2-Teori Perambatan Cahaya

SISTEM KOMUNIKASI SERAT OPTIK
Submitted by Dadiek Pranindito ST, MT,.
SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI TELEMATIKA TELKOM
PURWOKERTO
LOGO
Review Perkuliahan Sebelumnya
DDF
Driver
Serat Optik
Electrical
Circuit
Tx
Optical Transmitter
Sumber
Detektor
Optik
Optik
Main
Amplifier
DDF
Electrical
Circuit
Rx
Optical Receiver
Topik Pembahasan
Chapter 1
Overview
SKSO
Pertemuan Ke 3 dan 4
SKSO dan Teori
Perambatan Cahaya
Click the words to explore
Press <-- to go back
Press Esc to stop
Chapter 2
Perambatan
Cahaya
Chapter 3
Jenis
Fiber Optik
Chapter 1
Overview SKSO
1. Susunan Serat Optik
2. Kabel Serat Optik
3. Kode Warna
LOGO
Susunan Serat Optik (1)
9/50/62.5 mm
125 mm
Core
Coating
Cladding
Susunan serat optik dari lapisan paling dalam adalah :
Core
: dengan diameter antara 9/50/62,5 µm
Cladding
: dengan diameter 125 µm
Coating
: primary coating dengan diameter 250 µm
Susunan Serat Optik (2)
1. Core ( Inti Serat )
berfungsi untuk menentukan cahaya merambat dari
satu ujung ke ujung lainnya
• Terbuat dari bahan kuarsa atau silika
• Merupakan bagian utama, karena perambatan cahaya melintas
pada bagian ini.
• Memiliki diameter dari 9/50/62,5 µm
Susunan Serat Optik (3)
2. Cladding ( Selimut )
berfungsi sebagai cermin, yakni memantulkan
cahaya agar dapat merambat ke ujung lainnya.
• Terbuat dari bahan kuarsa atau silika dengan nilai indeks bias
lebih kecil dari Core.
• Merupakan selubung dari Core.
• Hubungan indeks bias antara Core dan cladding akan
mempengaruhi perambatan cahaya pada Core ( berpengaruh
terhadap besarnya sudut Kritis).
• Memiliki diameter 125 mm.
Susunan Serat Optik (4)
3. Coating
berfungsi sebagai pelindung mekanis sebagai
pengkodean warna
• Terbuat dari bahan plastik
• Berfungsi untuk melindungi core dan cladding dari kerusakan
Kabel Serat Optik
Cladding
125 mm
Core
9/50/62,5 mm
Primary coating
Jacket
Kevlar thread
Secondary coating
(fiber bundle)
3000 mm / 3 mm
250 mm
Kode Warna
Untuk memudahkan instalasi, coating masing-masing serat diberi warna. Demikian
pula dengan selongsong kabel baik pada jenis loose tube maupun pada slotted
cable. Kode warna tertera pada gambar brikut
Warna Serat
Warna Tabung
Chapter 2
Perambatan Cahaya
1.
2.
3.
4.
Teori Perambatan Cahaya
Sudut Kritis
Total Internal Reflection (TIR)
Numerical Aperture
LOGO
Ilustrasi Perambatan Cahaya
Teori Perambatan Cahaya
Hukum Optik (snellius) :
• Cahaya merambat lurus dalam suatu medium.
• Cahaya dapat diubah arahnya dengan menggunakan kaca /
permukaan licin
• Cahaya yang dipantulkan ke cermin membentuk sudut datang
yang sama dengan sudut pantul.
Pemantulan (reflection)
Cahaya merambat lurus dalam suatu medium
Garis normal
Sinar datang
Sinar pantul
Sudut
datang
Sudut
pantul
Permukaan licin
kaca
Pembiasan (Refraksi) - 1
Bila cahaya merambat dari satu medium ke medium lain
(dengan indeks bias yang berbeda), maka akan dibiaskan.
Garis normal
Sinar datang
Sudut
datang
udara
Permukaan air
air
Sudut
bias
Sinar bias
Pembiasan (Refraksi) - 2
Ada dua kondisi dalam pembiasan, yaitu :
1. Bila sinar datang dari medium tipis ke medium lebih padat,
maka sinar akan dibiaskan mendekati garis normal.
Dalam hal ini, sudut bias lebih kecil daripada sudut datang.
Pembiasan (Refraksi) - 3
1. Bila sinar datang dari medium padat ke medium lebih tipis,
maka sinar akan dibiaskan menjauhi garis normal.
Dalam hal ini, sudut bias lebih besar daripada sudut datang.
Indeks Bias
Indeks Bias (Refractive Index)
Definisi :
Indeks bias yaitu perbandingan kecepatan cahaya di ruang hampa
terhadap kecepatan perambatan cahaya dalam suatu medium.
n = c/v
dimana :
n = indeks bias
c = kecepatan perambatan cahaya di ruang hampa ( 3x108 m/s)
V = kecepatan perambatan cahaya di medium
Hukum Snellius
Hukum Snellius
sin i . ni = sin r . nr
Garis normal
Sinar datang
atau
sin i / sin r = nr / ni
Sudut
datang
i
Permukaan air
Udara (ni)
Air (nr)
r
Sudut
bias
Sinar bias
Latihan
Penjalaran cahaya dari media gelas membentuk sudut i1 = 530.
sudut ini diukur antara berkas sinar dengan permukaan gelas.
Pada saat penjalaran cahaya, berkas cahaya ada yang
dibiaskan dan ada yang dipantulkan. Jika berkas bias dan
pantul saling membentuk sudut 900. Tentukan indeks bias
gelas? Tentukan juga sudut kritisnya?
Sudut Kritis
Sudut datang cahaya dengan kondisi dimana harga diperbesar sampai
suatu nilai tertentu; sehingga seluruh cahaya yang datang akan
dipantulkan secara total, hal demikian merupakan kondisi ideal untuk
mentransmisikan cahaya dalam serat optik.
• Sudut datang yang mengakibatkan sudut bias sebesar 900.
• Sudut datang yang menyebabkan sinar bias merambat sejajar dengan
permukaan.
Latihan
Seberkas Sinar Cahaya bergerak di dalam suatu bahan
transparan yang memiliki indeks bias 1,51 dan datang mendekati
bidang perbatasan menuju bahan kedua yang memiliki indeks
bias 1,46. Hitunglah sudut sinar kritis untuk sinar agar arah
rambatnya di dalam bahan kedua menjadi sejajar bidang
perbatasan ?
Pola Perambatan Cahaya
n1 > n2
Garis normal
i1 < r1
i2 < r2
i3 < r3 = 90
0
Sinar bias
; i3 = Sudut kritis
i4 = r4
r2
r1
r3
udara
Permukaan air
air
Sudut
kritis
i3
i2
i1
Sinar pantul
Sinar datang
Total Internal Refletion
Ic = Critical angle
• Dengan mengatur Ic, maka akan diperoleh I2 = 90º
• Jika I2 = 90º, maka cahaya yang direfraksikan tidak berjalan melalui
material kedua ( n2 ), tetapi merambat melalui permukaan ( batas n1
dan n2 ).
Rumus Sudut Kritis
Dengan memperhatikan rumus :
Sin I1 / Sin I2 = n2 / n1
Jika : I2 = 90º  Sin I2 = 1, sehingga : Sin I1 = n2 / n1
Jika cahaya merambat dengan sudut datang (I1) dan sudut bias (I2)
sebesar 90º, maka I1 disebut sudut kritis (Ic).
Sehingga :
Sin Ic = n2 / n1 atau Sin-1 (n2 / n1)
Perambatan cahaya secara TIR
Dalam keadaan ini :
• Tidak ada cahaya yang direfraksikan bila I1 > Ic.
• Cahaya datang direflesikan saat sudut datang lebih besar dari Ic. Kondisi ini
disebut sebagai Total Internal Reflection, yang dapat terjadi hanya saat cahaya
bergerak dari material dengan n lebih besar ke material dengan n lebih kecil.
• Bila cahaya memasuki salah satu ujung serat optik, Sebagian besar cahaya
terkurung didalam fiber dan akan dituntun ke ujung jauh.
• Serat optik disebut sebagai penuntun cahaya (light guide)
Cahaya tetap berada dalam serat karena dipantulkan secara total oleh
permukaan sebelah dalam serat.
• Pantulan dalam total ( Total Internal Reflection ) dapat terjadi bila dipenuhi dua
hal :
1. Indek bias inti (n1) lebih besar dari cladding (n2)
2. Sudut masuk cahaya harus lebih besar dari sudut kritis.
Coating
Core
Cladding
Perambatan Cahaya Dalam Serat
Optik (1)
Garis normal
Daerah
Pelepasan
B
n0
I1
Garis normal
I0
A
IC
IC
C
n2 Cladding
n1 Core
n2 Cladding
Sinar Datang
• n0 = 1
• I0 = Sudut masuk luar
• Sinar memasuki inti pada titik A dengan sudut bias I1, dipantulkan
pada titik B dengan sudut IC
• Pada
ABC dapat diperoleh sudut I1 = 90º - IC
Perambatan Cahaya Dalam Serat
Optik (2)
Sin I1 = Sin ( 90º - IC )
= Cos IC
Sin I0 = n1 / n0 Cos IC
Nilai maksimum kritis untuk sudut masuk luar I0 adalah :
n1
IC
n1  n 2
2
2
n2
n1  n 2
cos I C 
n1
2
Dengan menggunakan Teorema Pythagoras maka didapat :
Nilai maksimum dari sudut luar, yang mana cahaya akan merambat didalam serat :
I 0 ( maks )
 n 2 n 2
2
 Sin  1
n0


-1
Sudut ini dinamakan sudut penerimaan




2
Kerucut Penerimaan
Dengan memutar sudut penerimaan didapat kerucut penerimaan
Kerucut penerimaan yang
diperoleh dengan memutar
sudut penerimaan terhadap
sumbu serat.
Setiap cahaya yang diarahkan ke ujung serat di dalam kerucut akan
diterima dan diteruskan ke ujung jauh.
Kerucut penerimaan disebut sebagai celah numerik (Numerical
Aperture = NA)
n1  n 2

n0
2
NA  Sin I 0 ( maks )
2
Numerical Aperture (NA)
n0
n2
I0
n1
n1  n 2
NA 
n0
2
Dimana :
NA = Numerical Aparture
n1 = Indeks bias core
n2 = Indeks bias cladding
n0 = Indeks bias pelepasan
2
Jika n0 = 1, maka :
NA  n1  n 2
2
2
I0 = Kerucut penerimaan = arc Sin NA
Latihan
Hitung NA dari serat optik step index n1 = 1,48 dan n2 =
1,46. Tentukan juga sudut masuk maksimum (I0) jika
media di luarnya adalah udara dengan n0 = 1.
n0 = 1
I0
n2 = 1,46
n1 = 1,48
Perambatan Cahaya dlm Serat Optik
Coating
3
2
1
Core
Cladding
Sinar 1 adalah cahaya yang merambat lurus sepanjang Core tanpa
mengalami refleksi/refraksi.
Sinar 2 adalah cahaya yang mengalami refleksi, karena memiliki sudut
datang yang lebih besar dari sudut kritis.
Sinar 3 adalah cahaya yang mengalami refraksi dan tidak akan
dirambatkan sepanjang Core karena memiliki sudut datang yang lebih
kecil dari sudut kritis.
Chapter 3
Jenis Fiber
Optik
1. Serat Optik Multimode Step-Index
2. Serat Optik Multimode Graded-Index
3. Serat Optik Singlemode Step-Index
LOGO
Multimode Step Index
Profil Indeks
bias
n2
n1
Karakteristik :
• Harga Indeks bias Core konstan
• Ukuran Core 50 ~ 125 mm dan dilapisi cladding yang sangat
tipis
• Banyak terjadi Dispersi
• Lebar pita frekuensi terbatas/sempit
• Digunakan untuk jarak pendek dengan kecepatan bit rendah
• Penyambungan kabel lebih mudah dan harga relatif murah
Multimode Step Index
Profil Indeks
bias
n2 n1
Karakteristik :
• Core terdiri dari beberapa lapisan yang memiliki indeks bias berbeda.
• Ukuran diameter Core 30 ~ 60 mm dan dilapisi cladding 100 ~ 150 mm.
• Dispersi lebih kecil dibandingkan MMSI.
• Lebar pita frekuensi besar/lebar.
• Digunakan untuk jarak menengah dengan kecepatan bit lebih tinggi.
• Faktor pembuatan lebih sulit dan harga relatif mahal.
Multimode Graded Index
Profil Indeks
bias
n2 n1
Karakteristik :
• Core memiliki indeks bias dengan harga yang konstan.
• Ukuran diameter Core 2 ~ 10 mm dan dilapisi cladding 50 ~ 125 mm.
• Dispersi lebih kecil dan redaman lebih kecil < 2 dB/km.
• Lebar pita frekuensi besar/lebar.
• Digunakan untuk jarak jauh dengan kecepatan bit lebih tinggi.
• Faktor penyambungan lebih sulit dan harga mahal.
Thank You
Dadiek Pranindito
[email protected]
LOGO
[email protected]