DEGRADASI SINYAL PD FIBER OPTIK

DEGRADASI SINYAL PD FIBER OPTIK Ref : Keiser, Palais

Fakultas Teknik Elektro

1

Degradasi sinyal : • Degradasi sinyal dlm fiber : – Redaman – Dispersi

• Redaman diklasifikasikan : – – – –

Absorpsi Hamburan Raleigh Efek geometri Loss inti dan kulit


2

Absorpsi • Rugi-rugi absorpsi : – Kerusakan atom – Intrisik – Ekstrinsik

• Kerusakan atom – Ketidak sempurnaan struktur atom spt kehilangan molekul, cluster kerapatan tinggi grup atom, atau kerusakan oksigen dlm struktur gelas. – Umumnya rugi-rugi ini dpt diabaikan dibandingkan dgn karena intrinsik dan ekstrinsik. – Rugi-rugi ini signifikan jika terjadi radiasi nuklir yg tinggi, misalnya di reaktor nuklir saat terjadi ledakan nuklir. Fakultas Teknik Elektro

3

Absorpsi • Intrinsik : – Sifat alamiah gelas menyerap cahaya – Sangat kuat pd daerah ultra violet  tdk berpengaruh pd siskom optik – Pd daerah inframerah terjadi puncak pd 7 μm dan 12 μm. – Energi panas  atom-atom bergerak  SiO berkontraksi & meregang/vibrasi Fakultas Teknik Elektro

4

Absorpsi daerah UV :

 uv  Ce

Hukum Urbach :

E / E0

C dan EO : konstanta empiris E : energi photon

154,2 x  uv  10 2 e 46,6 x  60

4, 63

dB/Km



x : bagian molekul GeO2 Absorpsi daerah IR :

Utk GeO2-SiO2 :

 IR  7,811011  e Fakultas Teknik Elektro

48, 48



dB/Km 5

Absorpsi • Ekstrinsik – Ketidak murnian sumber utama rugi-rugi fiber. – Jenis : ion transition metal dan ion OH – Fe, Cu, V, Co, Ni, Mn, Cr menyerap secara kuat pd daerah yg dinginkan – Ketidak lengkapan pengisian sel elektron dalam, penyerapan cahaya mengakibatkan elektron bergerak dr level energi rendah ke level lebih tinggi. – Redaman OH paling signifikan pd 1,37 μm, 1,23 μm, 0,95 μm Fakultas Teknik Elektro

6

Karakteristik redaman fiber silika diberikan doping GeO2


7

Perbandingan absorbsi inframerah krn bahan doping pd low-loss silica fiber. Fakultas Teknik Elektro

8

Hamburan Rayleigh • Terjadi krn gel bergerak mel media yg terdapat benda hambur yg < 1 λ • Saat pabrikasi gelas cair panas molekul bebas bergerak • Pd saat cairan dingin gerakan berkurang • Pd saat padat mol acak membeku  variasi kepadatan  variasi indeks bias setempat  hamburan.


9

Glory : gejala optik dihasilkan oleh backscattering ke sumber oleh asap/kabut/butir air berukuran seragam. Fakultas Teknik Elektro

10

• Penyebab hamburan lain : – Bahan fiber terdiri dr lebih dr satu oksida  fluktuasi konsentrasi oksida penyusun – Ketidak homogenan bahan yg dicampurkan dlm gelas selama pabrikasi  antar muka inti-kulit kasar, benda hambur > λ optik  dpt dikendalikan pd saat pabrikasi.

Raleigh scattering Fakultas Teknik Elektro

11

Redaman krn hamburan sebanding dng λ-4.

Gelas komponen tunggal :

 scat atau

 scat

2 8 3 2  4 n  1 k BT f T 3 8 3 8 2  4 n p k BT f  T 3

Neper/Km

Neper/Km

kB : Konstanta Boltzman = 1,380 x 10-23 J/OK βT : Isothermal compressibility bahan Tf : Suhu fictive/lebur p : koefisien photoelastic Fakultas Teknik Elektro

12

Utk gelas multi komponen :

8 3 2 2   4 n V 3

 

n 

2 2

2

Neper/Km

2

 n   n  2  Ci 2         i 1  Ci     m

δρ : fluktuasi kepadatan

δCi : fluktuasi konsentrasi komponen gelas Nilai fluktuasi komposisi dan kepadatan umumnya tidak diketahui dan ditetapkan dr data hamburan percobaan Fakultas Teknik Elektro

13

 Redaman pd fiber GI-MM tertentu

Redaman pd fiber fiber SM tertentu Fakultas Teknik Elektro

14

Efek Geometri • Bengkokan/lengkungan  redaman : – Makroskopi • berukuran besar dibanding diameter fiber • Misalnya fiber dibelokan pojok

– Mikroskopi • • • •

fluktuasi jari-jari ukurankecil berulang berukuran kecil dibanding diameter fiber Terjadi secara random Dpt bertambah saat pengkabelan


15

Efek Geometri


16

Mode fundamental dlm fiber lengkung

Jari-jari kritis single mode :

Jari-jari kritis multi mode :

   RC  2,748  0,996 2 2 3/ 2  C n1  n2 



RC 

20





3n1

4 n  n


2 1

  

3



2 3/ 2 2 17

Gloge : jumlah modus effektif

M eff

   2  2a  3  2 / 3          M  1   2  R  2n2 kR   

M 

  2

n1ka2 

: Jml total mode dlm fiber lurus

k = 2π/λ : konstanta propagasi gelombang


18

Microbending : fluktuasi jari-jari ukurankecil berulang dr lengkungan sumbu fiber Fakultas Teknik Elektro

19

Compressible jacket mengurangi microbending krn tekanan dr luar


20

Loss Inti dan Kulit Inti dan kulit terbuat dr bahan yang berbeda komposisinya  memiliki kofisien redaman berbeda (α1 utk inti dan α2 utk kulit). Jika pengaruh kopling moda diabaikan, loss SI fiber mode (v,m) : Pcore P   2 clad P P Pclad P  1  core P P P  vm  1   2  1  clad P

 vm  1

karena maka

Loss total dr fiber diperoleh dr penjumlahan semua moda dr tiap bagian daya setiap moda Pd fiber GI, koef redaman pd jarak r dr sumbu

n 2 (0)  n 2 (r )  (r )  1   2  1  2 n (0)  n22 Fakultas Teknik Elektro

21

Dispersi • Group velocity : kecepatan energi suatu modus tertentu bergerak sepanjang fiber. • Perbedaan kec grup mengakibatkan perbedaan waktu tiba energi di tujuan shg mengakibatkan terjadinya pelebaran pulsa. • Gejala yg mengakibatkan terjadinya pelebaran pulsa disebut dispersi. • Jenis dispersi : – Intramodal • Material • waveguide

– Intermodal, hanya terjadi pd MM fiber Fakultas Teknik Elektro

22

Group delay Time delay atau Group delay per satuan panjang :

g

1 1 d 2 d    L Vg c dk 2c d

Dimana :

 d  Vg  c   dk  k  2 / 

1

: kec energi dlm pulsa yg merambat sepanjang fiber

L : jarak yg dicapai oleh pulsa β : konstanta propagasi sepanjang sumbu fiber


23

Selisih Total delay sepanjang fiber L :

 

d g d



Pelebaran pulsa dpt didekati dgn lebar pulsa rms :

d g

L  g    d 2c

Dispersi :

2  d d  2  2   2  d   d

1 d g D L d

Satuan dispersi : picosecond per kilometer per nanometer Fakultas Teknik Elektro

24

Dispersi material • Dikenal juga sbg dispersi kromatis atau spektral. • Terjadi karena variasi indeks bias bahan inti yg merupakan fungsi panjang gelombang, serupa dng efek prisma menguraikan spektrum, akibatnya terjadi kec grup berbeda setiap moda yg tergantung pd panjang gelombang, selanjutnya mengakibatkan terjadinya pelebaran pulsa . Karena

dan

Maka :

g

1 d 2 d   L c dk 2c d 2n  



 mat 

L dn  n     c d 


25

Pelebaran pulsa dr suatu sumber yg memiliki lebar spektral σλ karena dispersi material :

d mat L d 2n  mat       2    Dmat  L  d c d 1 d 2n Dmat      : Dispersi material 2 c d


26

Variasi indeks bias silika sbg fungsi panjang gelombang Fakultas Teknik Elektro

27

Dispersi material silika murni dan GeO2-SiO2 sbg fungsi panjang gelombang


28

Dispersi pandu gelombang • Terjadi karena tidak semua cahaya yang diterima detektor melalui inti, tetapi sebagian cahaya merambat melalui kulit. • Besarnya dispersi pandu gelombang tergantung pada rancangan fiber, karena konstanta propagasi β merupakan fungsi 1/λ. • Utk penyederhanaan dlm perhitungan diasumsikan bhw indeks bias material tidak tergantung pada panjang gelombang.


29

Konstanta propagasi normalisasi :

  / k 2  n22 b n12  n22

  / k   n2 b

Utk ∆ <<< 

n1  n2

  n2 k b  1

atau

Group delay krn dispersi pandu gelombang :

 wg Utk ∆ <<  maka

L d L  d kb   n2  n2  c dk c  dk 

V  ka n12  n22  kan2 2

 wg 

L d Vb  n  n  2 2 c  dV 

Utk fiber MM dispersi PG << dispersi material  dispersi PG dpt diabaikan Fakultas Teknik Elektro

30

Pelebaran pulsa karena dispersi pandu gelombang :

 wg   

d wg

V

d

   LDwg   n2 L  d 2 Vb   V dV c dV 2

d wg

 wg      Dwg   : Dispersi pandu gelombang

Pelebaran pulsa karena dispersi intramodus : 2  i mod   m2   wg

m :  wg :

Pelebaran pulsa krn dispersi material Pelebaran pulsa krn dispersi pandugelombang Fakultas Teknik Elektro

31

Grafik d(Vb)/dV sbg fungsi V fiber SI utk berbagai LP moda Fakultas Teknik Elektro

32

Parameter b dan turunanannya thd V modus LP01 sbg fungsi V Fakultas Teknik Elektro

33

Distorsi sinyal pd fiber SM Dispersi pandu gelombang dan dispersi material pd SM memiliki nilai dlm orde yg hampir sama.

Contoh besarnya dispersi material dan PG sbg fungsi panjang gelombang pd fiber SM silika Fakultas Teknik Elektro

34

Dispersi antar modus • Merupakan hasil dr perbedaan nilai group delay (kec group axial) dr setiap modus individual pd satu frekuensi.

Tmax Tmin

L

Pelebaran pulsa krn dispersi antar modus :

 mod  si  Tmax  Tmin Fakultas Teknik Elektro

n1L  c

35

Pelebaran Pulsa pd Fiber GI • Keuntungan profil indeks bias gradual adalah menawarkan propagasi MM pd inti yg relatif besar dan kemungkinan distorsi delay antar modus yg rendah. • Karena indeks bias dibagian luar inti lebih rendah dr pd di pusat inti maka cahaya akan merambat lebih cepat di bagian luar inti dr pd di pusat inti. V = c/n Pelebaran pulsa krn dispersi antar modus (untuk α = 2) :

 mod  gi atau

 mod  gi

n12 L  8c    mod  si 8


36

Pelebaran pulsa pd fiber MM :

   i2mod   a2mod  i mod :

Pelebaran pulsa krn dispersi intramodus

 a mod :

Pelebaran pulsa krn dispersi antarmodus


37

CONTOH Diketahui : Serat optik Multimode Step index, n1 = 1,48, n2 = 1,475, L = 75 Km, Dmat = 60 ps/Km-nm, Dwg = 1 ps/Km-nm Sumber optik , σλ = 50 nm Hitung : σmat = ?, σwg = ?, σimod = ?, σamod = ?, σtot = ?.


38

DEGRADASI SINYAL PD FIBER OPTIK

Recommend Documents