan sinyal sistem transmisi titik ke titik
2.10
Power Meter Power meter (alat ukur daya) jika dilihat sekilas nampak mirip dengan
sumber cahaya, Dari Gambar 2.7 dan 2.8 keduanya sering diperlihatkan sebagai pasangan kembar yang seolah-olah tidak menampilkan perbedaan antara sumber cahaya dan power meter yang digunakan bersama-sama, sehingga keduanya saling kompetibel [3]. Baik itu sumber cahaya maupun power meter memiliki prbedaan ada fisiknya, meskipun cara kerja dari keduanya adalah sama yaitu untuk mengukur daya yang terjadi pada suatu link tertentu dan biasanya hanya dapat mengukur total redaman dari suatu sistem yang sedang beroperasi berdasarkan spesifikasi yang digunakan. Tampilan hasil pengukuran akan terlihat pada power meter, sebelum digunakan terlebih dahulu power meter ini dikalibrasi.
43
Gambar 2.7 Sumber Cahaya
Gambar 2.8 Power Meter
Setelah itu ditunggu sampai pembacaan stabil. Pada tahap ini, power meter akan menunjukkan tingkat daya datang (incoming power level) dalam aturan dBm. Sumber cahaya dan power meter harus tetap hidup hingga seluruh pengukuran selesai dilakukan. Setelah itu putuskan patchcord. Parameter yang dapat disetel antara lain jenis panjang gelombang yang digunakan apakah 1310 nm atau 1550 nm dan level daya yang digunakan apakah dalam satuan dB atau dBm. Keseluruhan parameter ini disetel sesuai keinginan dan kebutuhan. Pada Gambar 2.9 dapat dilihat contoh link secara umum dan bagian-bagiannya.
44
Gambar 2.9 Contoh Link Secara Umum dan Bagian-Bagiannya
Prinsip pengukuran dengan power meter digunakan untuk menentukan redaman saluran (total loss) kabel serat optik secara akurat. Redaman serat optik merupakan fungsi panjang gelombang, maka pengukuran harus dilakukan sesuai dengan panjang gelombang pada perangkat transmisi. Bila perangkat bekerja pada panjang gelombang 1550 nm, maka sumber cahaya yang digunakan harus juga 1550 nm. Pengukuran dengan power meter digunakan untuk menentukan loss (rugi) daya cahaya pada saluran serat optik. Satuan cahaya yang terukur dinyatakasn dalam miliwatt (mW). Bentuk satuan pengukuran lain yang lebih menarik adalah decibel (dB). Desibel adalah pengukuran umum yang digunakan pada bidang elektronik untuk menentukan loss atau gain (penguat) sebuah sistem. Desibel merupakan perbandingan daya, tegangan, maupun arus antara dua titik dalam bentuk logaritma. Rumusan daya untuk desibel dinyatakan sebagai : G(dB) = 10 x Log (daya keluaran / daya masukan)..............(2.5) 45
2.11 OTDR (Optical Time Domain Reflectometer) Dalam melaksanakan
pembangunan/instalasi
maupun
pemeliharaan
jaringan kabel optik sangat diperlukan pengukuran, agar dapat dijamin bahwa jaringan kabel optik tersebut memenuhi spesifikasi dan dijamin dapat menyalurkan informasi dengan baik. Salah satu jenis alat ukur yang paling banyak digunakan pada saat instalasi maupun pemeliharaan adalah Optical Time Domain Reflectometer (OTDR), alat ukur ini banyak digunakan karena kemampuannya, yakni : 1. Dapat mengukur berbagai jenis loss kabel 2. Menentukan jenis kerusakan, menentukan letak/jarak yang cukup jauh. 3. Mendapatkan gambaran visual dari redaman serat optik sepanjang sebuah link yang diplot pada sebuah layar dengan sebuah jarak digambarkan pada sumbu x dan redaman pada sumbu y OTDR (Optical Time Domain Reflectometer) merupakan salah satu peralatan utama baik untuk instalasi maupun pemeliharaan link serat optik, OTDR memungkinkan sebuah link diukur dari satu ujung. OTDR ini dihubungkan ke salah satu ujung sistem fiber optik dengan panjang daerah ukur hingga 250 km, dan digunakan untuk mendapatkan gambaran visual dari redaman serat optik sepanjang sebuah link yang diplot pada sebuah layar dengan jarak digambarkan pada sumbu X dan redaman pada sumbu Y akan diperlihatkan pada Gambar 2.10. Dalam beberapa detik, kita dapat mengukur keseluruhan loss atau loss di setiap bagian sistem di sepanjang kabel serat optik, maupun di jarak antara titiktitik pengamatan tertentu. Dari OTDR ini kita dapat melihat dan menganalisis setiap redaman serat, loss sambungan, dan loss yang muncul pada setiap titik,
46
serta dapat menampilkan informasi pada layar tampilan, seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.10.
Gambar 2.10 Tampilan Redaman Serat Optik pada OTDR
OTDR memancarkan pulsa (sinyal-sinyal) cahaya dari sebuah sumber dioda laser ke dalam sebuah serat optik. Sebagian sinyal dipantulkan kembali ke OTDR, sinyal diarahkan melalui sebuah coupler ke detektor optik dimana sinyal tersebut dirubah menjadi sinyal listrik yang dinyatakan sebagai loss dan dan waktu tempuh sinyal digunakan untuk menghitung jarak. Perhitungan jarak pada OTDR menggunakan sistem yang agak menyerupai prinsip kerja radar. Alat ini mengirimkan pulsa cahaya dan menanti gema (echo) dari fiber. Jika kita mengetahui kecepatan cahaya dan dapat mengukur waktu yang dibutuhkan oleh cahaya tersebut untuk merambat di sepanjang fiber, maka perhitungan panjang fiber akan mudah dilakukan.
47
Berdasarkan mekanisme kerja di atas dapat ditentukan beberapa parameter atau karakteristik yang dapat diukur pada OTDR antara lain jarak, dari jarak kita dapat melihat titik lokasi dalam suatu link, ujung link atau patahan. Loss untuk masing-masing splice atau total loss dari ujung ke ujung dalam suatu link. Atenuasi dari serat dalam suatu link, dan yang terakhir refleksi (return loss) dari suatu event [7].
2.12 Tampilan OTDR Untuk sistem Secara Umum OTDR dapat mengenali pantulan-pantulan Fresnel dan loss-loss yang terjadi. Dengan informasi ini, dapat ditarik kesimpulan mengenai bentuk tampilan beberapa kondisi penelusuran OTDR sebagaimana yang nampak pada Gambar 2.11.
Gambar 2.11 Tektronix NetTek Analyzer Series Mini-OTDR 1.
Konektor Pasangan konektor akan menghasilkan kenaikan loss daya dan pantulan-
pantulan Fresnel akibat dari penggosokan ujung fiber.
48
2.
Sambungan Fusi Sambungan-sambungan fusi tidak mengakibatkan pantulan Fresnel
sebagaimana potongan ujung-ujung fiber yang difusikan ke dalam seutas fiber tunggal. Namun, sambungan-sambungan ini menunjukkan loss daya. Secara aktual sambungan fusi yang berkualitas baik akan sulit untuk menyorot karena loss yang rendah. Setiap tanda dari pantulan Fresnel merupakan tanda yang pasti mengenai sambungan fusi yang sangat buruk. 3.
Sambungan Mekanik Sambungan-sambungan mekanik nampak serupa dengan sambungan fusi
yang berkualitas buruk. Fiber-fiber tentunya memiliki ujung-ujung terpotong namun pantulan Fresnelnya dapat dihindari dengan penggunaan gel sepadan indeks (index matching gel) di dalam sambungan. Loss yang diharapkan adalah serupa dengan sambungan-sambungan fusi yang paling sedikit dapat diterima. 4.
Kerugian Pelengkungan (Bend Loss) Ini adalah kehilangan daya (loss of power) di sekitar lengkungan. Jika loss
tersebut dilokalisasi semaksimal mungkin, hasilnya tidak akan dapat dibedakan antara sambungan fusi atau mekanik, seperti diperlihatkan pada Gambar 2.12.
49
Gambar 2.11 Tampilan Backscatter pada OTDR
2.13
Mekanisme Kerja OTDR OTDR (Optical Time Domain Reflectometer) merupakan salah satu
peralatan utama yang digunakan dalam uji akhir kabel serat optik. OTDR memungkinkan sebuah link diukur dari satu ujung ke ujung lainnya. OTDR dipakai untuk mendapatkan gambaran visual dari redaman serat optik sepanjang sebuah link yang diplot pada sebuah layar dengan jarak yang digambarkan pada sumbu X dan redaman pada sumbu Y. Adapun mekanisme kerja OTDR sebagai berikut : 1. Sinyal-sinyal cahaya dimasukkan kedalam serat. 2. Sebagian sinyal dipantulkan kembali dan diterima oleh penerima. 3. Sinyal balik yang diterima akan dinyatakan sebagai loss. 4. Waktu tempuh sinyal digunakan untuk menghitung jarak. Berdasarkan mekanisme kerja diatas dapat ditentukan beberapa parameter yang dapat diukur pada OTDR yaitu : 50
1. Jarak yaitu dalam hal ini titik lokasi dalam suatu link, ujung link atau patahan. 2. Loss yaitu loss untuk masing-masing splice atau total loss dari ujung ke ujung dalam suatu link. 3. Atenuasi yaitu atenuasi dari serat dalam suatu link. 4. Refleksi yaitu besar refleksi (return loss) dari suatu event.
51
