K.S.O
SIGNAL DEGRADATION
[email protected]
SIGNAL DEGRADATION Degradasi sinyal dalam fiber: Redaman (Attenuation) Dispersion
Redaman (Attenuation) diklasifikasikan: • Absorpsi • Scattering loss • Efek geometri • Loss core dan cladding
LIGHT-MATTER INTERACTION EFFECT Attenuation
Attenuation Dispersion Nonlinearity Reflectance
Transmitted data waveform
Waveform after 1000 km
Dispersion Nonliniarity Reflectance
Redaman (Attenuation)
SIGNAL ATTENUATION & DISTORTION • What are the loss or signal attenuation mechanism in a fiber? Signal attenuation (fiber loss) largely determines the maximum repeaterless separation between optical transmitter & receiver.
• Why & to what degree do optical signals get distorted as they propagate down a fiber? Signal distortion cause that optical pulses to broaden as they travel along a fiber, the overlap between neighboring pulses, creating errors in the receiver output, resulting in the limitation of information-carrying capacity of a fiber.
ATTENUATION (FIBER LOSS)
Z= l
Z=0 P(0) mW
P(l ) P(0)e
P( z ) P(0)e [dB/km]
p l
p z
P(0) 10 log 4.343 p [1 / km] l P(l )
mW
ATTENUATION (FIBER LOSS) • Fiber loss in dB/km
Z=0 P(0)[dBm]
Z=l P(0) mW
P(l )[dBm] P(0)[dBm] [dB/km] l[km] • Where [dBm] or dB milliwat is 10log (P[mW]).
OPTICAL FIBER ATTENUATION
ABSORPSI Rugi-rugi absorpsi: • Intrisik • Ekstrinsik • Kerusakan atom
ABSORPSI Intrinsik: • Sifat alamiah gelas menyerap cahaya • Intrinsic absorption (fundamental lower limit): electronic absorption band (UV region) & atomic bond vibration band (IR region) in basic SiO2. • Sangat kuat pd daerah ultra violet tdk berpengaruh pd siskom optik • Pada daerah inframerah terjadi puncak pd 7 μm dan 12 μm. • Energi panas atom-atom bergerak SiO berkontraksi & meregang/vibrasi
ABSORPSI Ekstrinsik: • Ketidakmurnian 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
ABSORPSI Kerusakan
atom:
• Ketidak sempurnaan struktur atom seperti kehilangan molekul, cluster kerapatan tinggi grup atom, atau kerusakan oksigen dalam struktur gelas. • Umumnya rugi-rugi ini dapat diabaikan dibandingkan dengan intrinsik dan ekstrinsik.
• Rugi-rugi ini signifikan jika terjadi radiasi nuklir yg tinggi, misalnya di reaktor nuklir saat terjadi ledakan nuklir.
ABSORPTION VS SCATTERING LOSS
Both are linear effects that lead to “attenuation”. Rayleigh scattering effects dominate much more than absorption (in lower wavelengths, but decreases with wavelength)
SCATTERING LOSS Small (compared to wavelength) variation in material density, chemical composition, and structural inhomogeneity scatter light in other directions and absorb energy from guided optical wave. The essential mechanism is the Rayleigh scattering. Since the black body radiation classically is proportional to 4 (this is true for wavelength typically greater than 5 micrometer), the attenuation coefficient due to Rayleigh scattering is approximately proportional to 4 . This seems to me not precise, where the attenuation of fibers at 1.3 & 1.55 micrometer can be exactly predicted with Planck’s formula & can not be described with Rayleigh-Jeans law.
SCATTERING LOSS Therefore it’s believed that the more accurate formula for scattering loss is
scat 5 exp(
hc ) k B T
1
h 6.626 1034 Js, kB 1.3806 1023 JK-1 , T : Temperature
BENDING LOSS Macrobending Loss: The curvature of the bend is much larger than fiber diameter. Lightwave suffers sever loss due to radiation of the evanescent field in the cladding region. As the radius of the curvature decreases, the loss increases exponentially until it reaches at a certain critical radius. For any radius a bit smaller than this point, the losses suddenly becomes extremely large. Higher order modes radiate away faster than lower order modes.
BENDING LOSS Microbending Loss: microscopic bends of the fiber axis that can arise when the fibers are incorporated into cables. The power is dissipated through the microbended fiber, because of the repetitive coupling of energy between guided modes & the leaky or radiation modes in the fiber.
Dispersion
DISPERSION Dispersi dalam komunikasi serat optik adalah proses pelebaran pulsa optik ketika mereka berjalan melewati serat optik. Penyebaran ini terjadi karena kecepatan pulsa optik tidak sama. Ketidaksamaan ini disebabkan oleh indeks bias yang berbeda. Group velocity: kecepatan energi suatu modus tertentu bergerak sepanjang fiber. Gejala yang mengakibatkan terjadinya pelebaran pulsa disebut dispersi.
DISPERSI Ada 3 (tiga) jenis dispersi pada fiber optic: 1. Intermodal dispersion 2. Intramodal dispersion 3. Total dispersion Video
INTERMODAL DISPERSION Dispersi yang terjadi karena tiap mode dalam fiber optik memiliki jarak dan jalur perambatan yang berbeda, sehingga ketika sampai di photodetector, mereka tidak bersamaan. Dispersi modal hanya terjadi pada multi mode fiber. Pada single mode fiber hal ini dapat diatasi. Karena single mode hanya memiliki satu jalur perambatan.
INTERMODAL DISPERSION Penyebab Intermodal dispersion: Dua buah sinar yang merambat ke dalam serat optik akan memasuki serat optik pada saat bersamaan dan memiliki kecepatan perambatan yang sama, namun terjadi perbedaan jarak tempuh antara sinar A dan sinar B, yang mengakibatkan pulsa cahaya yang dibentuk oleh kedua sinar ‘memuai’ di dalam serat optik. Efek pemuaian ini disebut dengan dispersi.
Cahaya dari sumber masuk ke dalam serat optik multimode dirambatkan dalam beberapa mode. Setiap mode menempuh alur yang berbeda-beda, ada yang merambat sejajar sumbu inti dan ada pula yang merambat zigzag. Dengan demikian Jarak yang ditempuh oleh tiap mode akan berbeda-beda. Jarak terpendek adalah yang sejajar dengan sumbu inti. Karena kecepatan tiap mode sama, maka tiap mode akan mempunyai waktu tempuh yang berbeda.
INTERMODAL DISPERSION
INTERMODAL DISPERSION Kecepatan perambatan cahaya di dalam serat optik ditentukan oleh indeks bias. Rumus untuk menentukan kecepatan ini adalah: kecepatan cahaya di ruang hampa kecepatan cahaya di dalam bahan indeks bias
Solusi untuk Intermodal dispersion: • Mengubah indeks bias secara kontinu dan progresif, dari bagian pusat inti hingga ke bagian pinggirannya • Bagian pusat inti akan memiliki indeks bias tertinggi, dan semakin menjauhi pusat ke arah pinggir, indeks bias akan terus turun hingga mencapai nilai terendah di permukaan inti.
• Dengan demikian, sinar – sinar yang merambat melewati jalur yang berada di pinggiran inti akan merambat lebih cepat dibandingkan dengan sinar –sinar yang menempuh jalur di dekat pusat inti.
INTERMODAL DISPERSION • Pada tiap – tiap perbatasan dua lapisan yang berbeda, indeks bias akan berubah dan sinar akan mengalami sedikit pembiasan ( pembelokan ) dari arah rambatan sebelumnya
• Pada akhirnya, sinar akan mendekati permukaan inti dengan sudut datang yang melampui sudut kritis, dan terjadilah pemantulan sempurna • Saat telah melewati pusat inti, sinar akan kembali memasuki lapisan-lapisan dengan indeks bias yang semakin kecil, dan proses sebelumnya akan berulang kembali • Demikianlah seterusnya, sehingga sinar akan merambat melalui sebuah jalur yang berbentuk kurva ( melengkung ) di dalam serat optik
INTRAMODAL DISPERSION • Intermode – antar mode • Intramode – di dalam sebuah mode tunggal
INTRAMODAL DISPERSION Intramodal dispersion = Group Velocity Dispersion (GVD) = Chromatic dispersion
Material dispersion
Intramodal / Chromatic dispersion Waveguide dispersion
MATERIAL DISPERSION • Material dispersion berasal dari fakta bahwa indeks bias fiber optik berubah sesuai dengan panjang gelombangnya (Keiser, 1990). Ketika indeks bias berbeda, kecepatan perambatan juga berbeda. Karena sebuah transmitter tidak mungkin menghasilkan satu panjang gelombang saja (pasti memiliki lebar spektrum), maka sinyal optik pasti akan terdispersi ketika melewati fiber optik. • Material dispersoin Terjadi karena variasi indeks bias bahan inti yang merupakan fungsi panjang gelombang, serupa dengan efek prisma menguraikan spektrum, akibatnya terjadi kecepatan grup berbeda setiap mode yang tergantung pada panjang gelombang, selanjutnya mengakibatkan terjadinya pelebaran pulsa .
WAVEGUIDE DISPERSION Waveguide Dispersion. Prinsipnya sama seperti material dispersion. Ada sinyal optik yang masuk ke cladding. Karena indeks bias cladding berbeda dengan indeks bias core, maka kecepatannya akan berbeda. Sehingga tidak sampai ke photodetector secara berbarengan. Dispersi ini hanya signifikan pada single mode fiber. • 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. • Untuk penyederhanaan dlm perhitungan diasumsikan bhw indeks bias material tidak tergantung pada panjang gelombang.
DISPERSION & ISI (INTER SYMBOL INTERFERENCE) A measure of information capacity of an optical fiber for digital transmission is usually specified by the bandwidth distance product (GHz.km) For multi-mode step index fiber this quantity is about 20 MHz.km, for graded index fiber is about 2.5 GHz.km & for single mode fibers are higher than 10 GHz.km
INTRAMODAL DISPERSION As we have seen from Input/output signal relationship in optical fiber, the output is proportional to the delayed version of the input signal, and the delay is inversely proportional to the group velocity of the wave. Since the propagation constant, ß(ω), is frequency dependent over band width sitting at the center frequency , at each frequency, we have one propagation constant resulting in a specific delay time. As the output signal is collectively represented by group velocity & group delay this phenomenon is called intramodal dispersion or Group Velocity Dispersion (GVD). This phenomenon arises due to a finite bandwidth of the optical source, dependency of refractive index on the wavelength and the modal dependency of the group velocity.
In the case of optical pulse propagation down the fiber, GVD causes pulse broadening, leading to Inter Symbol Interference (ISI).
TOTAL DISPERSION t total tintermode tbahan t wg 2
2
2
Bersambung...
