Komunikasi fiber optik telah memberikan dampak yang

BAB I
FIBER OPTIK DAN PROPAGASI CAHAYA
Komunikasi fiber optik telah memberikan dampak yang besar terhadap berbagai segi
pengiriman data informasi, mulai dari lingkup ‘local area networks’(LAN) sampai
telekomunikasi antar benua. Fiber optik adalah suatu media transmisi yang
pemakaiannya sedang berkembang pesat. Hal ini karena media fiber optik memiliki
keunggulan yang signifikan dibanding media transmisi kawat konvensional.
Keunggulan-keunggulan fiber optik dibandingkan kabel koaksial adalah :

Mempunyai kapasitas yang besar hanya memerlikan sedikit fiber

Ukuran kecil dan ringan sehingga biaya instalasi kabel murah

Rugi transmisi rendah

Tahan gangguan elektromagnetik dan elektrik
Secara umum komunikasi fiber optik dapat dijelaskan sebagai berikut :
Data yang akan dikirimkan dapat berupa analog atau digital. Dalam sistem
pengiriman data dalam system fiber optic maka data berasal dari elektrik akan
diubah dahulu ke optic oleh sumber cahaya berupa LED, Laser Dioda (LD).
Kemudian disambungkan dengan splices atau konektor dari fiber satu ke yang lain
dan diterima oleh photodetektor bisa berupa PIN, APD (Avalance Photodioda) yang
akan mengubah dari optik ke elektrik selanjutnya akan diubah ke data semula.
Gambar 1.1. Sistem Komunikasi Fiber Optik
Fiber optik dan propagasi cahaya
1
1.1. Gelombang Elektromagnetik
Cahaya bukan saja hanya merupakan sinyal cahaya tampak saja, tetapi juga sebagai
gelombang elektromagnetika lain yang tak tampak tetapi mempunyai sifat cahaya.
Yaitu infra merah clan ultra ungu dengan rentang panjang gelombang antara 10-3
samapi 6x 10-10 m. Secara lebih rinci rentang panjang gelombang dan pembagian
jenis gelombang elektromagnetik ini dapat dilihat pada Gambar (1.2).
Gambar 1.2. Spektrum Elektromagnetik untuk Telekomunikasi
Cahaya adalah gelombang elektromagnetik dimana dalam penggambaran sederhana
dapat dilukiskan sebagai gelombang datar monokromatis. Suatu gelombang
elektromagnetik yang yang terdiri dari medan listrik (E) dan medan magnet (B)
dapat dinyatakan dalam persamaan berikut :
E  E0 cos (kx  t )
… 1.1
B  B0 cos (kx  t )
… 1.2
dengan Eo adalah amplitudo medan listrik (volt/meter), Bo adalah amplitudo medan
Fiber optik dan propagasi cahaya
2
magnet (weber/m2).
Hubungan antara Eo dan Bo dapat dilihat di persamaan (1.3)
… 1.3
E0 = Bo x C
dengan c adalah laju cahaya dalam ruang hampa yang memiliki nilai
C = 3 x 108 meter
… 1.4
Cahaya sebagai gelombang datar mempunyai beberapa sifat penting yang berguna
dalam mempelajari optoelektronika, yaitu: refleksi (pantulan) dan refraksi
(pembiasan). Sifat ini terutama dipakai dalam pemanduan gelombang dalam fiber
optik dan resonator laser. Peristiwa refleksi dan refraksi dapat dilihat pada gambar
1.3.
Menurut hukum Snellius jika seberkas sinar masuk pada suatu ujung fiber optik
(media yang transparan ) dengan sudut kritis dan sinar itu datang dari medium yang
mempunyai indeks bias lebih kecil dari udara menuju inti fiber optik ( kuartz murni )
yang mempunyai indeks bias yang lebih besar maka seluruh sinar akan merambat
sepanjang inti (core) fiber optik menuju ujung yang satu.
Gambar 1.3. Pemantulan dana pimbiasa cahaya yang terjadi di bidang
batas antar dua media yang berbeda indeks bias.
Jika berkas cahaya melewat dua media yang memiliki indek bias berbeda nl dan n2,
Fiber optik dan propagasi cahaya
3
maka berkas sinar akan terpantul dengan sudut θi = θr dan terbias yang memenuhi
persamaan:
n1 sin  i  n2 sin  t
… 1.5
Jika nilai θt pada persamaan (1.5) bernilai 90°, maka sudut θi = θc yang disebut
dengan sudut kritis, dan berlaku:
sin  c  n2 / n1
… 1.6
Jika nilai 1   c , maka semua berkas sinar akan terpantul kembali. Hal ini disebut
dengan pantulan sempuma (total internal reflection) dan prinsip ini yang digunakan
dalam sistem komunikasi fiber optik.
1.2. Fiber Optik
1.2.1. Tipe Fiber Optik
Fiber optik dapat diklasifikasikan berdasarkan struktur fiber optik yaitu:

Multimode Step index
Step index fiber optik adalah fiber optik yang mempunyai indek bias inti dan indek
bias cladding yang seragam (uniform) tetapi indek bias lapisan lebih rendah dari
indek bias inti sehingga pada batas antara inti dan lapisan terdapat penurunan indek
bias yang berbentuk undak (step). Ilustrasi step indek multimode fiber seperti pada
gambar 1.4.
Gambar 1.4. Step indek moda jamak
Fiber optik dan propagasi cahaya
4
Total jumlah moda Mn naik seiring dengan naiknya Numerical Aperture (NA), Untuk
jumlah moda yang besar dapat dihitung dengan :
MN
V2

2
… 1.7
dimana frekuensi normal atau jumlah V adalah hubungan antara ukuran fiber, sudut
datang dan panjang gelombang.
V  2 xxa /  xN. A
V  2 xxa /  xn1 x2 x
1/ 2
… 1.8
dimana a adalah jari-jari inti fiber,  pajang gelombang, n1 indek bias inti , 
perbedaan indek bias relative
Tabel 1-1. Karakteristik fiber optik mode jamak
(multi mode) [1]
a. Single Mode (Moda tunggal) step indek
Energi cahaya dalam mode tunggal dikonsentarasikan hanya pada satu mode. Hal ini
dapat dilakukan dengan cara mereduksi  dan / atau diameter inti dimana jumlah V
mempunyai nilai kurang dari 2,4.
Fiber optik dan propagasi cahaya
5
Tidak ada disperse intermodal yang keluar dari fiber optik moda tunggal karena
hanya ada satu moda.
Karakteristik fiber optik moda tunggal :
-
rugi-ruginya kecil
-
kecepatan data tinggi dan attenuasinya rendah
-
biayanya mahal
Tabel 1-2. Parameter fiber optik mode tunggal
(single mode) [1]
Gambar 1.5. Fiber moda tunggal

Graded index
Fiber optik yang mempunyai indek bias sebagai fungsi koordinat radial R :
 
n(r )  n 1  1  2    r / a 

2 1/ 2
… 1.9
Dimana r adalah jari-jari inti, a adalah total jarak dari inti, n1 adalah indek bias inti,
n1 adalah indek bias cladding, nr adalah indek bias antara inti dan cladding, 
perbedaan indek bias relative
Jumlah mode dari graded indek (parabolic) fiber adalah setengah dari step indek dari
fiber:
Fiber optik dan propagasi cahaya
6
MN V 2 /4
Dispersi dari graded indek

… 1.10

t  Lxn1 x2 / 8 xc
… 1.11
dimana L adalah panjang kabel fiber
n1 adalah indek bias inti
 perbedaan indek bias relative
c adalah kecepatan cahaya
Gambar 1.6. Fiber dengan graded indek
1.3. Karakteristik Fiber Optik
Karakteristik fiber optik tergantung dari komposisi yang spesifik material, bentuk
dan ukuran dari fiber optik. Seperti komposisi fiber optik yang terbuat dari gelas,
diameter, indek bias fiber optik semua berhubungan langsung dengan unjuk kerja
(performance) fiber optik.
1.3.1. Rugi-rugi fiber optik
Rugi-rugi daya dari fiber optik dapat dilihat pada gambar 1.6. Dimana Pin daya yang
masuk ke fiber optik dan Pout daya yang keluar dari fiber optik. Rugi-rugi daya dapat
didefinisikan sebagai berikut :
Fiber optik dan propagasi cahaya
7
Loss 
Pout
Pin
…
1.12
…
1.13
Bila menggunakan logaritmit, dan satuannya decibel maka
Loss
dB
 10 log Pout / Pin 
Pout
Pin
Gambar 1.6. Fiber dengan daya masuk Pin dan daya keluar Pout
Contoh Soal:
Sebuah fiber dengan panjang 100 m mempunyai daya input 10 μW dan daya
output 9 μW. Hitung rugi-rugi dalam dB/km
Solusi :
Pout/Pin (dB) = 10 x log (9/10) = -0,458 dB. Karena rugi-ruginya pada 100m=0,1
km, maka 1 km
-0,457 x (1/0,1)= -4,58 dB/ km
Rugi-rugi ini akan naik bila panjang dari fiber optik juga bertambah maka dapat
dinyatakan dalam decibel per kilometer (Loss per kilometer )
Tiga macam rugi-rugi cahaya dalam fiber optik:
a. Rugi-rugi material.
b. Hamburan (Scattering)
c. Rugi-rugi lekungan (Waveguide)
Fiber optik dan propagasi cahaya
8
Semua rugi-rugi ini tergantung dari panjang gelombang. Pemilihan panjang
gelombang yang yang tepat pada saat beroperasi dapat meminimalkan rugi-rugi
tersebut.
a. Rugi-rugi material
Penyerapan (absorption) yang disebabkan material yang berhubungan dengan
struktur molekul dari material yang nilainya relative kecil. Sebagai contoh kaca
germanium-silikon mempunyai rugi-rugi kurang dari 0,1 dB/km dengan λ antar 0,8
dan 1,6 μm. Hal ini mendekati nol untuk λ mendekati 1,3 μm. Bisa juga disebabkan
oleh impurity dari material.dapat dikurang dengan dalam proses pembuatan bahan.
Rugi-rugi terbesar disebabkan oleh ion OH. Hal ini tidak dapat dikurangi seperti
impuritas pada besi yang dapat diabaikan. Impuritas Oh menyebabkan rugi-rugi yang
berhubungan dengan dengan panjang gelombang. Rugi-rugi paling jelas adalah 4
dB/km terjadi pada λ = 1,4 μm. Untuk konsentrasi impurity 1ppm. Gambar 1.7.
Konsentrasi OH mencapai tertinggi. Ada tiga rugi-rugi terbesar terjadi pada panjang
gelombang 0,93 μm ; 1,25 μm 1,4 μm.
Gambar 1.7 Rugi-rugi fiber pada spektrum 0,7-1,6 μm
Fiber optik dan propagasi cahaya
9
b. Hamburan ( Scattering )
Cahaya yang terhamburkan akibat ada halangan yang diakibatkan oleh bervariasinya
kerapatan material yang menyebabkan berubahnya indek bias. Rugi-rugi ini
berhubungan dengan rugi-rugi daya. Ketika indek bias terjadi halangan bervariasi
dimana molekul dalam ukuran, rugi-rugi daya berhubungan dengan hamburan
rayleigh. Besarnya hamburan Rayleigh ini berbanding terbalik dengan pangkat empat
dari pangjang gelombang cahaya yaitu : 1/ λ4 . Sehingga dapat disimpulkan untuk
lamda kecil, hamburan Rayleigh besar dan sebaliknya. Sebagai contoh pada panjang
gelombang 1,8 μm, rugi-rugi rayleigh untuk tipe fiber gelas adalah 0,1 dB/km.
Gambar 1.7 memperlihatkan efek dari rugi-rugi hamburan rayleigh.Pada gambar 1.8
memperlihatkan hamburan yang disebabkan oleh penghalang yang besar dan lekukan
(macrobend).
Gambar 1.8. Hamburan akibat penghalang yang besar
c. Wave guide dan Mikrobending
Rugi-rugi ini disebabkan oleh bervariasi struktur menyebabkan radiasi kesegala arah
di dalam fiber optik.Gambar 1.9. memperlihatkan radiasi yang disebabkan perubahan
diameter , dimana sudut dating pada struktur daripada sudut kritisnya, sehingga
cahaya yang memantul akan meninggalkan fiber optik ( garis benda padat).
Gambar 1.9. Radiasi yang disebabkan radiasi yang berubah.
Fiber optik dan propagasi cahaya 10
Mikrobending yaitu pembengkokan fiber optik untuk memenuhi persyaratan
ruangan. Namun pembengkokan dapat pula terjadi secara tidak sengaja seperti
misalnya fiber optik yang mendapat tekanan cukup keras sehingga cahaya yang
merambat di dalamnya akan berbelok dari arah transmisi dan hilang. Hal ini
menyebabkan terjadinya rugi-rugi. Fenomena ini dapat dilihat pada gambar 1.10.
Gambar 1.10. Rugi-rugi mikrobending
1.3.2. Dispersi
Dispersi dapat digunakan untuk mendiskripsikan pulsa broadening akibat dari fiber.
Output pulsa yang dihasilkan lebih lebar dari input pulsa yang disebabkan oleh
ponomena propagasi selama melintasi fiber.Fenomena ini dapat dilihat pada gambar
1.11.
Gambar 1.11. Pulsa broadening
Fiber optik dan propagasi cahaya 11
Secara praktis lebar pulsa input tpi dan lebar imput pulsa tpi dimana tpi lebih besar dari
tpi . Dispersi dapat didefinisikan sebagai berikut :

t  t p 2  t p1
2

2 1/ 2
… 1.14
Satuan dispersi dalam waktu seperti nanoseconds, atau picoseconds
Total dispersi tergantung dari panjang fiber, karena fiber yang panjang
mengakibatkan broadening . Secara umum persamaan untuk menghitung total
dispersi :
t  Lxdispersi / km
…
1.15
dimana t adalah dispersi fiber, L adalah panjang fibar (km)
Kategori dispersi secara umum terbagi menjadi dua yaitu dispersi intermodal dan
dispersi intramodal.
a. Dispersi Intermodal
Dispersi intermodal dihasilkan dari gelombang merambat pada moda-moda. Karena
adanya dispesi antar moda maka menyebabkan perbedaan dalam perambatan
gelombang dalam waktu untuk moda-moda yang berbeda. Untuk mengerti tipe dari
disperse maka harus memahami tipe propagasi dalam fiber seperti pada gambar 1.12
(a).Sudut kritis (θc) pada moda propagasi dan sudut nol pada moda propagasi yang
lain (moda nol). Pulsa dari cahaya akan merambat sepanjang gelombang dikedua
moda tersebut.
Untuk moda nol, waktu yang ditempuh akan minimal dapat dinyatakan dalam
persamaan :
Fiber optik dan propagasi cahaya 12
(a)
(b)
Gambar 1.12. Pelebaran pulsa cahaya karena dispersi intermodal
t d 0  L /( c / n1 )
t d 0  L(n1 / c) (delay propagasi minimum)
… 1.16
dimana L adalah panjang dari fiber, n1 adalah indek bias inti dan c/n1 adalah
kecepatan dari cahaya dalam fiber. Untuk cahaya yang bergerak di sudut kritis θc
maka delaynya akan maksimal dinyatakan dalam persamaan berikut :
t dc  ( L / cos  c ) /( c / n1 )
t dc  ( L  n1 ) /(cos  c  c) (delay propagasi maksimum)
… 1.17
Fiber optik dan propagasi cahaya 13
Perbedaan antara delay minimal td0 dan delay maksimum tdc digunakan oleh energi
pulsa untuk meninggalkan fiber optik. maka didapatkan lebar pulsa sebagai berikut :
t  t dc  t d 0
t  L  n1  / c n1  n2  / n2 
… 1.18
dimana n1 adalah indek bias inti dan n2 indek bias cladding. Pada gambar 1.12 (b)
mereprentasikan tdc, td0 dan Δt
Karena perbedaan indek bias relatif Δ= (n1-n2)/n1 maka
t  ( L  n1 / c)  
… 1.19
dalan bentuk Numerical Aperture (NA)
t  ( L  ( NA) 2 ) /( 2  n1  c)
… 1.20
t / L  ( NA) 2 /( 2  n1  c)
… 1.21
atau
dimana Δt adalah pulsa broadening dan Δt/L adalah broadening per unit panjang
fiber.
b. Dispersi Intramodal
Dispersi intramodal dihasilkan dari gelombang merambat yang terdiri sebuah grup
frekuensi. Hal ini berhubungan dengan lebar panjang gelombang Δλ . Total dispersi
dapat dihitung dengan :
Fiber optik dan propagasi cahaya 14


… 1.22
Pulsa berjalan ditransmisikan dengan fiber optik sepanjang
400m yang
t tot  t1   t 2   ...
2
2
1/ 2
Contoh soal :
mempunyai indek bias inti 1,4 dan indek bias cladding 1,36. Gambar output laser
dari
1. kecepatan laser 10.106 pulsa per detik (10Mb/s)
2. kecepatan laser 20.106 pulsa per detik (20Mb/s)
Hitung juga dispersi perkilometer. Asumsikan bahwa setip input pulsa adalah nol.
Solusi:
Dihitung nilai NA:
NA = (n1-n2)/n1 = (1,6-1,35) /1,6 = 0,1567
Δ = ( n12- n22 ) / (2 x n12 ) = (1,4 -1,36 ) ( 2 x 1,4) = 0,02816
Δt untuk panjang 400 m
Δt = ( L x n1/c) x Δ = [( 400 x 1,4) / ( 300 x 106 )] x 52,6 ns.
Maka disperse/km dari fiber 52,6 /0,4 = 131,4 ns /km
Contoh Soal :
Sebuah fiber mempunyai spesifikasi sebagai berikut :
Dispersi
Intermodal
5 ns/km
Intramodal
100 ps / (km x nm)
Lebar panjang gelombang
40 nm
Panjang fiber
5 km
1. Hitung total dispersi intermodal
2. Hitung total dispers intramodal
3. Total disperse
Fiber optik dan propagasi cahaya 15
Solusi :
1. Dispersi intermodal = 5 (ns/km) x 5 km =25 ns
2. Setiap Namometer dari panjang gelombang, dimana ada 100 ps/km. Untuk
Δλ = 40 nm, maka disperse intramodal
40 x 100 ps / km
Untuk , total dispersi intramodal = 4 ns /km x 5 km =20 ns.
3. Total disperse dapat diestimasi Δttot= (252 + 202)1/2 = 32 ns
SOAL-SOAL
1. Hitunglah panjang gelombang,  dalam meter untuk kasus berikut:
a. Sinyal listrik dari gelombang suara yang memiliki frekuensi 3 KHz
b. Gelombang pembawa radio WIN dengan frekuensi 1,010 MHz
c. TV kanal 2 dengan frekuensi 57 MHz
d. Kanal 36 VHF dengan frekuensi 605 MHz
e. Sinyal inframerah jauh dengan frekuensi 1,00 GHz
f. Sinyal inframerah dengan frekuensi 0,35  1015 Hz
g. Sinar kuning dengan frekuensi 0,5  1015 Hz
2. Temukan kecapatan cahaya dalam media berikut
a. Silica padat, n = 1,46
b. Polystyrene, n = 1,6
c. Sapphire, n = 1,8
d. Silikon, n = 3,5
3. Sebuah berkas cahaya diluncurkan ke dalam serat optik yang terbuat dari bahan
quart. Panjang kabel 500 m. Berapa lama cahaya akan merambat di dalam serat,
anggap bahwa cahaya merambat dalam serat dengan lintasan lurus sejaja sumbu
serat optik.
Fiber optik dan propagasi cahaya 16