KONSEP DASAR SERAT OPTIIK

Struktur Kabel Serat Optik

Struktur kabel serat optik secara umum dibagi atas tiga bagian yaitu :

1.    Inti (core) : Terbuat dari bahan plastik kaca halus yang berkualitas tinggi dan tidak mengalami perkaratan (korosi). Inti merupakan bagian utama dari serat optik karena perambatan cahaya terjadi pada bagian inti.

2.    Selubung / kulit (cladding) : Cladding dilapiskan pada core sebagai selubung inti. Selubung (cladding) ini juga terbuat dari bahan yang sama tetapi indeks biasnya berbeda dari indeks bias inti, tujuannya agar cahaya selalu dipantulkan kembali ke inti oleh permukaan selubungnya dan memungkinkan cahaya tetap berada di dalam serat optik.

3.    Jaket / pembungkus (coating) : Sekeliling inti dan selubung dibalut dengan plastik yang berfungsi untuk melindungi serat optik dari goresan, kotoran dan kerusakan lainnya. Jaket serat optik juga mengisolasi serat-serat lain yang berdekatan di dalam satu bundelan jika merupakan kelompok serat, seperti terlihat pada Gambar :

Struktur serat optik

Jenis Serat

Jenis serat dapat dibagi menjadi dua macam :

a.  Singlemode

Serat singlemode mempunyai ukuran diameter core yang sangat kecil yaitu sekitar yaitu sekitar 4-10 μm dan diameter cladding sebesar 125 μm seperti pada Gambar 2.2. Secara teori, serat ini hanya dapat mentransmisikan sinyal dalam satu mode. Karena singlemode hanya mentransmisikan sinyal pada mode utama, sehingga dapat mencegah terjadinya dispersi kromatik. Serat ini baik pita frekuensi transmisi yang lebar dan kapasitas transmisi yang besar. Oleh karena itu cocok untuk kapasitas besar dan komunikasi serat optik jarak jauh

.

b. Multimode

Pada panjang gelombang operasi tertentu, jika serat optik mentransmisikan sinyal dalam berbagai mode, maka disebut serat multimode. Serat multimode biasanya memiliki diameter core antara 50-70 μm dan diameter cladding antara 100-200 μm seperti pada Gambar 2.3. Jenis serat ini biasanya memiliki performansi transmisi yang buruk, bandwidth yang sempit dan kapasitas transmisi yang kecil

Transmisi Serat Optik

Pada bagian pemancar, sinyal elektrik diubah menjadi sinyal optik oleh optoelektronik berupa Laser Diode (LD) dan Ligth Emiting Diode (LED). Setelah melalui serat optik cahaya tersebut akan mengalami redaman dan rugi-rugi akibat penyambungan baik penyambungan secara mekanik maupun dengan teknik splicing, kemudian sinyal yang berupa cahaya tersebut akan melaui receiver dan diubah kembali menjadi sinyal elektrik oleh detektor yang terdiri dari optoelektronik tranducer yaitu photo diode. Secara sederhana transmisi gelombang cahaya dapat ditunjukkan seperti pada Gambar :

Dimana light-emiting atau laser diode berfungsi sebagai pengubah menjadi sinyal optik dan photo diode sebagai kebalikannya.

Karakteristik Transmisi Optik

Media transmisi serat optik memiliki karakteristik untuk membedakan jenis serat otik yang akan digunakan pada transmisi optik[3]. Beberapa karakteristik transmisi optik diuraikan sebagai berikut :

1.  Panjang Gelombang

Salah satu karakteristik dasar dari serat optik adalah nilai redaman sebagai fungsi dari panjang gelombang seperti pada Gambar Pada awal penggunaan serat optik digunakan pada daerah panjang gelombang 800-900 nm. Sejak karakteristik jenis serat optik ditemukan panjang gelombang operasi dioperasikan pada daerah ini dan menunjukkan redaman minimum pada kurva redaman, dan sumber optik dan photodetector telah dapat beroperasi pada daerah ini. Daerah ini sering disebut window I. dengan mengurangi konsentrasi impuritas ion hidroksil dan ion metalik pada material serat, serat kemudian dibuat pada daerah redaman yang sangat rendah yaitu pada panjang gelombang 1100-1600 nm. Spektral bandwidth ini menunjukkan daerah long-wavelength. Dua window didefinisikan disini, window II pada daerah sekitar 1300 nm, dan window III pada daerah 1550 nm.

Pada daerah 1550 nm memiliki dispersi yang lebih tinggi daripada 1300 nm. Faktor dispersi ini akan membatasi pengembangan sistem transmisi optik ini secara berarti. Dispersi pada daerah 1300 memiliki dispersi nol dengan redaman.

serat tinggi pada daerah ini. Sementara itu, pada daerah 1550 nm memiliki dispersi yang besar dengan redaman yang kecil.

Dengan ditemukannya serat jenis dispersi tergeser yang dikenal dengan Dispersion Shifted Fiber (DSF),maka dispersi tinggi yang terjadi pada daerah 1550 nm tersebut bisa digeser sehingga dispersi nol-nya (zero dispersion) berada panjang gelombang 1550 nm dan redaman yang lebih kecil daripada 1300 nm tersebut.

2.   Daya Output

Daya output adalah besarnya daya yang dihasilkan dari sumber cahaya dalam satuan mW. Daya output ini bisa dihasilkan dari LED dan laser. Penggunaan kedua sumber ini dapat dipilih berdasarkan pada panjang gelombang operasi yang digunakan serta bit rate yang digunakan. Daya output digunakan untuk mengirimkan informasi sehingga dapat diterima dengan baik di penerima, sehingga Pout = Pt.

3.    Attenuasi (Redaman)

Attenuasi (Redaman) sebagai perbandingan antara daya input (Pin) optik terhadap daya output (Pout) sepanjang serat L. redaman dalam serat optik untuk berbagai panjang gelombang tidak selalu sama karena redaman ini merupakan fungsi panjang gelombang.

Dalam perhitungan sinyal redaman optik sederhana, prosedur umum untuk menyatakan koefisien redaman dalam satuan decibel per kilometre. Gambaran parameter ini dengan α, dinyatakan dalam Persamaan : 

dimana :

α = redaman (db/km)

Pin = daya terima (mW)

Pout = daya kirim (mW)

L = panjang serat (km)

Penyebab attenuasi yaitu karena absorbsi serat yang terdiri dari dua penyebab :

1. Redaman instrinsik yaitu redaman oleh material serat (silica). Material serat akan meredam pada frekuensi tertentu berdasarkan sifat resonansi elektronik dan resonansi vibrasi.

2. Redaman ekstrinsik yang terjadi oleh karena adanya ketidakmurnian oleh karena adanya atom-atom yang tercampur seperti Fe; Cu; Co; Ni; Mn; dan Cr yang mengakibatkan redaman kuat pada daerah panjang gelombang disekitar 0,6 sampai dengan 1,6 μm.

Penyebab redaman yang lain adalah efek hamburan (scattering). Hamburan ini bisa diperinci lebih jauh dengan hamburan linier dan hamburan non linier. Selain itu penyebab attenuasi yang lain yaitu radiasi sinyal yang disebabkan oleh karena kegagalan pantulan total oleh lekukan/bengkokan (bending).

Redaman Saluran

Dalam suatu transmisi optik terdapat redaman total saluran yang dinyatakan dengan persamaan berikut:

αtot = nc. αc + αs. ns + αf.L

dimana :

αtot = besarnya redaman total (dB)

nc = jumlah konektor yang digunakan

αc = redaman konektor (dB)

ns = jumlah sambungan

αs = redaman splice/sambungan (dB)

αf = redaman serat optik (dB/Km)

L = panjang kabel optik (Km)

Link Power Budget

Pertimbangan lain yang paling penting untuk sistem transmisi optik adalah power budget. Dengan mengurangkan seluruh redaman optik sistem daya yang dikirimkan oleh transmitter, perencanaan sistem serat optik memastikan bahwa sistem mempunyai daya yang cukup untuk mengemudikan receiver pada level yang diinginkan. Parameter – parameter link budget antara lain daya transmitter, redaman konektor, redaman splice (sambungan), redaman serat optik dan daya receiver seperti pada Gambar :

Daya input yang diizinkan untuk receiver disebut dengan sensitivitas receiver dan akan tergantung pada BER (Bit Error Ratio) tertentu. Perbedaan antara daya output transmitter dan sensitivitas receiver disebut dengan gain. Disain suatu serat optik juga harus menyisakan beberapa margin tambahan di atas daya input minimum receiver untuk mengkompensasi degradasi dan fluktuasi sistem atau penggabungan komponen-komponen tambahan ke dalam suatu rentang fiber guna penyediaan layanan dan kapabilitas jaringan baru. Persyaratan performansi BER dan cost tergantung dari aplikasi, dimana harga margin daya 3 sampai 10 dB[4]. Persamaan umum untuk perencanaan power budget adalah:

Pout = Pin + αtot + Ms

dimna :

Pout = Daya ouput (dBm)

Pin = Daya Terima (dBm)

αtot = Loss channel total (dB)

Ms = Sistem margin/cadangan daya (dB)

Daya Terima

Sensitivitas penerima didefinisikan sebagai level sinyal terima yang diterima di receiver. Untuk mencari besar sensitivitas penerima dapat digunakan persamaan berikut yang diturunkan dari persamaan link power budget, yaitu :

Pin = Pout – αtot - Ms

dimana :

Pin = daya terima (dBm)

Pout = daya kirim (dBm)

αtot = besarnya redaman (dB)

Ms = Margin/cadangan daya (3-10dB)

Amplifier (Penguat)

Amplifier atau penguat berfungsi sebagai penguat sinyal transmisi. Pada tranmisi fiber optik, amplifier lebih dikenal dengan nama optical amplifier. Optical amplifier dapat diletakkan pada jaringan kabel serat optik dan pada perangkat transmisi seperti DWDM.

Umumnya optical amplifier yang sering digunakan pada transmisi optik sekarang ini adalah EDFA (Earth Doped Fiber Amplifier) dan Raman Amplifier. Besar nilai optical amplifier disesuaikan dengan nilai redaman yang terjadi pada transmisi dalam satuan dB. Selisih besar nilai penguat dengan redaman sama dengan nol.

Dispersi

Dispersi merupakan peristiwa melebarnya pulsa optik yang merambat sepanjang serat optik seperti pada Gambar 2.7[2]. Pulsa output mempunyai lebar pulasa lebih besar dari lebar pulsa input. Dispersi suatu serat optik dinyatakan sebagai pelebaran pulsa per satuan panjang (ns/km).

1. Dispersi intramodal

Dispersi ini adalah pelebaran pulsa yang terjadi dalam suatu serat optik singlemode. Sinar yang berasal dari LED dan Laser Dioda mengandung berbagai panjang gelombang, dan dikatakan memiliki suatu pita panjang gelombang atau lebar spektral, dimana bila semakin besar lebar spektral sinar yang memasuki serat optik, maka akan semakin banyak macam panjang gelombang dan semakin besar pelebaran pulsa (distorsi sinyal) yang terjadi. Dispersi intramodal ini disebut juga dispersi kromatik, ada dua macam dispersi intramodal, yaitu:

a. Dispersi Pandu Gelombang

Dispersi yang timbul karena variasi kecepatan group terhadap panjang gelombang suatu modus.

b.   Dispersi material

Dispersi yang terjadi karena diakibatkan adanya variasi indeks bias sebagai fungsi yang tidak linier dari panjang gelombang.

2. Dispersi Intermodal

Dispersi Intermodal adalah pelebaran pulsa sebagai akibat dari perbedaan kecepatan group axial antara satu modus dengan modus penjalaran lainnya meskipun frekuensinya sama. Dimana untuk menempuh panjang serat yang sama, sinar yang bermodus lebih tinggi akan lebih lambat dibandingkan dengan sinar yang bermodus lebih rendah, sehingga terjadi pelebaran pulsa. Gangguan ini dapat ditiadakan dengan menggunakan serat optik singlemode. Pengaruh dispersi pada kinerja dari system transmisi fiber optik dikenal dengan intersymbol interference (ISI). Intersymbol interference terjadi ketika peleberan pulsa yang diakibatkan oleh dispersi menyebabkan pulsa output pada sistem menjadi overlap dan membuatnya tidak terdeteksi. Jika sebuah pulsa input yang diakibatkan menjadi melebar yaitu perubahan rata-rata dari input melebihi batas dispersi dari serat, data output akan menjadi tidak dapat dibedakan.

sumber : Diktat Perkuliahan USU