1 SIMULASI PERGESERAN DISPERSI PADA

SIMULASI PERGESERAN DISPERSI PADA SERAT OPTIK MODA TUNGGAL
Mutia Dwi Purnama*, Saktioto, Dedi Irawan
Mahasiswa Program S1 Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Riau
Kampus Bina Widya Pekanbaru, 28293, Indonesia
*[email protected]
ABSTRACT
A shift transmission in a single mode optical fiber by using standard optical fiber Corning ®
SMF-28e+® has been simulated. The parameters are refractive indices, core and cladding
radii and wavelength. The core radii are varied from 1.1 µm – 5.1 µm. The method used in
OptiFiber Software is to calculate the mode waveguide dispersion, material dispersion and
total dispersion. The results showed that the core radius of 2.1 µm is located at the zero
dispersion wavelength of 1.5748 µm. The spreading material on the wavelength of 1.55 µm
has spread material increases when the core radius is smaller. The waveguide dispersion and
total dispersion at wavelength of 1.55 µm have the lowest spread in the radius of 2.1 µm.
This occurs because the number of signals entering the optical source in optical fiber core is
large, so there would be a time difference light propagation radiating at the core and the
cladding fiber.
Keywords: Single Mode Optical Fiber, Dissemination Intramoda, OptiFiber Software.
ABSTRAK
Telah dilakukan simulasi pergeseran dispersi pada serat optik mode tunggal yang
menggunakan standar serat optik Corning® SMF-28e+®. Parameter yang diginakan adalah
indeks bias, inti dan selubung serta panjang gelombang. Radius inti divariasikan dari 1.1 µm 1.5 µm. Metode yang digunakan adalah software OptiFiber untuk menghitung dispersi pandu
gelombang, dispersi material serta dispersi total. Hasil penelitian menunjukan pada radius inti
2,1 µm dispersi nol terletak pada panjang gelombang 1,5748 µm. Dispersi material pada
panjang gelombang 1,55 µm memiliki dispersi material yang meningkat ketika radius inti
semakin kecil. Dispersi pandu gelombang dan dispersi total pada panjang gelombang 1,55
µm memilki nilai dispersi terendah pada radius 2,1 µm. Hal ini terjadi karena banyaknya
sinyal-sinyal sumber optik yang masuk pada inti serat optik, sehingga akan memunculkan
perbedaan waktu peramabatan cahaya yang menjalar pada inti dan selubung serat.
Kata Kunci: Serat Optik Mode tunggal, Dispersi Intramoda, Software OptiFiber.
1
PENDAHULUAN
Sistem komunikasi serat optik
berkembang
pesat
pada
teknologi
telekomunikasi.
Dalam
bidang
telekomunikasi dibutuhkan komunikasi
berkecepatan tinggi dan berkapasitas
besar. Salah satu kebutuhan itu ada pada
penerapan kabel serat optik sebagai media
transmisi. Teknologi serat optik akan
memberikan kemungkinan yang lebih baik
bagi jaringan telekomunikasi, terutama
dalam hal komunikasi data (Wahyudi,
2010).
Sistem komunikasi berbasis serat
optik dapat berfungsi sebagasi media
transmisi karena memiliki sifat linier. Serat
linier merupaka serat yang dapat
mempertahankan panjang gelombang yang
bergantung pada parameter bahan suatu
serat. Sifat linier dari serat optik
memberikan dua efek utama pada
perambatan cahya optik yaitu dispersi dan
absorpsi. Dispersi pada serat optik
merupakan peristiwa melebarnya pulsa
optik yang merambat sepanjang serat optik
(Agrawal, 2002). Absorpsi pada serat optik
merupakan peristiwa penyerapan sebagain
cahaya optik yang terjadi akibat ketidak
murnian bahan serat optik yang digunakan
(Zuliandri, 2014).
Pulsa optik terdiri dari rentang
frekuensi-frekuensi optik, karena indeks
bias bergantung pada frekuensi maka
komponen-komponen frekuensi yang
berbeda pada pulsa optik tersebut akan
bergerak dengan kecepatan grup yang
berbeda, fenomena ini disebut dispersi
kecepatan
grup
(Group-Velocity
Dispersion, GVD). GVD ini menimbulkan
dispersi, dimana ketika pulsa optik
dimasukan kedalam sebuah serat optik,
pulsa mengalami pelebaran. Dispersi
menyebabkan
pulsa-pulsa
yang
bersebelahan akan tumpang tindih dan
membatasi kecepatan pengeriman data
(Endra, 2005).
Berbagai metode telah ditemukan dan
digunakan dalam perancangan guna
mengurangi dispersi dan distorsi sehingga
didapatkan optimalisasi proses transmisi
dalam serat. Salah satunya adalah dengan
serat yang mengalami pergeseran dispersi
(Dispersion Shifted Fiber, DSF) (Barake,
1997). DSF adalah jenis serat optik yang
dibuat untuk mengoptimalkan baik
dispersi rendah dan atenuasi rendah
(Agarkar, 2011).
Pada penelitian ini, parameter DSF
akan disimulasikan pada OptiFiber yang
merupakan suatu perangkat lunak sistem
optik. OptiFiber dapat menghitung dan
menampilkan banyak parameter penting
yang dapat di ubah–ubah. OptiFiber juga
dapat menghitung dispersi serat pada
rentang
panjang
gelombang
yang
diingikan.
METODOLOGI PENELITIAN
Simulasi pergeseran dispersi pada
penelitian
ini
dilakukan
dengan
menggunakan software OptiFiber. Nilai
yang diinput adalah berdasarkan informasi
yang diperoleh dari produk Corning®
SMF-28e+®. Dalam penelitian ini hasil
akhir yang di dapat adalah karakteristik
grafik beserta nilai dispersi nol pada
panjang gelombang tertentu. Berikut data
yang terdapat pada Corning® SMF-28e+®
untuk kebutuhan simulasi.
Tabel 1. Nilai parameter input
Jenis Parameter
Radius inti
Nilai
Parameter
4.1 µm
Radius selubung
62.85 µm
Panjang gelombang (λ)
1310 nm
Numerical Aperture (NA)
Indeks bias efektif (Neff)
0.14
n1 = 1.4674
n2 = 1.4607
2
Tahapan Penelitian
Dalam simulasi pergeseran dispersi
nol, software OptiFiber akan di operasikan
untuk mendapatkan grafik beserta nilai
disprsi nol pada panjang gelombang
tertentu. Adapun langkah-langkah yang
akan dilakukan adalah:
1.
Menentukan profil serat dengan
membentuk daerah 0 (Region 0)
yang mewakili inti serat dan
membentuk daerah 1 (Region 1)
yang mewakili selubung searat
denagn
menginput
nilai-nilai
®
paramater
Corning
SMF28e+®seperti radius dan indeks bias
inti pada daerah 0, radius dan indeks
bias selubung pada daerah 1, serta
panjang gelombang.
2.
Untuk menemukan dispersi panjang
gelombang nol, pada penelitian ini
modes yang digunakan adalah LP
Modes (Matrix Method) dan dengan
menginput nilai panjang gelombang
dari 1.3 µm sampai 1.6 µm dengan
iterasi sebanyak 100 kali.
3.
Untuk mendapatkan dispersi panjang
gelombang
nol
dilakukan
optimalisasi
profil
dengan
menginput nilai radius inti pada
daerah 0 (Region 0) seminimum
mungkin yaitu dari 0.99 µm sampai
6.1 µm dengan iterasi sebanyak 60
kali.
4.
Mengkalkulasi semua langkah di
atas sehingga diperoleh karakteristik
grafik beserta nilai dispersi nol pada
panjang gelombang tertentu.
Simulasi yang dilakukan untuk
pergeseran dispersi pada serat optik mode
tunggal Corning® SMF-28e+® dalam
penelitian ini adalah memperkecil nilai
radius inti dengan rentang panjang
gelombang 1,3 µm – 1,6 µm.Pada
penelitian ini juga akan di analisa bagai
mana perbandingan bentuk grafik dispersi
awal dan grafik yang mengalami
pergeseran dispersi.
1.
Menetapkan Profil Serat (Defining
Fiber Profile)
Menetapkan profil serat merupakan
langkah pertama yang dilakukan dalam
penelitian ini. Pertama dari menu File klik
New untuk membuka projek baru,
kemudian klik icon Fiber Profile di dalam
Navigator. Gambar tampilan Navigator.
Gambar 1. Navigator pemandu proses
input.
Pada perancangan profil serat
terdapat dua jenis profil. Pertama, Profil
Indeks Bias (Refrective Index Profile)
yaitu metode untuk menentukan geometri
serat. Kedua profil konsentrasi dopan
(Dopant
Concentration
Profile)
merupakan metode untuk menentukan
komposisi material serat. Berikut tampilan
tipe profil Gambar (2)
3
panjang gelombang awal yaitu 1.3 µm,
lalu klik Ok. Proses tadi akan memperoleh
grafik perbandingan antara jarak radial dan
indeks bias, yang menggambarkan bagianbagian dari serat optik.
1.
Gambar 2. Tipe profil untuk
mendefenisikan profil
indeks bias.
Pada penelitian ini akan digunakan profil
indeks bias (Refractive index) karena
metode ini digunakan ketika parameterparameter serat yang dibutuhkan telah
diketahui, yaitu seprti indeks, radius inti
dan selubung serta panjang gelombang.
Berikut tampilan dari kotak dialog profil
indeks bias distribusi Gambar (3.5)
Menemukan Dispersi Nol pada
Panjang Gelombang
Setelah menetapkan profil serat,
selanjutnya akan dilakukan penghitungan
ulang profil serat untuk mengetahui profil
serat yang dibuat adalah mode tunggal step
indeks. Langkah pertama tentukan motode
pemecah mode yang akan di guakan.
Gambar 4. Kotak dialog penghitungan
ulang profil serat.
Gambar 3. Tampilan kotak dialog yang
akan
digunakan
untuk
menetapkanprofil serat (Fiber
Profile).
Pada kotak dialog Fiber Profile
terdapat
fitur-fitur
penting
untuk
menetapkan profil serat optik yang akan
dibentuk. Klik Add sebanyak dua kali
sehingga akan muncul Region 0 dan
Region 1. Selanjutnya klik Region 0 untuk
memasukan data dari inti serat optik
Corning® SMF-28e+®, Setelah selesai klik
Apply. Dengan cara yang serupa klik
Region 1 untuk memasukan data dari
selubung serat optik Corning® SMF28e+®, dan klik Apply. Masukkan nilai
Gambar 4 merupakan kotak dialog
yang menghitung kendali mode LP serat.
Pemecah mode (Mode Solver) yang akan
digunakan pada penelitian ini adalah LP
modes (Matrix Method), karena metode ini
sangat akurat terutama dalam perhitungan
dispersi dan turunan lainnya dengan
panjang gelombang tertentu. Tekan
“Recalculate”, program ini memberikan
indeks modal pada panjang gelombang
tertentu dan menunjukkan preview dari
bidang modal. Lalu klik “Ok” untuk keluar
dari kotak dialog “Modes”.
Setelah memastikan mode serat yang
dipilih, selanjutnya menghitung sifat dasar
mode. Berikut tampilan kotak dialognya.
4
Pada Gambar 3.6 scan yang digunakan
adalah “Region 1”, karena pada tahap ini
untuk menghitung karakteristik dispersi vs.
panjang gelombang yang merupakan hasil
akhir yang diinginkan atau tujuan dari
penelitian. Pilihan pada kotak dialog
Calculate yang digunakan hanyalah
“group Delay and Dispersion”. Parameter
pada “Region 1” akan diubah nantinya dan
program akan menhitung.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Gambar 5. Kotak dialog sifat dasar
mode.
Untuk menghitung sifat dasar mode
pilih “Wavelength” pada jendela “Scan”
lalu ketik nilai yang sudah di tentukan
pada kolom From 1.3, To 1.5 dan Step 100
pada jendela “Parameters”. Ceklis
parameter Group Delay and Dispersion
pada jendela “Calculate” lalu tekan tombol
“Calculate” untuk mendapatkan grafik
dispersi pada panjang gelombang tertentu.
2.
Hasil dari simulasi pergesearan
dispersi dengan panjang gelombang
tertentu dan dengan memvariasikan radius
inti menggunakan software OptiFiber telah
diperoleh. Berikut ini adalah hasil yang
diperoleh dari software OptiFiber.
Optimasi Profil
Untuk mencapai dispersi nol pada
panjang gelombang tertentu misalnya pada
1550 nm, program OptiFiber bisa
mencapai itu dengan mengubah besar
radius dari inti.
Gambar 6. Contoh kotak dialog yang
digunakan untuk
mendapatkan nilai dispersi
nol dengan parameter yang
divariasikan.
Gambar 7. Grafik dispersi pada
radius inti 4,1 µm.
Pada radius ini, sinyal optik menjalar
masuk sejajara sumbu serat optik pada
panjang gelombang 1,3359 µm, karena
dispersi nol pada panjang gelombang
1,3359 µm dengan kemiringan 0,08815
[ps/nm2.km]. Hasil dispersi dari simulasi
parameter
Corning®
SMF-28e+®
menggunakan
Software
OptiFiber
mendekati nilai dispersi spesifikasi
dispersi nol terletak pada panjang
gelombang kecil dari 1,304 µm dan besar
dari 1,324 µm dengan kemiringan kecil
dari 0,092 [ps/nm2.km]. Diketahui pada
panjang gelombang 1,55 µm di radius 4,1
µm, nilai dispersi material 18,9085
[ps/nm.km],
nilai
dispersi
pandu
gelombang -3,34104 [ps/.nm.km], dan
5
dispersi total 15,5242 [ps/nm.km].
Dispersi akan semakin besar ketika
panjang gelombang makin besar karena
adanya variasi indeks bias sebagai fungsi
yang tidak linier dari panjang gelombang
serta adanya veriasi kecepatan grup
terhadap panjang gelombang suatu mode.
Semakin besar dispersi yang dihasilkan
maka bit rate maksimal yang digunakan
dalam satu jarak akan berkurang.
Gambar 9. Grafik dispersi pada radius inti
1.1 µm.
Gambar 8. Grafik dispersi pada radius inti
2.1 µm.
Pada Gambar 4.4 radius inti di
perkecil dari 4,1 µm menjadi 2,1 µm,
dengan memperkecil radius inti 48%
mengakibatkan dispersi nol terletak pada
panjang gelombang 1,5748 µm dengan
kemiringan 0,07723 [ps/nm2.km], dimana
menjelaskan sinyal optik menjalar masuk
sejajar sumbu serat optik pada panjang
gelombang 1,5748 µm, sehingga dispersi
nol mengalami pergeseran karena diameter
inti mengecil. Diketahui pada panjang
gelombang 1,55 µm pada radius 2,1 µm,
nilai dispersi material 19,4295 [ps/nm.km],
dispersi pandu gelombang -20,8433
[ps/nm.km], dan dispersi total -18,62047
[ps/nm.km].
Pada
radius
ini
mengakibatkan semakin sedikit variasi
indeks bias sebagai fungsi yang tidak linier
dari panjang gelombang dan meningkatnya
variasi kecepatan grup terhadap panjang
gelombang suatu mode pada selubung inti.
Karena dispersi total pada panjang
gelombang 1.55 µm sangat kecil sehingga
sesuai dengan panjang gelombang sistem
komunukasi jarak jauh yang dapat
mentransmisikan data dengan data rate
tinggi.
Pada Gambar 4.5 radius inti di
perkecil dari 4,1 µm menjadi 1,1 µm,
dengan memperkecil radius inti 73%
mengakibatkan dispersi nol terletak pada
panjang gelombang 1,3569 µm dengan
kemiringan 0,1261 [ps/nm2.km], dimana
menjelaskan sinyal optik menjalar masuk
sejajar sumbu serat optik pada panjang
gelombang 1,3569 µm, sehingga dispersi
nol mengalami pergeseran karena diameter
inti mengecil. Diketahui pada panjang
gelombang 1,55 µm di radius 2,1 µm, nilai
dispersi material 19,4295 [ps/nm.km],
dispersi pandu gelombang -20,8433
[ps/nm.km], dan dispersi total -18,62047
[ps/nm.km].
Pada
radius
ini
mengakibatkan banyaknya variasi indeks
bias sebagai fungsi yang tidak linier dari
panjang gelombang dan meningkatnya
variasi kecepatan grup terhadap panjang
gelombang suatu mode pada selubung inti.
Karena pulsa cahaya banyak menjalar pada
selubung serat.
Seperti yang terlihat pada ke-lima
grafik diatas, hubungan antara dispersi
dengan panjang gelombang adalah
berbanding lurus. Dengan kata lain
dispersi akan semakin besar untuk satu
panjang gelombang yang semakin besar.
Panjang gelombang sangat berpengaruh
terhadap besar kecilnya dispersi khususnya
untuk dispersi total. Panjang gelombang
akan mempengaruhi besar dispersi sinyal
dari lebar spektral sumber optik. Pada satu
rentang panjang gelombang, apabila
semkin kecil lebar spektral maka sumber
semakin koheren. Hal ini disebabkan
6
karena cahaya yang masuk kedalam serat
terdiri dari berbagai panjang gelombang
dan berhubungaan dengan lebar spektral
sinar yang memasuki serat optik. Maka
semakin besar panjang gelombang dan
semakin besar pula dispersi yang terjadi.
Besarnya lebar spektral akan
dipengaruhi oleh sumber cahaya yang akan
digunakan. Pada panjang gelombang 1,55
µm memiliki dispersi yang lebih tinggi
dari pada 1,3 µm. Faktor dispersi
mempengaruhi perkembangan sistem
transmisi pada serat optik mode tunggal.
Dalam teori, pada panjang gelombang 1,3
µm memilki dispersi nol dengan redaman
serat yang sangat tinggi. Sementara, pada
panjang gelombang 1,55 µm memiliki
dispersi besar dengan redaman kecil.
Sehingga pada jenis serat dispersi yang
mengalami pergeseran, mengalami dispersi
tinggi yang terjadi pada panjang
gelombang 1,55 µm dapat digeser
sehingga
dispersinya
nol
dengan
memperkecil diameter inti dari serat optik
mode tunggal.
Hubungan antara dispersi dengan
panjang gelombang adalah berbanding
lurus. Artinya dispersi akan semakin besar
untuk satu panjang gelombang yang
semakin besar. Panjang gelombang sangat
mempengaruhi pada besar kecilnya
dispersi khususnya dispersi total atau
dispersi intramoda. Pada radius inti 2,1
µm, dispersi total yang dishailkan sangat
kecil dibandingkan dengan dispersi total
pada radius inti lainnya, sehingga pada
radius ini sesuai bila digunkan untuk
transmisi data dengan data rate tinggi dan
jarak jauh.
1.
Hasil Dispersi Intramoda
Panjang 1.55 µm
pada
Pada panjang gelombang 1,55 µm
dengan variasi radius inti memiliki nilai
dispersi total, pandu gelombang dan
material. Nilai dispersi diambil pada satu
panjang gelombang tertentu yaitu 1,55 µm:
Table 2. Dispersi Material
Radial
(µm)
Dispersi Material [ps/nm.km]
1,1
19,7807
2,1
19,4295
3,1
19,0742
4,1
18,9085
5,1
18,8287
Gambar 10. Grafik dispersi material
Pada Gambar 4.6, grafik menerangkan
semakin kecil radius inti semakin besar
dispersi materialnya. Dispersi material
bergantung pada variasi indeks bias
sebagai fungsi yang tidak linier dari
panjang gelombang.
Table 3. Dispersi Pandu Gelombang
Radial
(µm)
Dispersi Pandu Gelombang
[ps/nm.km]
1,1
-0,8656
2,1
-20,8433
3,1
-10,2459
4,1
-3,34104
5,1
-0,36171
7
inti 2,1 yaitu sebesar -1,7999 [ps/nm.km].
Dispersi total dipengaruhi oleh dispersi
material dan dispersi pandu gelombang
karena dispersi total merupakan dispersi
kromatik atau dispersi intramoda yang
berpengaruh besar atau dominan dalam
jaringan optik terutama pada jaringan serat
optik mode tunggal.
KESIMPULAN
Gambar 11. Grafik dispersi pandu
Pada Gambar 4.7, grafik menerangkan
dispersi pandu gelombang terendah pada
radius inti 2,1 µm yaitu sebesar -20,8433
[ps/nm.km]. Dispersi pandu gelombang
terjadi akibat dari karakteristik perambatan
mode sebagai fungsi perbandingan antara
radius inti serat dan panjang gelombang.
Tabel 4. Dispersi total
Radial
(µm)
Dispersi Total [ps/nm.km]
1,1
18,9386
2,1
-1,7999
3,1
8,6204
4,1
15,5242
5,1
18,5227
Gambar 12. Grafik total
Pada Gambar 4.8, grafik menerangkan
dispersi total terendah terletak pada radius
Berdasarkan hasil peneltian dan
analisa serta kajian pustaka dari dispersi
intramoda pada serat optik moda tunggal
Corning®
SMF-28e+®
dengan
menggunakan software OptiFiber pada
radius inti 5,1 µm, 4,1 µm, 3,1 µm, 2,1
µm, 1,1 µm, dan dengan rentang panjang
gelombang 1,3 µm – 1,6 µm. maka
beberapa hal yang dapat disimpulkan
bahwa:
1. Dispersi nol terendah terletak pada
panjang gelombang 1,3359 µm ketika
diradius inti normal 4,1 µm.
Sedangkan pada variasi radius inti,
nilai dispersi nol terendah terletak
pada panjang gelombang 1,5748 µm
diradius inti 2,1 µm. Sehingga pada
radius inti 2,1 µm, cahaya hanya
merambat dalam satu modus saja yaitu
sejajara dengan sumbu serat optic
pada panjang gelomabang 1,5748 µm.
2. Pada panjang gelombang 1,55 µm
dispersi material terendah terletak
pada radius inti 5,1 µm yaitu 18,8287
[ps/nm.km], dan terbesaar pada radius
1,1 µm yaitu 19,7807 [ps/nm.km].
Dimana hal ini di pengaruhi oleh
variasi indeks bias sebagai fungsi
yang tidak linier dari panjang
gelombang.
3. Pada panjang gelombang 1,55 µm
dispersi pandu gelombang terendah
terletak pada radius inti 2,1 µm yaitu 20,8433 [ps/nm.km], dan tebesar pada
radius 1,1 µm yaitu -0,8565
[ps/nm.km]. Diman hal ini di
pengaruhi
oleh
karakteristik
perambatan mod sebagai fungsi
8
perbandingan antara radius inti serat
dan panjang gelombang.
Pada panjang gelombang 1,55 µm
dispersi total yang merupakan dispersi
intramoda memiliki nilai terendah pada
radius inti 2,1 µm yaitu -1,79993
[ps/nm.km] dan nilai terbesar pada radius
inti 1,1 µm yaitu 18,9386 [ps/nm.km].
Dimana hal ini dipengaruhi oleh dispersi
material dan dispersi pandu gelombang.
DAFTAR PUSTAKA
Agarkar, A.M, Dhabale, D.R. 2011.
“Disign and Profile Optimization
for Dispersion Shifted Fiber
(DSF)”. International Journal of
Soft Computing and Engineering
(IJSCE),
ISSN:
2231-2307,
Volume-1, Issue-2.
Agrawal,G.P.
2002.
“Fiber-Optic
Communication Systems”. New
York, USA. Hlm 56.
Barake, T. Mohamed. 1997. “A
Generalized Analysis of MultipleClad Optical Fibers with Arbitrary
Step-Index
Profiles
and
Aplications”.
Electrical
Engineering.
Endra. 2005. “Study of Higher Order
Dispersion Effcts on Soliton
Interaction In Dispersion Shifted
Fiber”. Paper submitte to The 8th
International Confrence On Quality
In Research (QIR). Universitas
Indonesia.
Wahyudi,
H.
Muhammad.
2010.
“Mengenal Teknologi Kabel Serat
Optik (Fiber Optik)”. Bina Sarana
Informatika. Jakarta.
Zuliandri, M. Rizki. 2014. “Analisa
Rayleigh pada Transmisi Serat
Optik”.
Skripsi.
Universitas
Sumatra Utara. Medan.
9