SISTEMKOMUNIKAST......
SISTEM KOMUNIKASI SERAT OPTIK DAN PERKEMBANGANNYA Ir. Nani Djohan, Mf Ahstract Fiber Optics contmunication technolopg'hos been developed since 1970 following the discovery of guidonce techniques of optical v,ave in silicafiber with very smull diameler. From 1970 lo 1979, the trcrnsmission damping of optical signal has been reduced draslicttlly fom 20 dB/km to 0.2 dB/km so that it cctn be used lo lransmit optical signal up to 100 knt without repeating. Other improventenl,; or lhe cttmmuniccttionsystem performance of thefiber optics were lhe quality intprovement of its olttical signal resource and the developntenl of oplical inlegrated circr.tit.s.Other fundantental intproventents in obtaining hetler performunce were lhe development o.f coherent/helerodyn communication systent. The developmenl of communicalion system as a whole comprises of widespread technol ogical aspects such as microcontponent .fabr ical ion technique, th in layer, microeleclronics, nticrooptics, .remiconduclor, and telecommunication and inforntation technolog,t, including "state of lhe art" of the development of optoeleclronics integrated cirait.
Pendahuluan Sejaksistemkomtmikasioptik ini dipetkenalkansekitardua dekadeyang lalq telahmerjadi salahsatupilihanyangpalingdisukaiurhrk komurikasidigitalpoint to point. Keuntwrganutzunadari sistemini adalahbandwidthyang lebar,redaman hansmisirendah,kebalterhadapinterferensi yangtinggi. dankerahasiaan Perkembangan sistemkomrurikasiseratoptik szunpaisaatini telah nrencapai generasi keempat, di rnana setiap generasiyang lebih baru menrperbaiki kekurangan-kekurangan dari generasisebeltunnya. Generasipefiama,adalahsaatmulai diperkenalkannya sistemkomurikasioptik yang pertamapada tahrn 1970-an.Menggrnakan semt optik multimode dengwr redaman2 dBl Km padapanjanggelombangsinyaloptik 850 nm. Padagenerasi yang pertarnaini hambatanmasalahteknisyang palingmenonjoladalahredaman *
t2
f)oserrnadaFakultasJ'eknik.JrrnrsanElektro.
Meditek,Vol.7, No.l9,April-.htti 1999
SISTEMKOMUNIKASI...... (atterutation),dispersi komatis dan dispersimoda yang rnasih sangatbesar. Dispersi membatasikecepatandata yang dinansmisikan,karenadispersidapat menyebabkanmelebamyapulsayang dikirim padaujurg serat.Dispersikornatis disebabkankarenacahayadenganpanjanggelornbangyang berbedaberjalanpada serat optik dengan kecepatanyang berbedapula, sedangkandispeni nroda disebabkankarenacahayadenganmoda yang berbedaberjalandengankecepatan yangberbedapula. Generasi kedu,a, diperkenalkanpada tahur 1980-an,dinraksudkzururtuk mengurangipengaruhdispersikromatisdenganmengopeft$ikarsinyal-sinyaloptik padapanjanggelombang1300nm. Padapanjanggelonrbangtersebtrtseratoptik mempturyaidispersikromatisyarg minimturrdan redamantransmisiyarg kecil, yaitu hanya0,5 dB/ Krn. Padagenerasiini rnasihdigmakanseratoptiknuiltinnde danmasalahyangbelun dapatdiatasiadalahdispersimoda. Generasiketiga, masih menggturakaltsunber sinyal optik denganpanjang gelombang1300nm. Tetapisudahmenggturakan seratoptik singlentode,dengan pengarulrdispersimoda.Padagerrerasi ini nrasalahutanra fujuanuntukmengurangi adalahredamanhansmisiyangmasihcukupbesaryaitu0,5dB/ Km. padagenerasi ini digurakarsunbersirryaloptik (laser) Genemsikeempat, panjang gelornbzurg 1500 nm, denganpeftirnbanganbahwa redzunrur dengan gelornbarg minimum urtuk seratoptik adalah0,2 dB/ Km, terjadipadapzurjzurg temebrfl antara1450 1650nrn. Lebarhand da'i daerahdenganpanjanggelonrbang dispersikromatisrnenjadibesar,sehinggaurtuk ini dapatdigunakansurber sinyal optik yang betul-betul nttrmi, dengzurpzurjanggelornbangtmggal (single Iongitudinalntode). padakeempatgenerasitersebutdi Sistemnrodulasi/demodulasiyangdigrurakan atas disebut sistem intensity-modulation/direct-detection(lM/ DD), yaitu sinyal informasidibawa melalui intensitasataudaya dari sinyal yang dipancarkan. dan tidak pada frekuensi atau faseny4 sedangkanpada penerima sinyal langsurg dideteksiolehphotodetector. Sensitivitas sistemlM/ DD ini rendah,sehingga masih pengembangan kendala lebih lanjut. merupakan dalam sistem Generasikelima dari sistemkonrturikasioptik mencobamelakrkanperubahzur secara mendasar dengan mengemb:urgkar-rsistem koheren/hetero$'ne. Pengembangan sistenrini sebenamya sudahdirnulaisejaktahm 1980-an,narrlln karenamasihbanyaknyakendalateknisyangmasihperludiata-si, nrakasistemini sampaidengansaatini masihbelun dapatterwqjud.Peneliti:ur danpengen.rbangan generasi untukmewqjudkansistem kelinraini masihten"rs dilaniutkzur.
Meditek,Vol.7, No.19,April-,Iuni1999
t3
SISTEM KOMUNIKASI ......
Pada dasamya pengembangansistem kommikasi optik menyangkuttiga masalahpokok, yaitu surnbersinyal optik, sistemhansrnisidan komponenpasif sertasistemdetektoroptiknya.
Sumber Sinyal Optik Sinyaloptik berbedadengansirryallistik. Sinyallistrik diarnatidalamdimensi wakhq sedangkanpengamatan sinyaloptik dapatdilakt&andalarndirnerrsiwakhr sedangkan sinyal optik dan ruang (space).Sinyal listrik adalaheleklron-elektron, yangdapatdigurakanurhrk membawainformasihans mempuryaisifarsif,at:daya terkonsentrasi dan dau' cukup tinggi, monokromatis,koheren,stabil,pancarannya ke4a(life time)yutgculorppanjang.Sifatini dapatdiperrtfii olehLaserDiode(LD) dan Light Emitting Diode (LED) yang terbuat dari bahan semikonduktor.LD mempturyai spekhrun cahayayzurglebih sempit dan tajarn sertaberdayatinggi, sehinggaseringdigurakanuntuk komunikasijarak jauh dan menggutakatrsefta optik rnoda hmggal (singlennde). SedangkanLED nrempunyaispektrurnyang lebih lebardan berdayarendah,sehinggabiasadigtmakanrurtukkomunikasijarak pendekdenganseratoptik mttltimode. Masalahteknis yang masih menjadikendaladalam lml ini adalahpembu,atan LDI LED yang betul-betrlmonokromatis,koherendarrstabil.Faktor-faktortekrris muht dankentampuan trzutsmisi sinyalmelaluiserat tersebutsarlgatmenrpengaruhi dispersimodadandispersikrornatis. optik,tenrtamaberkaitander.rgan LD yang urnrurnyaberadadi pasaransaatini dibu,atdenganstnilcturresonator dan Febry-Perot.Spektnuncahayakeluarandarijenis LD ini tidak monokromatis, kecepatan tinggi dan frekuensinyatidak stabil apabiladiberikan modulasidengan juga apabilaterjadi perubahantemperatur.Berbagaiteknik telah dikembargkart denganpenyaratandi turtuk menciptakanLaser Diode yang bennr-rtutinggi sesr.lai atas.Unhft mendapatkanoutputcahayayangstabildanbennodaturggal, dilalarkan modifikasi padastnrkturbenhrkresonatomya.Denganstnrktu Disf ibutedFedback g'ating pada (DFB) atat Distributed Bragg Reflector(DBR) yang menggunakan resonatomyadidapatkanhasil keluarancahayalaseryartg lebih stahil dansingle mode.LD jenis ini sudahbisadidapat di pasarandenganhargayang lebih tinggi dibandingLD biasa(FP). SbukturbentukLED, LD dan DBR dapatdilihat pada Gambarl.
t4
Meditek,Vol.7,No.19, April-.Iuni1999
SISTEM KOMUNIKASI ......
r.l LtD
{b) cohv.^tlo.rlLD
(c) oSM to {DBF.orBl
Gambar 1. Structureof typical semiconductorlasers,Light emitting mode dioda ([,ED) is also showr for reference
terus dilalarkanagar didapatkanhasil yang maksimal. Penelitian-penelitian Penyempumaan dilakukan baik shuktumya ataupul bahan resonator yang selanjuftryaadalahpembuatanLD berdayatinggi I s.d. digrurakan.Pengernbangan 5 Watts, Laser sumur kuantum (Qtnntum well laser) yang mempunyai ams ambangyang rendahdan laserpancaranpemrukaan(vuface entitting laser) yang cocok turtuk shukhu array. Disesuaikandengankarakteristikredamanpada serat optik, maka pengembanganftmcangLD diarahkanpada pembu,atanLD dengan gelombang antara1300s.d.1500nnr.
Transmisi Sinyal Optik Sinyal optik dapatmenjalarsepanjangseratoptik karenaindeksrefraksidari inti (core) lebih besardari indeks refraksiseluburgnya(cladding),sehinggaterjadi "total internal reflection".Seratoptik modahnggal (singlemode)dan modajamak (multi mode) dibedakandari diameter intinya. Unhrk moda jamak diameter inti modanurgglal sekitarl0 - l5 m. sekitar100- 125m, sedangkan Rugi-rugi propagasipadaseratoptik silika terganhngpada(merupakanfungsi dari) panjanggelombarg cahaya.Untuk panjanggelombangpendekdi bawah 1,6 m, rug propagasiditentukanoleh adanyaRayleighscattering /oss karenatidak homogennyamaterial.Untuk gelombangparjang di atas 1,6 m rugi propagasi disebabkankarenaadanyaredamaninfra-merahmaterial.Rugi minimum terletak padasekitarpanjanggelombang1,6m. Rugi/ losspadapanjanggelombang1,6m tersebutadalahsekitarsetengahnya dari 1,3m, dansekitarsepenepuluhnya dari rugi pada 0,85 m. Diagram rugi atau /o.s^rserat optik sebagaifrurgsi dari panjang gelombangdapatdilihatpadaGambar2.
Meditek,vol. 7,No.l9, April-Juni 1999
t5
SISTEM KOMUNIKASI ......
4oCH.h.m 9.4[n L9*
Wavelength
Gantbar2.
(h)
'fransrnission [,ossof Single Mode lriber
Penggunaan seratmodaturggal memurgkinkandapatdihilargkannyakesulitan teknispadaseratmodajamak,yaitu adanyaderaumoda(modalnoise)dandispersi moda, sehinggadapat menalkkanbanthuTilr trzusmisi.Bandtvidtfttransmisi dari seratmodattnggal dibatasi/dipengaruhioleh dispersimaterialdan dispersistrukhr wavegyide,sertadibatasijuga olehlebarspektraldari LD danbondwidthrnodulasi.
Rangkaian Optik Terpadu elektronikinteg'oledc'ircuil(lC). rnakapadarangkaian Sepertihalnyarangkaizur juga optik dikenrbangkankonsep integratedoltlics circuil (lOC). Rangkaian transntitterdut receiveroptik yangterdiri atasLD, rrtodulator,dentodulator,filter, tuner,coupler,dan lain-lain. Dibuatdalarnsaturangkaiantetpadudalarnsaluchip kemampu,an sistertryang sepertidiperlihatkanpadaGambar3, sehinggadidapatkan lebihbaik.
'-q
Fl.{tnc Outfiul
ili
I ii, r,,rl..,nt El€rtriclrput O)(t)
Slaik9d Mic rols.
opticalintegrated Gambar3. Conceptionaldiagramsof (a) a planartype scmiconductor circuit and (b) a stackedopticalintegratedcircuit
l6
Meditek,Vol.7,No.l9,April-Juni1999
SISTEM KOMUNIKASI ......
(modeling),fabrikasi Pengenrbangan IOC menyangkrrtteknologipeftmcallgan padadua basisyaitu dengan dan karakteristerisasi. Riset IOC ini dikerrrbarrgkzur (Ga, basisbahansemikonduktor As, In. P) dan bahansilikon (Si). Basisbalran yangada,sedangkan semikonduktorkompatibeldengankonrponenoptoelektronika basis silikon kompatibeldenganseratoptik. Bahansenrikonduktormempuryai mobilitascanier yangtinggi, sehinggacocokurtuk digutakansebagaikomponen switching dan modulator dengankecepatantinggi, tetapi bahzursilikon tidak menturjukkansifatstuitchitEyarlg baik, sehinggapeng$maamyarnasihterbatas dan masihperlupenelitianlebih lanjut.Bahar semikonduktor nrasihcukup nrahal fabrikasinya dan nrenrerlukan teknologitinggi,sedangkan silikonnrurahdzur bahzur mudahdidapatsertateknologifabrikasinya sederhana.
Sistem Komunikasi Koherenl Heterodyne Sepertidiruaikzurterdaltulubahwa sistem kornurikasi optik sarnpaidengzur generasiyangkeempatmasilrmenggxurakar sistemrnodulasiintensitasdan deteksi (intensi6'ntodulation/ langsturg direct
Meditek,Vol.7,No.l9,April-Jtmi1999
l7
SISTEM KOMUNIKASI ......
heterodyne lebih selektif untuk dapat membedakanmasing-masingpanjang gelombangpadasistemwavelength divisionmiltiplexer(WDIO. Padatransmittersistemkoheren,sinyal optik dari suatuLD berfrekuensitunggal dimodulasidengansinyal informasidenganmodulasiASK, FSK atatrpunPSK. DenganASK didapatperbaikanS/ N sebesar'10 - 25 dB dari sistemIM/ DD. SelanjunryadengansistemFSK akandidapattambahanperbaikansebesar3 dB jika digunakansistemPSK. Sinyal optik yang diterimapadareceiverlrcterodyneatauhomodynedicampur dengan sinyal optik dari srntu Local Oscillator (t,O). Pada sistem heterodyne pencampwan sinyal LO dengan sinyal pembawa menglrasilkansinyal lF (intermediotefrequency) yang selanjutryapendeteksiansinyal dilakukan pada sinyal IF tersebut.Padasistemhomo$mesinyal optik yang diterima dicampur dengan sinyal LO dengan frekuensi yang sama, sehinggapendeteksiansinyal dilahkan secaralangsurg tanpa lebih dulu dihnturkanrnenjadisinyal IF. Sistem homodynemempuryai sensitivitasyang lebih baik, tetapi rmgkaiandetektomya lebilr rumit. Diagnm blok sistemdeteksilangsurgdan sistemheterot{tnedapat dilihatpadaGambar4. t--,d] . . ;. . r__ _J L ' ._ .r J L |
-ffi*- |;l-.p,#l-,, 1,,-' l"{')"""J""u'""'!,
I I
t ''il] F1z#Er]t[-i]-r l,' *l' _.__-\;:r''; v^" I' h'' \I
I
I
l;;;r
I
I'oul
ft;;,.",.,.,
| I|
-.-l -; lrru | ../ ; G;-l .Fd l-y'/-__,,j u,r, ; - u Io-----{ tI ^ 'i n . . u . . , 1-_, 1, 1,r ru,'.
l,i::
1.,':_J /.'f-
Ih
I I
-l
Il " ' .
lt.
|1
" ."
:i:
li'-l ;".fid.,.,,iol,.(i;\.,
L_____* Gambar4. Optical DetectionSystern ;-
Unhrk dapat mewujudkan sistem koheren/heterodTme ini dalam praktik y,urg sesunggulmyamasih dihadapi beberapakendalateknis yang masih perlu pemecahan,dan hal ini menjadi tantanganturhrk penelitizurdan pengembangan lebihlaniut.Masalah-masalah tersebutadalah:
l8
Meditek,Vol.7,No.l9,April-.hmi1999
SISTEMKOMUNIKASI...... 1. Masalah yang utama adalah pembuatan LD dengan frekuensi tunggal (monokromatis) yang stabil, yang digunakan sebagaitransmitter atau LO. Typical frekuensiIF adalah0,2 -2 Ghz, yaitu 10-6- 10-r0kali dari frekuensi sumber LD (sekitar 200 Thz), dengan demikian maka pembuatanLD untuk sumber optik dan LO denganfrekuensi yang stabil menjadi masalahyang tidak ringan. 2. Yang kedua adalah memperbaiki spektrum LD agar lebih "bersih". Jika sinyal pembawa dan sinyal LO mengandungnoise, maka perubahan frekuensi dan phasa akan mengakibatkannaiknya BER. modulatorASK, FSK dan PSK. untuk perancangan 3. Perlu pengembangan 4. Perlu pengembangansistem optical mixer danoptical amplifier. 5. PengembanganOptical Integrated Circuit (OIC) untuk mengintegrasikan semuakomponen tersebutagar didapatperformance yang lebih baik.
Kesimpulan dan Penutup Dari pembahasandi atasdapatdisimpulkanperkembangansistemkomunikasi serat optik dari generasipertamasampaidenganyang kelima adalah,bertuju,an untuk mengupayakanperbaikanturhrk kerja sistemyang menyangkutaspek-aspek teknissebagaiberikut : l. Upaya mentransmisikansinyal optik denganrugi transmisi dan distorsi sinyal yang sekecil mungkin, sehingga dapat dicapai tujuan menstrasmisikan sinyal optik sejauh-jauhnya dan memuat informasi sebanyak-banyaknya.Masalah teknis yang pertama adalah membuat sumber cahaya yang monokromatis, stabil dan efisien dengan panjang gelombang sekitar 1,3 - 1,6 m. Yang kedua adalah penggunaanserat optik denganrugi transmisiyang sekecilmungkin, hal ini akan tercapai apabiladidapatteknik fabrikasiyang baik. 2. Yang kedua adalah kemampuan mentransmisikan berbagai jenis informasi (voice, data dan gambar) dengan mutu yang lebih baik dan dengan efisiensi daya yang tinggi. Untuk ini ditempuh dengan upaya mewujudkan konsep komunikasi koheren/ heterodynedenganperangkat optika terpadu(IOC). 3. Memperluas fungsi peralatan komunikasi optik turtuk meningkatkan kemampuan sebagai rangkaian switching, filter, multiplexingl demultiplexing, coupler, branching, amplifier, dan lain-lain.
Meditek,Vol.7,No.19,April-Juni1999
t9
SISTEM KOMUNIKASI
......
Pengembanganrangkaian optikpasif ini merupakan bidang tersendiri dengan prospek aplikasi yang sangatluas sepertibidang instrumentasi, komunikasi dan komputer. Demikian pembahasansistem kommikasi seratoptik dan perkembangannya. Semogatulisan ini bermanfaatdan dapatmemperhnswawasantentangtimtangan kemajuanteknologi komturikasi seratoptik, dan gambaranprospeknyadi masa mendatang.
Kepustakaan l. Jhon R. Barry and Edward A. l,ee : "Performanceof Coherent Optical R@eivers",Proceedings of The IEEE,vol. 78,No. 8, August1990. 2. Kenichi lga, Seiji Uchiyama:"GalnAsp/tnP Surface- emittingLaserDiode", OpticalandQuantun ElechonicsI 8 (I986) 403- 422. of Microoptics",ICO - 74,c5.4 3. Kenichcilga :"Progress 4. ShigehisaArai : SpecialLechre on "SemiconductorLasers",University of Indonesi4Jakarta,T - 13 December1990. 5. ShigehisaArai and YasuharuSuematsu: "Dy'nmic Single Mode Laseering (l-aserKENKYU), vol. 16,No. I l, pp.767- 774,Nov. 1988(in Japanese). 6. T. Okoshi : "Heterodyneand CoherentOptical Fiber Cornrnurication",3 rd NationalSymposiwnon OpticalFiberandtheirApplications,Jablona- Poland, 1983. 7. T. Okoshi et. al : "Con.rputationof Bit-Enor Rate of Variots Heterodyneand Coherent-type Optical Communication Schemes", Joumal of Optical Communication 2 (1981)3,89-96. 8. YasuharuSuematsu:"Long - wavelengthOptical Fiber Commurication", Open HouseLecturein UI GraduateSchool,1980. 9. YasuharuSuematsu:"OptoelecftonicsSemiconductorDevicesin Japan- Present StahsandFuhre Prospect",JSTReports,volZ,No.4, Winterl986. 10.YasuharuSuematsu:"lntroductionto OpticalFiber Comunication",JhonWiley & Sons,New York, 1982.
20
Meditek,Vol.7,No.l9,April-Juni1999
