JETri, Volume 4, Nomor 2, Februari 2005, Halaman 17-24, ISSN 1412-0372
PENGENALAN OPTICAL AMPLIFIER DI DALAM SISTEM KOMUNIKASI OPTIK Sunarto Dosen Jurusan Teknik Elektro-FTI, Universitas Trisakti Abstract Attenuation in an Optical Communication Link always causes the transmitted signal power become as lower as the length of the fiber become longer. For a long distance communication link like submarine cable needs a repeater to amplify the optical signal power that transmitted in the fiber. The most popular repeater in long distance communication link is Optical Repeater with its Optical Amplifier. This paper is an introduction of an Optical Amplifier. The most important part of an optical amplifier is the Active Medium. The active medium of an amplifier normally consist of 10 to 30 m length of optical fiber that has been slightly doped (e.g., 1000 ppm weight) with a rare earth element such as erbium (Er) for 1550 nm wavelength and Praseodymium (Pd) for 1300 nm wavelength, and the host fiber material can be either standard silica, fluorite-based glass or multi-component glass. The optical amplifier that consists of fiber doped with Erbium is called EDFA (ERBIUM DOPED FIBER AMPLIFIER). The simplified energy level concept of an EDFA and its basic operation how the photon signal could be amplified when come through the active medium is simply introduced. Besides, the basic architecture of an EDFA, three configurations of the pumping direction of pump laser into the active medium and the amplifier gain of an ADFA are also described. Keywords: Optical repeater, active medium, EDFA (erbium doped fiber amplifier)
1. Pendahuluan Pada suatu sistem komunikasi jarak jauh, repeater adalah suatu bagian yang akan memperkuat dan memperbaiki signal yang sudah menurun karena jarak yang jauh. Dalam sistem komunikasi optik, repeater dapat berupa Repeater Elektronik atau dapat berupa Repeater Optik. Repeater elektronik mempunyai beberapa kelemahan karena signal pertama-tama mengalami konversi dari optik ke listrik, kemudian diperkuat secara elektronik dan sesudah itu koversi kembali dari listrik ke optik, akibatnya terjadi penurunan kualitas pada signal. Disamping itu akan sangat kompleks dan mahal untuk sistem yang high.speed dan multi wave length. Untuk mengatasi hal ini, banyak usaha telah dilakukan, sehingga diperoleh suatu repeater yang serba optik yaitu signal optik yang sudah
JETri, Tahun Volume 4, Nomor 2, Februari 2005, Halaman 17-24, ISSN 1412-0372
lemah tidak dikonversi lagi ke listrik melainkan langsung diperkuat secara optik (Optical Amplifier) sehingga diperolah signal optik keluaran yang sudah diperkuat. Optical Amplifier ini tidak hanya diaplikasikan pada point to point link jarak jauh seperti kabel bawah laut (submarine cable), dimana Optical Amplifier ini ditempatkan di tengah-tengah laut, saat ini juga banyak digunakan untuk jaringan LAN dengan berbagai kemungkinan konfigurasinya. Karena perkembangan teknologi transmisi dalam WDM (Wavelength Division Multiplexing) maupun D-WDM (Dense-Wavelength Division Multiplexing) yang mana membutuhkan daya yang makin besar, maka suatu High Power Optical Amplifier yang mencapai daya 1,5 Watt juga telah dikembangkan.
2. Optical Amplifier Dalam optical amplifier tidak ada konversi signal dari optik ke listrik dan sebaliknya, sehingga degradasi signal akibat konversi dan penguatan secara elektronik dalam repeater tidak mungkin ada. Secara umum terdapat 4 tipe optical amplifier yaitu (Selvarajan, 2002: 150-151): a. EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) b. FRA (Fiber Raman Amplifier) c. SLA (Semiconductor Laser Amplifier) d. Integrated optical amplifier Optical Amplifier merupakan devais yang dapat bekerja bidirectional dan cukup linear untuk operasi multi wavelength seperti pada sistem Wave Length Division Multiplexing (WDM). Blok diagram suatu Basic Operation dari Generic Optical Amplifier dapat dilihat pada gambar 1. pada halaman berikut ini. Bagian terpenting dari optical amplifier adalah Active Medium. Active medium ini merupakan potongan fiber yang telah diberi sedikit doping (yaitu 1000 ppm berat) dengan unsur-unsur tanah jarang (Rare Earth Elements) seperti Erbium (Er) dan Ytterbium (Yb) yang bekerja pada window 1550 nm, sedangkan untuk window 1300 nm digunakan unsur Neodymium (Nd) dan Prasedymium (Pd).
18
Sunarto, Perbandingan Pengenalan Optical Amplifier Di Dalam Sistem Komunikasi Optik
Fiber-to-amplifier couplers
Active medium Optical input signal
Amplified optical output Pump source
Gambar 1. Basic Operation dari Generic Optical Amplifier (Senior, 1992: 123)
3. Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA) EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) adalah suatu system optik yang dapat mengurangi biaya serta meningkatkan network performance dalam sistem komunikasi optik. Beberapa keuntungan dari EDFA adalah sebagai berikut (Selvarajan, 2002: 150-151): a. b. c. d. e. f. g. h.
High gain (~ 50 dB) High output power (> 100 mW) Low noise figure (~ 4 dB) Less gain variation Wide band operation baik untuk WDM Low insertion loss Cross talk immunity di dalam sistem multichannel Low power untuk pumping source.
EDFA adalah Optical Amplifier yang bekerja pada panjang gelombang 1550 nm dan memiliki active medium berupa fiber silica sepanjang 10 meter – 30 meter yang diberi sedikit doping unsur Erbium (Er). Optical Amplifier ini menggunakan Optical Pumping dengan menggunakan cahaya (photon) dengan panjang gelombang yang lebih pendek. Untuk memahami cara kerja dari EDFA ini lihat diagram level enersi dan berbagai proses transisi dari ion Er3+ dalam Silica yang
19
JETri, Tahun Volume 4, Nomor 2, Februari 2005, Halaman 17-24, ISSN 1412-0372
disederhanakan yang ditunjukkan oleh gambar 2 pada halaman berikut ini. Sebagaimana konsep level enersi dari suatu atom selalu terdiri dari Ground state Band, Excited state Band dan Band Gap, maka pada ion Er3+ ini terdapat suatu band tambahan yang disebut Metastable Band. Energy
4
Pump band
11/ 2
Fast nonradiative Decay to lower state
4
Stimulated emission
Stimulated absorption
Spontaneous emission
13 / 2
Pump transition
4
Pump transition
Metasble band
15 / 2 Ground-state band
Gambar 2. Simplified energy-level dari berbagai proses transisi untuk ion Er3+ dalam Silica. (Gerd Keiser, 2000: 423-435) Metastable Band berada di atas Ground-State Band kurang lebih 0,814 eV s/d 0,841 eV dihitung dari level bawah dari Ground State Level, ini bersesuaian dengan panjang gelombang photon 1527 nm s/d 1477 nm, sedangkan Pump Band berada 1,27 eV di atas level bawah Ground State Band yang bersesuaian dengan panjang gelombang 980 nm, Pump Band ini sangat sempit. Band Gap antara level bawah Metastable Band dengan level atas dari Ground-State Band adalah kurang lebih 0,775 eV, hal ini bersesuaian dengan panjang gelambang 1600 nm. Suatu laser pump dengan panjang gelombang 980 nm digunakan untuk mengeksitasi ion-ion Er dari ground state level bawah ke pump level, hal ini tampak pada proses (1) dalam gambar 2. Ion-ion yang terseksitasi ini
20
Sunarto, Perbandingan Pengenalan Optical Amplifier Di Dalam Sistem Komunikasi Optik
akan segera decay (kurang lebih 1 μs) dari pump level ke metastable band ditunjukkan oleh proses (2). Selama transisi ini enersi dilepas dalam bentuk panas atau vibrasi, ion-ion terseksitasi yang berada di metastable band cendrung berkumpul di level bawah dari metastable band. Kemungkinan panjang gelombang laser pump yang lain adalah 1480 nm, energi photon ini agak mirip dengan photon signal hanya sedikit lelih tinggi. Energi photon 1480 nm yang diserap akan mengeksitasi elektron dari ground state dan langsung ke metastable band bagian level atas seperti tampak pada proses (3), elektron-elektron ini cendrung turun ke level lebih bawah dari metastable band tampak pada proses (4) dan kemudian kembali ke ground state tanpa adanya rangsangan photon signal dari luar seperti ditunjukkan oleh proses (5). Transisi ini disebut Spontaneous Emission dan merupakan noise dalam optical amplifier. Proses (6) menunjukkan adanya photon signal yang diserap oleh ion-ion sehingga naik ke level metastable band. Kemudian photon signal ini akan mentrigger ion-ion teresksitasi yang berada di metastable band untuk kembali ke ground state secara bersama-sama dengan menghasilkan emisi photonphoton baru yang sama dengan photon signal. Beda level antara metastable level dengan ground state level akan menghasilkan emisi terrangsang (stimulated emission) yang besar pada panjang gelombang antara 1530-1560 nm. Disini akan tampak terjadi penguatan signal sacara optik.
4. Arsitektur EDFA Sebuah Optical Amplifier terdiri dari sepotong doped fiber, satu atau lebih pump laser, sebuah passive wavelength coupler, optical isolator dan tap coupler seperti ditunjukkan oleh gambar 3 berikut:
Signal in Tap
Pump OI
Signal out
OI WSC
EDFA
Tap
Pump laser
(a)
21
JETri, Tahun Volume 4, Nomor 2, Februari 2005, Halaman 17-24, ISSN 1412-0372
Pump Signal in
Signal out
OI
OI WSC
Tap
EDFA
Tap Pump laser
(b)
Signal in
OI
Pump
Pump
Signal out
OI
WSC WSC
Tap
EDFA Pump laser
Tap Pump laser
(c) Gambar 3. Tiga kemungkinan konfigurasi EDFA (Gerd Keiser, 2000: 423435). (a). codirectional pumping. (b). counterdirectional pumping. (c). dual pumping WSC (Wavelength Selector Coupler) berfungsi untuk memasukkan kombinasi daya pump dan signal ke dalam fiber untuk pasangan panjang gelombang 980/1550 nm atau 1480/1550 nm. Tap coupler ini sangat sensitif terhadap panjang gelombang dan tipikal split rasio 99 : 1 atau 95 : 5 di kedua pihak dari optical amplifier untuk membandingkan signal input dan signal output yang telah diperkuat. OI (Optical Isolator) berfungsi untuk mencegah pemantulan signal yang telah diperkuat kembali ke dalam devais, hal mana akan menambah noise dan menurunkan effisiensi. Cahaya pump biasanya diinjeksikan ke fiber dalam arah yang sama dengan arah signal, cara ini dikenal dengan codirectional pumping dan ditunjukkan oleh gambar 3a. Bila arah cahaya pumping berlawanan dengan arah signal seperti dalam gambar 3b, maka disebut counterdirectional pumping. Bila kombinasi keduanya diatas diaplikasikan bersama-sama, maka ini disebut dual pumping, ditunjukkan oleh gambar 3c. Dual pumping memiliki gain resultan yang lebih besar diantara ketiganya. Codirectional
22
Sunarto, Perbandingan Pengenalan Optical Amplifier Di Dalam Sistem Komunikasi Optik
pumping memiliki noise performance yang baik namun memiliki gain yang paling kecil. Disamping itu pumping dengan 980 nm lebih baik dibandingkan dengan pumping 1480 nm karena noise yang lebih kecil dan dapat mencapai populasi inversi yang lebih besar.
5. Optical Amplifier Gain Suatu parameter penting dari optical amplifier adalah amplifier gain (G) yang didefinisikan sebagai berikut:
G
Ps ,out Ps ,in
(1)
Dimana: Ps,out : daya input signal Ps,in : daya output signal dari optical amplifier Daya ouput signal tergantung pada daya input dari laser pump dan panjang gelombang dari cahaya signal dan panjang gelombang cahaya laser pump dan dinyatakan dengan persamaan yang disebut principle of energy conversion sebagai berikut:
Ps ,out Ps ,in
p P s p ,in
(2)
Dimana:
p : panjang gelombang dari cahaya laser pump s : panjang gelombang dari cahaya signal
Pp,in : daya dari laser pump. Dari persamaan (2) tampak bahwa enersi yang diserap oleh EDFA tidak mungkin lebih besar dari enersi laser pump. Kombinasi kedua persamaan diatas menghasilkan persaman berikut:
G 1
p Pp ,in s Ps ,in
(3)
23
JETri, Tahun Volume 4, Nomor 2, Februari 2005, Halaman 17-24, ISSN 1412-0372
Untuk daya signal (Ps,in) yang sangat besar akan diperoleh unity gain yaitu G = 1 dan optical amplifier ini seolah-olah transparan bagi signal
6. Kesimpulan a. Repeater dalam Sistem Komunikasi Optik dapat berupa repeater elektro-optik maupun repeater optik. Pada repeater optik signal optik yang sudah lemah langsung diperkuat tanpa dikonversikan ke dalam listrik terlebih dahulu, repeater ini dikenal dengan Optical Amplifier. b. Medium aktif dari Optical Amplifier adalah sepotong fiber yang diberi sedikit doping unsur-unsur tanah jarang seperti: Erbium (Er) untuk panjang gelombang 1550 nm dan Praseodymium (Pd) untuk panjang gelombang 1300 nm. Medium aktif ini merupakan bagian inti dari Optical Amplifier. c. Cahaya pumping dapat di masukkan kedalam fiber searah dengan arah signal (codirectional pumping), berlawanan arah dengan arah signal (counterdurectional pumping) atau kombinasi keduanya (dual pumping). d. Daya optik keluaran dari optical amplifier sangat tergantung pada daya laser pump, panjang gelombang cahaya signal dan panjang gelombang cahaya laser pump, dimana penambahan daya pada daya input tidak mungkin melebihi daya dari laser pump.
Daftar Pustaka 1. A Selvarajan, S Kar, T Srinivas. 2002. Optical Fiber Communication. Mc Graw Hill International Edition. 2. Gerd Keiser. 2000. Optical Fiber Communications. Mc Graw Hill International Edition. 3. J.W Senior, 1992. Optical Fiber Communications. New Jersey: Prentice Hall International series in Optoelectronics.
24
