4-Dispersi Serat Optik
advertisement
SISTEM KOMUNIKASI SERAT OPTIK Submitted by Dadiek Pranindito ST, MT,. SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI TELEMATIKA TELKOM PURWOKERTO LOGO Review (1) 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 Topik Pembahasan Chapter 1 Jenis Serat Optik Pertemuan Ke -6 Jenis dan Dispersi Serat Optik Chapter 2 Dispersi Serat Optik Click the words to explore Press <-- to go back Press Esc to stop Chapter 1 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 m 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 Graded 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. Singlemode Step 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. Chapter 2 Dispersi Serat Optik 1. Dispersi Intermode 2. Dispersi Intramode 3. Dispersi Total LOGO Mode Serat Optik 2 1 Sinar 1 dan Sinar 2 merupakan seberkas garis tunggal yang sebenarnya adalah penyederhanaan yang membantu kita dalam memahami konsep perambatan cahaya. Pada Kenyataannya cahaya yang merambat di dalam serat optik adalah sekumpulan gelombang elektromagnetik (EM) yang menduduki selapis pita frekuensi tipis pada spektrum eletromagnetik Gelombang elektromagnetik memiliki komponen listrik dan medan magnet, dan masing-masing komponen ini membentuk pola-pola tertentu di dalam serat optik. Pola-pola ini disebut sebagai mode transmisi. Jumlah mode di dalam sebuah serat optik selalu bulat. Jumlah mode yang merambat didalam sebuah serat optik dapat ditentukan dengan rumus : garis tengah inti x NA x Jumlah mode 2 2 Latihan Hitung jumlah mode pada gambar berikut ! Garis-tengah inti = 50 µm nmantel = 1,470 Panjang Gelombang Cahaya 850 nm ninti = 1,484 Definisi dispersi (1) Dispersi adalah suatu distorsi yang terjadi jika suatu berkas cahaya melintas di dalam inti serat optik yang disebabkan adanya mode (modus), panjang gelombang ataupun ataupun kecepatan yang berbeda. Akibat dispersi yaitu : • Pelebaran pulsa cahaya • Lebar pita frekuensi ( bandwidth ) mengecil / berkurang • Memperpendek jarak • Membatasi kecepatan bit Definisi dispersi (2) Sifat dispersi material menggambarkan kebergantungan kecepatan grup dari sinyal terhadap panjang gelombangnya. Kecepatan grup merupakan variasi frekuensi terhadap konstanta penjalaran dalam serat optik vg d d Dimana : 2f 2 n1 Jadi, sinar-sinar yang berbeda panjang gelombang memiliki kecepatan grup yang berbeda walaupun melalui lintasan yang sama. Dalam transmisi pulsa hal ini akan menyebabkan pelebaran pulsa. Penyebab Dispersi Intermode (1) Dua buah sinar yang merambat ke dalam serat optik akan memasuki serat optik pada saat bersamaan dan memiliki kecepatan perambatan yang sama, namun terjadi perbedaan jarak tempuh antara sinar A dan sinar B, yang mengakibatkan pulsa cahaya yang dibentuk oleh kedua sinar ‘memuai’ didalam serat optik. Efek pemuaian ini disebut dengan dispersi. Receiver input Transmitter output Time Original signal 1 0 1 Optical fiber Time Regenerated signal 1 1 1 Time Pulsa cahaya yang dikirim ke dalam serat optik akan mengalami pelebaran. Time Penyebab Dispersi Intermode (2) Cahaya dari sumber masuk ke dalam serat optik multimode dirambatkan dalam beberapa mode. Setiap mode menempuh alur yang berbeda-beda, ada yang merambat sejajar sumbu inti dan ada pula yang merambat zigzag. Dengan demikian Jarak yang ditempuh oleh tiap mode akan berbeda-beda. Jarak terpendek adalah yang sejajar dengan sumbu inti. Karena kecepatan tiap mode sama, maka tiap mode akan mempunyai waktu tempuh yang berbeda. Tipe Serat Optik Profil Indeks bias Mantel Jenjang Inti n1 n2 Pada serat optik jenis SI ( Step Index ) inti memiliki sebuah indeks bias yang tetap dan dibungkus oleh lapisan mantel dengan indeks bias yang tetap juga namun lebih rendah. Konfigurasi ini menghasilkan profil indek bias yang berbentuk jenjang ( step) Profil Indeks bias Mantel Parabola atau Kurva sejenis Inti n1 n2 Pada serat optik jenis GI ( Graded Index ) inti memiliki sebuah indeks bias yang berbedabeda dan menurun secara berkala, dari lapisan di tengah ke lapisan di daerah pinggir . Konfigurasi ini menghasilkan profil indek bias berbentuk parabola atau kurva sejenis Kecepatan Rambat Cahaya (1) Kecepatan perambatan cahaya di dalam serat optik ditentukan oleh indeks bias. Rumus untuk menentukan kecepatan ini adalah : kecepatan cahaya di ruang hampa kecepatan cahaya di dalam bahan indeks bias Maka solusi bagi permasalahan dispersi intermodus adalah : • Mengubah indeks bias secara kontinu dan progresif, dari bagian pusat inti hingga ke bagian pinggirannya • Bagian pusat inti akan memiliki indeks bias tertinggi, dan semakin menjauhi pusat ke arah pinggir, indeks bias akan terus turun hingga mencapai nilai terendah di permukaan inti. • Dengan demikian, sinar – sinar yang merambat melewati jalur yang berada di pinggiran inti akan merambat lebih cepat dibandingkan dengan sinar –sinar yang menempuh jalur di dekat pusat inti. Kecepatan Rambat Cahaya (1) • Pada tiap – tiap perbatasan dua lapisan yang berbeda, indeks bias akan berubah dan sinar akan mengalami sedikit pembiasan ( pembelokan ) dari arah rambatan sebelumnya • Pada akhirnya, sinar akan mendekati permukaan inti dengan sudut datang yang melampui sudut kritis, dan terjadilah pemantulan sempurna • Saat telah melewati pusat inti, sinar akan kembali memasuki lapisan-lapisan dengan indeks bias yang semakin kecil, dan proses sebelumnya akan berulang kembali • Demikianlah seterusnya, sehingga sinar akan merambat melalui sebuah jalur yang berbentuk kurva ( melengkung ) di dalam serat optik Rumus Dipersi Intermode Berikut adalah cara untuk menentukan waktu tempuh yang berbeda pada dispersi intermode Lt = L/sin φ ; L adalah panjang serat. Jika φ = φmaks = 900 adalah mode terendah, dan φ = φmin = φc adalah mode tertinggi. Maka Lt maks = L / sin φc = L n1 / n2 sedangkan Lt min = L / sin 900 = L. L L n1 t Vp c 2 Maka : t maks L n1 c n2 dan t min L n1 c Oleh karena itu, pelebaran pulsa per satuan panjang adalah: mod si t t maks t min n1 L L c , dimana : n1 n 2 n2 dalan bentuk Numerical Aperture (NA) : mod si NA t L 2 x n1 x c 2 Dimana Parameter σmod-si mempunyai satuan ns km-1 Khusus untuk Graded Index : mod gi t n12 L 8c Dimana Parameter σmod-gi mempunyai satuan ns km-1 Contoh Kasus Misal Diketahui n1 = 1,5 dan Δ = 0,01, Maka : dengan σ mod-si = ………….. dengan σ mod-gi = ………….. • Jika dengan σ mod-si = 0,015/(3x10 5 km/s) = 50 ns km -1 • Jika dengan σ mod-si = 50 x 0,01/8 = 60 ps km-1 Atau kira-kira 1000 kali lebih kecil. Akibat Dispersi Intermode Berikut ini adalah hal-hal yang dapat menyebabkan dispersi intermode : • Terjadi karena banyaknya mode dalam sebuah serat • Waktu tempuh masing-masing mode berbeda • Pulsa yang diterima adalah penjumlahan dari pulsa-pulsa mode, dimana masing-masing diperlambat dengan waktu yang berbeda. • Keterlambatan total yang terpendek adalah yang merambat lurus • Dispersi ini sangat berpengaruh pada serat multi mode. Penyebab Dispersi Intramode (Kromatik) • Dispersi intermode adalah akibat adanya sejumlah mode ( sinar ) yang berlainan yang merambat bersama di dalam serat optik dengan kecepatan berbeda – beda. • Cara lainnya untuk mengatasi hal ini adalah dengan hanya membiarkan satu mode tunggal saja merabat didalam serat optik • Untuk mendapatkan satu mode tunggal adalah dengan memperkecil ukuran garis tengah inti • Dengan memperkecil garis tengah inti hingga mencapai nilai tertentu, jumlah mode dapat dibuat menjadi satu • Ukuran garis tengah inti untuk sebuah serat optik mode tunggal atau single mode ( SM ) adalah 5 µm dan 10 µm. Penyebab Dispersi Intramode (Kromatik) Serat Multi Mode ( MM ) Garistengah mantel 125 µm Garistengah mantel 125 µm Garistengah inti 50 µm atau 62.5 µm Profil Indeks bias Mantel Inti n1 n2 Serat Single Mode ( SM ) Garistengah inti 5 µm hingga 10 µm Dipersi Intramode Banyak yang beranggapan bahwa sumber cahaya laser membangkitan cahaya dengan panjang gelombang tunggal. Pada kenyataannya, laser membangkitkan cahaya yang menduduki sebuah kisaran panjang gelombang ( bukan hanya satu panjang gelombang saja ), meskipun kisarannya jauh lebih sempit dibandingkan dengan LED Laser Daya Output Cahaya LED 2 nm Panjang Geombang 20 nm Berbagai komponen panjang gelombang pada spektrum cahaya akan merambat dengan kecepatan yang sedikit berbeda di dalam serat optik. Akibatnya pulsa cahaya akan memuai dan efek pemuaian semacam ini yang disebut dengan dipersi intramode atau kromatik Dispersi kromatik merupakankombinasi dari efek dua dispersi lainnya, yaitu dispersi bahan dan dispersi bumbung gelombang Dispersi Bahan Pelebaran pulsa yang ditimbulkan dispersi material dalam satu satuan panjang diungkapkan dengan waktu tunda pulsa (pulse delay) m d 1 dn n1 1 d c d m 1V s dimana n1= indeks bias inti. Untuk suatu sumber yang memiliki lebar spektral (σƛ), dispersi material menimbulkan pelebaran pulsa per satuan panjang m d m d , maka harga mutlaknya menjadi d 2 n1 m c d2 Parameter dispersi material Dm didefinisikan sebagai: d m d 2 n1 Dm d c d2 Dimana Parameter Dm mempunyai satuan ps nm-1 km-1 Sehingga besar nilai dispersi material adalah: m Dm Contoh Kasus 2 d n1 Sebuah serat optik memperlihatkan : 2 d 2 = 0.025 • Hitunglah parameter dispersi material (Dm) pada panjang gelombang = 0,85 μm. • Taksirlah pelebaran pulsa per km (σm) jika menggunakan sumber LEDyang lebar spektralnya σ = 20 nm. • Selanjutnya dengan pelebaran pulsa itu, hitunglah besar kapasitas informasinya (BL) Dispersi Pandu Gelombang Dispersi ini terjadi akibat dari karakteristik perambatan mode sebagai fungsi perbandingan antara jari-jari inti serat dan panjang gelombang. Dispersi ini timbul dari karakteristik propagasi cahaya di dalam serat optik 1 d (kb) pg n2 n2 c dk 1 d (Vb) n2 n2 c dV Parameter dispersi pandu gelombang adalah : d pg V d pg n2 d 2 (Vb) D pg V d dV c dV 2 Dimana Dpg adalah parameter dispersi pandu gelombang ( ps nm-1 km-1 ) Sehingga besar nilai dispersi pandu gelombang adalah: pg D pg Dispersi Total Dispersi total (akibat berbagai sebab di atas) adalah : t total tintermode t bahan t wg 2 2 2 Pada serat optik mode tunggal yang masih tersisa adalah dispersi material dan dispersi bumbung gelombang. Dispersi intermode tidak terdapat di serat optik single mode karena mode yang berjalan hanya satu mode yaitu yang sejajar dengan sumbu inti. Dengan mengutak-atik ukuran inti dan memodifikasi bahan pembuat serat optik, kita dapat ‘menggeser’ daerah panjang gelombang di mana dispersi minimum terjadi. Teknik ini dikenal sebagai optimasi serat optik untuk sebuah panjang gelombang, atau jendela panjang gelombang tertentu. Berhati-hatilah agar tidak tertukar antara dispersi intermode dan dispersi intramode • Inter artinya antara ; Intermode – antar mode • Intra artinya di dalam ; Intramode – di dalam sebuah mode tunggal Thank You Dadiek Pranindito [email protected] LOGO [email protected]