SERAT OPTIK

Kristal no.8/April/1993
1
SERAT OPTIK
oleh : Sugata Pikatan
Sudah sering kita mendengar istilah komunikasi serat optik. Sebetulnya apa serat
optik itu? Penggunaanya bahkan sampai ke bidang kedokteran, misalnya pada alat
cystoscope yang dipakai para ahli bedah untuk mengamati dan melakukan operasi dengan
kendali jarak jauh. Juga bundel serat optik yang terdapat di dalam colonofiberscope dapat
dimasukkan ke dalam tubuh manusia (misal usus) sehingga citranya dapat dilihat langsung
dari luar tubuh. Aplikasinya di bidang komunikasi sudah tidak perlu diragukan lagi, karena
sejak tahun 1975 serat optik ini mulai menggeser peranan kawat-kawat transmisi data
yang terbuat dari logam. AT&T Bell Laboratories dan KDD (Kokusai Denshin Denwa)
sudah memasang kabel serat optik menyeberangi lautan Pasifik yang mampu menampung
500 ribu pembicaraan telepon sekaligus pada saat yang sama.
Ada beberapa keunggulan serat optik dalam bidang komunikasi dibandingkan
dengan kawat logam sebagai alat transmisi. Yang paling jelas terlihat adalah ukurannya
yang kecil dan bobotnya yang ringan amat cocok jika dugunakan di tempat seperti pesawat
udara. Kerugian selama transmisinya juga rendah karena ia terbuat dari silika (SiO2), suatu
bahan dielektrik yang transparan terhadap sinar, apalagi jika dipakai untuk transmisi data
dengan frekuensi tinggi. Hal ini berdampak pada ongkos yang lebih murah, karena
sepanjang saluran transmisinya serat optik dengan demikian memerlukan repeater yang
lebih sedikit. Repeater adalah suatu alat yang dipasang di beberapa tempat sepanjang
saluran transmisi, gunanya untuk mendeteksi, kemudian memperkuat sinyal lemah yang
datang dan meneruskannya kembali ke tujuan semula. Sinyal data selalu melemah dalam
perjalanannya karena berbagai efek seperti hamburan dan serapan bahan yang dilaluinya.
Keunggulan lainnya adalah daya tampungnya yang lebih besar, serat optik mampu
membawa informasi yang lebih banyak dibandingkan dengan kawat tembaga.
Komunikasi dengan sinar melalui serat optik bahkan mengungguli komunikasi
dengan gelombang mikro. Frekuensi sinar yang digunakan relatif tinggi (berorde 1014 Hz),
bandingkan dengan gelombang radio (106 Hz) dan gelombang mikro (109 Hz),
mengakibatkan komunikasi sinar melalui serat optik dapat membawa informasi yang lebih
banyak.
Serat
Serat yang digunakan berbentuk silinder seperti kawat pada umumnya, terdiri dari
dua bagian penting yaitu bagian teras dan kulit (cladding). Penampang lintangnya secara
lengkap dapat kita lihat pada gambar 1.
Teras terbuat dari bahan silika (SiO2), biasanya diberi doping dengan GeO2 (germanium
dioksida) atau P2O5 (fosfor pentoksida) untuk menaikkan indeks biasnya.
Kristal no.8/April/1993
2
Gambar 1 : Penampang serat optik (ukuran dalam µ m)
Sedangkan kulit juga terbuat dari silika tanpa atau dengan sedikit doping, indeks
bias kulit sedikit lebih rendah daripada rendah daripada indeks bias teras. Komposisi teras
kulit yang demikian diperlukan agar sinar yang masuk ke dalam dapat terpantul-pantul
secara sempurna sepanjang perjalanannya. Pantulan sempurna hanya dapat terjadi jika
sinar datang dari medium yang lebih rapat ke medium yang kurang rapat dan sinar datang
dengan sudut datang yang melebihi sudut kritiknya, peristiwa fisis semacam ini sering kita
lihat di jalanan pada waktu terik matahari sebagai asap (mirage).
Sudut-sudut yang dibuat oleh sinar meridional, yaitu sinar yang memotong sumbu
serat dapat dilihat pada gambar 2. Sudut datang θ d harus lebih besar daripada sudut kritik
θc. Dari hukum Snellius tentang pembiasan sinar, sudut kritik di perbatasan antara teras
dan kulit :
θc = sin-1 (nk /nt)
nk dan nt masing-masing adalah indeks bias kulit dan teras serat optik. Jika n adalah
indeks bias medium asal sinar, maka dengan bantuan sedikit geometri dapat dibuktikan
bahwa :
n 2t − n 2k
sin2 θ i <
n2
Gambar 2 : Sudut masuk dan sudut datang sinar meridional
Kristal no.8/April/1993
3
Sudut masuk θ i adalah sudut masuk sinar ke dalam serat optik. Besaran yang
berkaitan dengan sudut masuk maksimum adalah tingkap numerik (numerical aperture)
yang didefinisikan sebagai :
NA = n.sin θ i =
n 2t − n 2k
Untuk sinar-sinar lintir (skew rays), yaitu sinar yang tidak pernah memotong
sumbu serat, tingkap numeriknya perlu dimodifikasi sedikit akibat bidang datangnya yang
membentuk sudut terhadap bidang diametral serat optik :
NA S = NA/cos ϕ
Fungsi lain dari kulit yang tak kalah pentingnya adalah :
o
melindungi teras dari kotoran-kotoran
o
menaikkan ketahanan serat terhadap usikan-usikan mekanis
o
mengurangi kerugian akibat hamburan oleh diskontinuitas dielektrik di
permukaan teras
Pada peristiwa pantulan sempurna oleh kulit, sebetulnya masih disertai juga oleh
rembesan sinar ke dalam kulit. Hal ini dapat menyebabkan kerugian transmisi dan
menyebabkan sinar yang tak sejajar sumbu serat mencapai ujung seberang lebih dulu, sinar
memiliki laju rambat yang lebih besar di dalam kulit daripada di dalam teras.
Sebuah sinar di dalam serat terdiri dari dua komponen, yaitu komponen sejajar
sumbu dan komponen tegak lurus sumbu. Komponen yang tegak lurus sumbu berarti
tegak lurus pula dengan perbatasan teras kulit. Ternyata hanya sinar yang komponen tegak
lurusnya membentuk gelombang diam (stasioner) yang dapat menjalar sepanjang serat,
akibatnya sinar yang merambat dalam serat cacahnya terbatas (disebut mode). Di dalam
serat yang diameter terasnya kecil (1-2µm) hanya satu mode saja yang dapat merambat,
serat ini disebut serat bermode tunggal. Di dalam serat semacam ini pantulan sempurna
tidak akan terjadi jika amplitudo sinar melebihi jari-jari teras. Ukuran serat mode tunggal
yang kecil itu tidak menguntungkan, karena terdapat kesulitan mengumpan sinar masuk ke
dalamnya. Ukurannya dapat diperbesar dengan cara membuat indeks bias terasnya. Serat
bermode tunggal biasanya juga dikaitkan dengan panjang gelombang sinar yang lewat,
serat ini menggunakan diode laser sebagai pengumpan sinarnya, kita tahu bahwa laser
memiliki panjang gelombang tunggal sehingga cocok dengan nama mode tunggal.
Penggunaan laser di sini mengakibatkan serat mampu membawa data dengan laju yang
amat cepat dan dengan distorsi yang minimal.
Serat yang mengijinkan beberapa mode merambat di dalamnya disebut serat
bermode banyak (multimode). Jika indeks bias teras dan kulit berbeda drastis, disebut
indeks-langkah (step-index), setiap mode yang lewat memiliki jarak tempuh yang berbedabeda. Akibatnya mereka tiba di ujung seberang pada seberang pada saat yang tidak sama
pula, dikatakan terjadi pelebaran pulsa yang akan menurunkan laju transmisi datanya.
Kristal no.8/April/1993
4
Gambar 3 : Serat multimode dengan step-index (kiri) dan graded-index (kanan)
Peristiwa dispersi antar mode ini dapat dikurangi dengan cara membuat indeks bias
yang turun sedikit demi sedikit dari teras sampai ke kulit, serat yang demikian ini disebut
serat dengan graded-index. Gambar 3 di atas menunjukkan serat multimode baik yang
indeks-langkah maupun yang graded-index.
Serat bermode banyak biasanya juga dikaitkan dengan pengumpan sinarnya yang
berupa LED (light-emitting-diode). Sinar yang keluar dari LED terdiri dari banyak
panjang gelombang, garis spektralnya cukup lebar (10 - 500 nm), bandingkan dengan laser
yang cuma 0,001-0,1 nm, sehingga sinar yang diijinkan lewat oleh ukuran serat menjadi
lebih dari satu mode. Tentu saja LED ini pemasangnya lebih sederhana dan lebih murah
dibandingkan diode laser, tetapi karena intensitasnya tidak begitu terang ia hanya cocok
untuk LAN (Local Area Network) saja. Penggunaan LED untuk komunikasi jarak jauh
akan menghasilkan tingkat kesalahan yang besar, padahal standar internasional untuk
tingkat kesalahan yang masih dapat diterima adalah 0,1 ppb, artinya hanya 1 dari 10 milyar
informasi boleh salah.
Sampai saat ini komunikasi serat optik pada umumnya membawa informasi dalam
bentuk perubahan-perubahan intensitas sinar yang lewat, disebut modulasi intensitas.
Sistem komunikasinya dikatakan memiliki deteksi yang langsung. Pada masa yang akan
datang modulasi yang digunakan akan mencakup juga modulasi frekuensi (disebut sistem
koheren) dan modulasi fase gelombang. Sistem deteksi langsung ini memiliki hambatan
utama yang berasal dari melemahnya intensitas sinar di dalam perjalananya. Beberapa
peristiwa yang menyebabkan pelemahan intensitas adalah proses hamburan oleh cacat dan
tidak meratanya kerapatan bahan serat, kemudian proses serapan oleh logam-logam
transisi (besi, tembaga, khrom) yang menjadi ketidakmurnian dalam silika dan serapan oleh
getaran ion-ion (misalnya OH-) yang juga terdapat dalam serat. Oleh sebab itu serat
bermutu tinggi haruslah memiliki kadar yang kecil : logam (<1 ppb) dan air (< 1 ppm).
Kerugian intensitas dalam transmisi juga dapat disebabkan oleh pengaruh mekanis seperti
belokan dan sambungan. Kerugian akan minimal bila jari-jari kelengkungan belokan sekitar
100 kali diameter terasnya.
Kristal no.8/April/1993
5
Suatu hal kebetulan bahwa kerugian intensitas akan sekecil-kecilnya jika kita
menggunakan panjang gelombang sekitar 1,3 µm (infra merah), artinya bahan silika paling
transparan terhadap panjang gelombang itu, padahal laser semi-konduktor juga
menghasilkan sinar infra merah dengan panjang gelombang sebesar itu. Usaha mengatasi
masaalah kerugian intensitas inilah yang kemudian menjadi catatan sejarah perkembangan
teknologiserat optik. Dari generasi ke generasi masalah ini selalu tetap dominan.
Sejarah perkembangan
Teknologi serat optik selalu berhadapan dengan masalah bagaimana caranya agar
lebih banyak informasi yang dibawa, lebih cepat dan lebih jauh penyampaiannya dengan
tingkat kesalahan yang sekecil-kecilnya. Informasi yang dibawa berupa sinyal digital, oleh
sebab itu besaran yang dipakai untuk mengukur prestasinya, yang disebut kapasitas
transmisi, diukur dalam gigabit kilometer per detik (Gb.km/s). Kapasitas transmisi sebesar
1 Gb.km/s berarti 1 milyar bit (data digital) dapat disampaikan tiap detik melalui jarak 1
km. Jadi sejarah perkembangan serat optik selalu diwarnai usaha pemecahan rekor
kapasitas transmisi ini. Dari penjelasan-penjelasan di atas, hambatan yang ada pada sistem
deteksi langsung adalah kerugian intensitas selama perjalanan, sehingga usaha-usaha yang
dilakukan pada umumnya dititikberatkan pada minimisasi kerugian intensitasnya ini.
Dari awal perkembangan tahun 1975 sampai sekarang, sudah terdapat lima
generasi teknologi serat optik, yang tentu segera akan disusul oleh generasi-generasi
berikutnya. Mari kita ikuti perkembangannya.
Generasi pertama (mulai 1975)
Sistem masih sederhana dan menjadi dasar bagi sistem generasi berikutnya, terdiri dari :
o
alat encoding : mengubah input (misal suara) menjadi sinyal listrik
o
transmitter : mengubah sinyal listrik menjadi sinyal gelombang, berupa LED
dengan panjang gelombang 0,87 µm.
o
serat silika : sebagai penghantar sinyal gelombang
o
repeater : sebagai penguat gelombang yang melemah di perjalanan
o
receiver : mengubah sinyal gelombang menjadi sinyal listrik, berupa fotodetektor
o
alat decoding : mengubah sinyal listrik menjadi output (misal suara)
Repeater bekerja melalui beberapa tahap, mula-mula ia mengubah sinyal
gelombang yang sudah melemah menjadi sinyal listrik, kemudian diperkuat dan diubah
kembali menjadi sinyal gelombang. Generasi pertama ini pada tahun 1978 dapat mencapai
kapasitas transmisi sebesar 10 Gb.km/s.
Generasi kedua (mulai 1981)
Untuk mengurangi efek dispersi, ukuran teras serat diperkecil agar menjadi tipe
mode tunggal. Indeks bias kulit dibuat sedekat-dekatnya dengan indeks bias teras. Dengan
sendirinya transmitter juga diganti dengan diode laser, panjang gelombang yang
dipancarkannya 1,3 µm. Dengan modifikasi ini generasi kedua mampu mencapai kapasitas
tarnsmisi 100 Gb.km/s, 10 kali lipat lebih besar daripada generasi pertama.
Kristal no.8/April/1993
6
Generasi ketiga (mulai 1982)
Terjadi penyempurnaan pembuatan serat silika dan pembuatan chip diode laser
berpanjang gelombang 1,55 µm. Kemurnian bahan silika ditingkatkan sehingga
transparansinya dapat dibuat untuk panjang gelombang sekitar 1,2 µm sampai 1,6 µm.
Penyempurnaan ini meningkatkan kapasitas transmisi menjadi beberapa ratus Gb.km/s.
Generasi keempat (mulai 1984)
Dimulainya riset dan pengembangan sistem koheren, modulasinya yang dipakai
bukan modulasi intensitas melainkan modulasi frekuensi, sehingga sinyal yang sudah lemah
intensitasnya masih dapat dideteksi. Maka jarak yang dapat ditempuh, juga kapasitas
transmisinya, ikut membesar. Pada tahun 1984 kapasitasnya sudah dapat menyamai
kapasitas sistem deteksi langsung. Sayang, generasi ini terhambat perkembangannya
karena teknologi piranti sumber dan deteksi modulasi frekuensi masih jauh tertinggal.
Tetapi tidak dapat disangkal bahwa sistem koheren ini punya potensi untuk maju pesat
pada masa-masa yang akan datang.
Generasi kelima (mulai 1989)
Pada generasi ini dikembangkan suatu penguat optik yang menggantikan fungsi
repeater pada generasi-generasi sebelumnya. Sebuah penguat optik terdiri dari sebuah
diode laser InGaAsP (panjang gelombang 1,48 µm) dan sejumlah serat optik dengan
doping erbium (Er) di terasnya. Pada saat serat ini disinari diode lasernya, atom-atom
erbium di dalamnya akan tereksitasi dan membuat inversi populasi*, sehingga bila ada
sinyal lemah masuk penguat dan lewat di dalam serat, atom-atom itu akan serentak
mengadakan deeksitasi yang disebut emisi terangsang (stimulated emission) Einstein.
Akibatnya sinyal yang sudah melemah akan diperkuat kembali oleh emisi ini dan
diteruskan keluar penguat. Keunggulan penguat optik ini terhadap repeater adalah tidak
terjadinya gangguan terhadap perjalanan sinyal gelombang, sinyal gelombang tidak perlu
diubah jadi listrik dulu dan seterusnya seperti yang terjadi pada repeater. Dengan adanya
penguat optik ini kapasitas transmisi melonjak hebat sekali. Pada awal pengembangannya
hanya dicapai 400 Gb.km/s, tetapi setahun kemudian kapasitas transmisi sudah menembus
harga 50 ribu Gb.km/s ! Perusahaan Alcatel Submarcom sudah dikontrak untuk
menerapkan teknologi generasi kelima ini di teluk Aden, menghubungkan kota Aden di
semenanjung Arab dengan kota Djibouti di daratan Afrika sepanjang 270 km lewat dasar
laut, sedianya proyek ini akan selesai Juni 1994 yang akan datang.**
Generasi keenam ?
Pada tahun 1988 Linn F. Mollenauer memelopori sistem komunikasi soliton.
Soliton adalah pulsa gelombang yang terdiri dari banyak komponen panjang gelombang.
Komponen-komponennya memiliki panjang gelombang yang berbeda hanya sedikit, dan
juga bervariasi dalam intensitasnya. Panjang soliton hanya 10-12 detik dan dapat dibagi
menjadi beberapa komponen yang saling berdekatan, sehingga sinyal-sinyal yang berupa
soliton merupakan informasi yang terdiri dari beberapa saluran sekaligus (wavelength
division multiplexing). Eksperimen menunjukkan bahwa soliton minimal dapat membawa
5 saluran yang masing-masing membawa informasi dengan laju 5 Gb/s. Cacah saluran
dapat dibuat menjadi dua kali lipat lebih banyak jika dibunakan multiplexing polarisasi,
Kristal no.8/April/1993
7
karena setiap saluran memiliki dua polarisasi yang berbeda. Kapasitas transmisi yang telah
diuji mencapai 35 ribu Gb.km/s.
Cara kerja sistem soliton ini adalah efek Kerr, yaitu sinar-sinar yang panjang
gelombangnya sama akan merambat dengan laju yang berbeda di dalam suatu bahan jika
intensitasnya melebihi suatu harga batas. Efek ini kemudian digunakan untuk menetralisir
efek dispersi, sehingga soliton tidak akan melebar pada waktu sampai di receiver. Hal ini
sangat menguntungkan karena tingkat kesalahan yang ditimbulkannya amat kecil bahkan
dapat diabaikan.
Tampak bahwa penggabungan ciri beberapa generasi teknologi serat optik akan
mampu menghasilkan suatu sistem komunikasi yang mendekati ideal, yaitu yang memiliki
kapasitas transmisi yang sebesar-besarnya dengan tingkat kesalahan yang sekecil-kecilnya.
yang jelas, dunia komunikasi abad 21 mendatang tidak dapat dihindari lagi akan dirajai
oleh teknologi serat optik.
Rujukan :
o
Lee, D.L. : Electromagnetic Principles of Integrated Optics, John Wiley &
Sons, Inc., 1986
o
Jones, K.A. : Introduction to Optical Electronics, John Wiley & Sons, Inc.,
1987
o
Guenther : Modern Optics, John Wiley & Sons, Inc., 1990
o
Desurvire, E.: Lightwave Communications : The Fifth Generation, Scientific
American, vol.266. no.1, January 1992
*********************