SERAT OPTIK

Pengenalan Sistem Komunikasi Serat Optik

Fiber Optic Communications, Joseph C. Palais

http://www.howstuffworks.com , http://www.tpub.com


Abstrak

Pada 30 tahun belakangan ini, telah dikembangkan sebuah teknologi baru yang menawarkan
kecepatan data yang lebih besar sepanjang jarak yang lebih jauh dengan harga yang lebih rendah
daripada sistem kawat tembaga. Teknologi baru ini adalah serat optik, serat optik menggunakan
cahaya untuk mengirimkan informasi (data). Cahaya yang membawa informasi dapat dipandu
melalui serat optik berdasarkan fenomena fisika yang disebut total internal reflection
(pemantulan sempurna). Secara tinjauan cahaya sebagai gelombang elektromagnetik, informasi
dibawa sebagai kumpulan gelombang-gelombang elektro-magnetik terpandu yang disebut mode.
Serat optik terbagi menjadi 2 tipe yaitu single mode dan multi mode. Secara umum sistem
komunikasi serat optik terdiri dari : transmitter, serat optik sebagai saluran informasi dan
receiver. Pada transmitter terdapat modulator, carrier source dan channel coupler, pada saluran
informasi serat optik terdapat repeater dan sambungan sedangkan pada receiver terdapat photo
detector, amplifier dan data processing. Sebagai sumber cahaya untuk sistem komunikasi serat
optik digunakan LED atau Laser Diode (LD).

Kata Kunci : Serat optik, internal total reflection, mode, single mode, multi mode, transmitter,
saluran informasi, receiver, repeater, sambungan, modulator, carrier, source, channel coupler,
detector, amplifier, data processing,, LED, Laser Dioda (LD), photo detector.


1. Maksud dan Tujuan

1.1 Maksud Penulisan

Untuk memenuhi tugas penulisan makalah pada mata kuliah seminar Program
Pasca Sarjana (Magister Teknik) Bidang Ilmu Teknik Fakultas Teknik, Program
Studi Elektroteknika dan Aplikasi LASER Universitas Indonesia.


1.2 Tujuan Penulisan

1.2.1 Mempelajari struktur serat optik dan memahai prinsip perambatan.
cahaya pada serat optik baik tinjauan cahaya secara geometrik maupun
secara gelombang elektro-magnetik (teori moda).

1.2.2 Mengetahui bagaimana sejarah perkembangan teknologi serat optik.


1.2.3 Mempelajari keuntungan-keuntungan sistem serat optik dibandingkan
dengan sistem konvensional menggunakan kabel logam (tembaga).

1.2.4 Mempelajari dasar sistem komunikasi serat optik secara umum. 2. Sejarah Perkembangan Teknologi Serat Optik

Pada tahun 1880 Alexander Graham Bell menciptakan sebuah sistem komunikasi cahaya
yang disebut photo-phone dengan menggunakan cahaya matahari yang dipantulkan dari
sebuah cermin suara-termodulasi tipis untuk membawa percakapan, pada penerima
cahaya matahari termodulasi mengenai sebuah foto-kondukting sel-selenium, yang
merubahnya menjadi arus listrik, sebuah penerima telepon melengkapi sistem. Photo-
phone tidak pernah mencapai sukses komersial, walaupun sistem tersebut bekerja cukup
baik.

Penerobosan besar yang membawa pada teknologi komunikasi serat optik dengan
kapasitas tinggi adalah penemuan Laser pada tahun 1960, namun pada tahun tersebut
kunci utama di dalam sistem serat praktis belum ditemukan yaitu serat yang efisien. Baru
pada tahun 1970 serat dengan loss yang rendah dikembangkan dan komunikasi serat
optik menjadi praktis (Serat optik yang digunakan berbentuk silinder seperti kawat pada
umumnya, terdiri dari inti serat (core) yang dibungkus oleh kulit (cladding) dan
keduanya dilindungi oleh jaket pelindung (buffer coating)). Ini terjadi hanya 100 tahun
setelah John Tyndall, seorang fisikawan Inggris, mendemonstrasikan kepada Royal
Society bahwa cahaya dapat dipandu sepanjang kurva aliran air. Dipandunya cahaya oleh
sebuah serat optik dan oleh aliran air adalah peristiwa dari fenomena yang sama yaitu
total internal reflection.

Teknologi serat optik selalu berhadapan dengan masalah bagaimana caranya agar lebih
banyak informasi yang dapat dibawa, lebih cepat dan lebih jauh penyampaiannya dengan
tingkat kesalahan yang sekecil-kecilnya. Informasi yang dibawa berupa sinyal digital,
digunakan besaran kapasitas transmisi diukur dalam 1 Gb.km/s yang artinya 1 milyar
bit dapat disampaikan tiap detik melalui jarak 1 km. Berikut adalah beberapa tahap
sejarah perkembangan teknologi serat optik :


• Generasi Petama ( mulai tahun 1970)

- Sistem masih sederhana dan menjadi dasar bagi sistem generasi berikutnya terdiri
dari :
ƒ Encoding : Mengubah input (misal suara) menjadi sinyal listrik.
ƒ Transmitter : Mengubah sinyal listrik menjadi gelombang cahaya
termodulasi, berupa LED dengan panjang gelombang 0,87 µm.
ƒ Serat Silika : Sebagai pengantar gelombang cahaya.
ƒ Repeater : Sebagai penguat gelombang cahaya yang melemah di jalan
ƒ Receiver : Mengubah gelombang cahaya termodulasi menjadi sinyal listrik,
berupa foto-detektor
ƒ Decoding : Mengubah sinyal listrik menjadi ouput (misal suara)

- Repeater bekerja dengan merubah gelombang cahaya menjadi sinyal listrik
kemudian diperkuat secara elektronik dan diubah kembali menjadi gelombang
cahaya.
- Pada tahun 1978 dapat mencapai kapasitas transmisi 10 Gb.km/s.

• Generasi Ke- Dua ( mulai tahun 1981)

- Untuk mengurangi efek dispersi, ukuran inti serat diperkecil. - Indeks bias kulit dibuat sedekat-dekatnya dengan indeks bias inti.
- Menggunakan diode laser, panjang gelombang yang dipancarkan 1,3 µm.
- Kapasitas transmisi menjadi 100 Gb.km/s.

• Generasi Ke- Tiga ( mulai tahun 1982)

- Penyempurnaan pembuatan serat silika.
- Pembuatan chip diode laser berpanjang gelombang 1,55 µm.
- Kemurniaan bahan silika ditingkatkan sehingga transparansinya dapat dibuat
untuk panjang gelombang sekitar 1,2 µm sampai 1,6 µm
- Kapasitas transmisi menjadi beberapa ratus Gb.km/s.
-
• Generasi Ke- Empat ( mulai tahun 1984)

- Dimulainya riset dan pengembangan sistem koheren, modulasinya 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 (modulasi intensitas).
- Terhambat perkembangannya karena teknologi piranti sumber dan deteksi
modulasi frekuensi masih jauh tertinggal.

• Generasi Ke- Lima ( mulai tahun 1989)

- Dikembangkan suatu penguat optik yang menggantikan fungsi repeater pada
generasi-generasi sebelumnya.
- Pada awal pengembangannya kapasitas transmisi hanya dicapai 400 Gb.km/s
tetapi setahun kemudian kapasitas transmisinya sudah menembus 50.000
Gb.km/s !

• Generasi Ke- Enam ?

- Pada tahun 1988 Linn F. Mollenauer mempelopori sistem komunikasi optik
soliton. Soliton adalah pulsa gelombang yang terdiri dari banyak komponen
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).
- Eksprimen menunjukkan bahwa soliton minimal dapat membawa 5 saluran yang
masing-masing membawa informasi dengan laju 5 Gb/s. Kapasitas transmisi
yang telah diuji mencapai 35.000 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 melebar pada
waktu sampai di receiver. Hal ini sangat menguntungkan karena tingkat
kesalahan yang ditimbulkannya amat kecil bahkan dapat diabaikan. 3. Struktur Serat Optik dan Perambatan Cahaya pada Serat Optik

• Struktur Dasar Sebuah Serat Optik

Gambar (1) di bawah merupakan struktur dasar dari sebuah serat optik yang terdiri
dari 3 bagian : core (inti), cladding (kulit), dan coating (mantel) atau buffer
(pelindung). Inti adalah sebuah batang silinder terbuat dari bahan dielektrik (bahan
silika (SiO2), biasanya diberi doping dengan germanium oksida (GeO2) atau fosfor
penta oksida (P2O5) untuk menaikan indeks biasnya) yang tidak menghantarkan listrik,
inti ini memiliki jari-jari a, besarnya sekitar 8 – 200 µm dan indeks bias n1, besarnya
sekitar1,5. Inti di selubungi oleh lapisan material, disebut kulit, yang terbuat dari
bahan dielektrik (silika tanpa atau sedikit doping), kulit memiliki jari-jari sekitar 125 –
400 µm indeks bias-nya n2, besarnya sedikit lebih rendah dari n1.


Gambar (1)

Walaupun cahaya merambat sepanjang inti serat tanpa lapisan material kulit,
namun kulit memiliki beberapa fungsi :
- Mengurangi cahaya yang loss dari inti ke udara sekitar.
- Mengurangi loss hamburan pada permukaan inti.
- Melindungi serat dari kontaminasi penyerapan permukaan.
- Menambah kekuatan mekanis.
Jika perbedaan indeks bias inti dan kulit dibuat drastis disebut serat optik Step Indeks
(SI), selisih antara indek bias kulit dan inti disimbolkan dengan ∆ dimana :
1
2 1
2
1
2
2
2
1
2 n
n n
n
n n −
≈
−
= ∆ …………………………………….(1)
Sedangkan jika perbedaan indek bias inti dan kulit dibuat secara perlahan-lahan
disebut Graded Indeks (GI), bagaimana turunnya indeks bias dari inti ke kulit
ditentukan oleh indeks profile, α.
Indeks bias
Jari-Jari
n1
n2
a -a
Indeks bias
Jari-Jari
n1
n2
a -a
Step Indeks Graded Indeks
α = 2 α = ∞
Gambar (2)
Untuk pelindungan tambahan, kulit dibungkus oleh lapisan tambahan (terbuat dari
plastik jenis tertentu) yaitu mantel atau buffer untuk melindungi serat optik dari
kerusakan fisik. Buffer bersifat elastis, mencegah abrasi dan mencegah loss hamburan
akibat microbends.

• Perambatan Cahaya Di Dalam Serat Optik

Konsep perambatan cahaya di dalam serat optik, dapat ditinjau dengan dua
pendekatan/teori yaitu optik geometrik dimana cahaya dipandang sebagai sinar yang
memenuhi hukum-hukum geometrik cahaya (pemantulan dan pembiasan) dan optik
fisis dimana cahaya dipandang sebagai gelombang elektro-magnetik (teori mode).

ƒ Tinjauan Optik Geometrik
- Memberikan gambaran yang jelas dari perambatan cahaya sepanjang serat optik.
- Dua tipe sinar dapat merambat sepanjang serat optik yaitu sinar meridian dimana
sinar merambat memotong sumbu serat optik dan skew ray dimana sinar
merambat tidak melalui sumbu serat optik.
- Sinar-sinar Meridian dapat diklasifikasikan menjadi bound dan unbound rays,
lihat gambar (3).


.




Gambar (3) Pada gambar (3), serat optik adalah jenis step indeks, dimana indeks bias, n1,
lebih besar dari indek bias kulit, n2, Unbound rays dibiaskan keluar dari inti,
sedangkan bound rays akan terus menerus dipantulkan dan merambat sepanjang
inti, dianggap permukaan batas antara inti dan kulit sempurna/ideal (namun
akibat ketidak-sempurnaan ketidak-sempurnaan permukaan batas antara inti dan
4kulit maka akhirnya sinar akan keluar dari serat). Secara umum sinar-sinar
meridian (mengikuti hukum pemantulan dan pembiasan).
- Bound rays di dalam serat optik disebabkan oleh pemantulan sempurna, dimana
agar peristiwa ini terjadi maka sinar yang memasuki serat harus memotong
perbatasan inti - kulit dengan sudut lebih besar dari sudut kritis, θc, sehingga
sinar dapat merambat sepanjang serat.
- Lihat gambar (4) di bawah ini :







Gambar (4)
Sudut θa adalah sudut maksimum sinar yang memasuki serat agar sinar dapat
tetap merambat sepanjang serat (dipandu), sudut ini disebut sudut tangkap
(acceptance angle). Lihat gambar (5) di bawah ini :








Gambar (5) Numerical aperture (NA) adalah ukuran kemampuan sebuah serat untuk
menangkap cahaya, juga dipakai untuk mendefenisikan acceptance cone dari
sebuah serat optik. Dengan menggunakan hukum Snellius NA dari serat adalah :
…………………………(2)
Karena medium dimana tempat cahaya memasuki serat umumnya adalah udara
maka n0 = 1 sehingga NA = sin θa. NA digunakan untuk mengukur source-to-
fiber power-coupling efficiencies, NA yang besar menyatakan source-to-fiber
power-coupling efficiencies yang tinggi. Nilai NA biasanya sekitar 0,20 sampai
0,29 untuk serat gelas, serat plastik memiliki NA yang lebih tinggi dapat
melebihi 0,5.

ƒ Tinjauan Optik Fisis
- Pendekatan cahaya sebagai sinar hanya menerangkan bagaimana arah dari
sebuah gelombang datar merambat di dalam sebuah serat namun tidak meninjau
sifat lain dari gelombang datar yaitu interferensi, dimana gelombang datar saling
berinterferensi sepanjang perambatan, sehingga hanya tipe-tipe gelombang datar
tertentu saja yang dapat merambat sepanjang serat. Maka diperlukan tinjauan
optik fisis yaitu memandang cahaya sebagai gelombang elektromagnetik yang
disebut teori moda.
- Teori mode selain digunakan untuk menerangkan tipe-tipe gelombang datar yang
dapat merambat sepanjang serat, juga untuk menerangkan sifat-sifat serat optik
seperti absorpsi, attenuasi dan dispersi.
- Mode adalah “konfigurasi perambatan cahaya di dalam serat optik yang
memberikan distribusi medan listrik dalam transverse yang stabil (tidak berubah
sepanjang perambatan cahaya dalam arah sumbu) sehingga cahaya dapat dipandu
di dalam serat optik” ( Introduction To Optical Fiber Communication, Yasuharu
Suematsu, Ken – Ichi Iga). Kumpulan gelombang-gelombang elektromagnetik
yang terpandu di dalam serat optik disebut mode-mode.
- Teori mode memandang cahaya sebagai sebuah gelombang datar yang
dinyatakan dalam arah, amplitudo dan panjang gelombang dari perambatannya.
Gelombang datar adalah sebuah gelombang yang permukaannya (dimana pada
permukaan ini fase-nya konstan, disebut muka gelombang) adalah bidang datar
tak berhingga tegak lurus dengan arah perambatan. Hubungan panjang
gelombang, kecepatan rambat dan frekuensi gelombang dalam suatu medium :
….………................................(3)
c = kecepatan cahaya dalam ruang hampa = 3.108
m/det, f = frekuensi cahaya,
n = indeks bias medium.
- Consider the wavefront incident on the core of an optical fiber as shown in figure (6).
Only those wavefronts incident on the fiber at angles less than or equal to the critical
angle may propagate along the fiber. The wavefront undergoes a gradual phase change as
it travels down the fiber. Phase changes also occur when the wavefront is reflected. The
wavefront must remain in phase after the wavefront transverses the fiber twice and is
reflected twice. The distance transversed is shown between point A and point B on figure
(6). The reflected waves at point A and point B are in phase if the total amount of phase
collected is an integer multiple of 2π radian. If propagating wavefronts are not in
phase, they eventually disappear. Wavefronts disappear because of destructive
interference. The wavefronts that are in phase interfere with the wavefronts that are out
of phase. This interference is the reason why only a finite number of modes can
propagate along the fiber.







Figure (6) : Wavefront propagation along an optical fiber
The plane waves repeat as they travel along the fiber axis. The direction the plane
waves travel is assumed to be the z direction as shown in figure (6). The plane
waves repeat at a distance equal to λ/sinΘ. Plane waves also
repeat at a periodic frequency β = 2π sin Θ/λ. The
quantity β is defined as the propagation constant along the fiber axis. As the
wavelength (λ) changes, the value of the propagation constant must also
change.
For a given mode, a change in wavelength can prevent the mode from
propagating along the fiber. The mode is no longer bound to the fiber. The mode
is said to be cut off. Modes that are bound at one wavelength may not exist at
longer wavelengths. The wavelength at which a mode ceases to be bound is
called the cutoff wavelength for that mode. However, an optical fiber is always
able to propagate at least one mode. This mode is referred to as the fundamental
mode of the fiber. The fundamental mode can never be cut off.
The wavelength that prevents the next higher mode from propagating is called
the cutoff wavelength of the fiber. An optical fiber that operates above the cutoff
wavelength (at a longer wavelength) is called a single mode fiber. An optical
fiber that operates below the cutoff wavelength is called a multimode fiber.
Single mode and multimode optical fibers are discussed later in this chapter.
In a fiber, the propagation constant of a plane wave is a function of the wave's
wavelength and mode. The change in the propagation constant for different
waves is called dispersion. The change in the propagation constant for different wavelengths is called chromatic dispersion. The change in propagation constant
for different modes is called modal dispersion.
These dispersions cause the light pulse to spread as it goes down the fiber. Some
dispersion occurs in all types of fibers.





Figure (7) : The spreading of a light pulse.
MODES. - A set of guided electromagnetic waves is called the modes of an
optical fiber. Maxwell's equations describe electromagnetic waves or modes as
having two components. The two components are the electric field, E(x, y, z),
and the magnetic field, H(x, y, z). The electric field, E, and the magnetic field, H,
are at right angles to each other. Modes traveling in an optical fiber are said to be
transverse. The transverse modes, propagate along the axis of the fiber. The
mode field patterns shown are said to be transverse electric (TE). In TE modes,
the electric field is perpendicular to the direction of propagation.
The magnetic field is in the direction of propagation. Another type of transverse
mode is the transverse magnetic (TM) mode. TM modes are opposite to TE
modes. In TM modes, the magnetic field is perpendicular to the direction of
propagation. The electric field is in the direction of propagation.







Figure (8) : Transverse electric (TE) mode field patterns.
The TE mode field patterns indicate the order of each mode. The order of each
mode is indicated by the number of field maxima within the core of the fiber. For
example, TE0 has one field maxima. The electric field is a maximum at the center
of the waveguide and decays toward the core-cladding boundary. TE0 is
considered the fundamental mode or the lowest order standing wave. As the
number of field maxima increases, the order of the mode is higher. Generally, modes with more than a few field maxima are referred to as high-order modes.
The order of the mode is also determined by the angle the wavefront makes with
the axis of the fiber.







Figure (9) : Low-order and high-order modes.
Figure (9) illustrates light rays as they travel down the fiber. These light rays
indicate the direction of the wavefronts. High-order modes cross the axis of the
fiber at steeper angles. Low-order and high-order modes are shown in figure (9).
Notice that the modes are not confined to the core of the fiber. The modes extend
partially into the cladding material. Low-order modes penetrate the cladding only
slightly. In low-order modes, the electric and magnetic fields are concentrated
near the center of the fiber. However, high-order modes penetrate further into the
cladding material. In high-order modes, the electrical and magnetic fields are
distributed more toward the outer edges of the fiber. This penetration of low-
order and high-order modes into the cladding region indicates that some portion
is refracted out of the core. The refracted modes may become trapped in the
cladding due to the dimension of the cladding region. The modes trapped in the
cladding region are called cladding modes. As the core and the cladding modes
travel along the fiber, mode coupling occurs. Mode coupling is the exchange of
power between two modes. Mode coupling to the cladding results in the loss of
power from the core modes.
For a mode to remain within the core, the mode must meet certain boundary
conditions. A mode remains bound if the propagation constant β meets the
following boundary condition:
…………………………………………(4)
where n1 and n2 are the index of refraction for the core and the cladding,
respectively. When the propagation constant becomes smaller than
2πn2/λ, power leaks out of the core and into the cladding. Generally,
modes leaked into the cladding are lost in a few centimeters. However, leaky
modes can carry a large amount of power in short fibers. NORMALIZED FREQUENCY. - Electromagnetic waves bound to an optical
fiber are described by the fiber's normalized frequency. The normalized
frequency determines how many modes a fiber can support. Normalized
frequency is a dimensionless quantity.
Normalized frequency is also related to the fiber's cutoff wavelength. Normalized
frequency (V) is defined as:
.………………………………………(5)
where n1 is the core index of refraction, n2 is the cladding index of refraction, a is
the core diameter, and λ is the wavelength of light in air.
The number of modes that can exist in a fiber is a function of V. As the value of
V increases, the number of modes supported by the fiber increases. Optical
fibers, single mode and multimode, can support a different number of modes.
- Optical Fiber Types
Optical fibers are characterized by their structure and by their properties of
transmission. Basically, optical fibers are classified into two types. The first type
is single mode fibers. The second type is multimode fibers. As each name
implies, optical fibers are classified by the number of modes that propagate along
the fiber. As previously explained, the structure of the fiber can permit or restrict
modes from propagating in a fiber. The basic structural difference is the core
size. Single mode fibers are manufactured with the same materials as multimode
fibers. Single mode fibers are also manufactured by following the same
fabrication process as multimode fibers.
ƒ Single Mode Fibers
The core size of single mode fibers is small. The core size (diameter) is typically
around 8 to 10 micrometers. A fiber core of this size allows only the fundamental
or lowest order mode to propagate around a 1300 nanometer (nm) wavelength.
Single mode fibers propagate only one mode, because the core size approaches
the operational wavelength. The value of the normalized frequency parameter
(V) relates core size with mode propagation. In single mode fibers, V is less than
or equal to 2.405. When V ≤ 2.405, single mode fibers propagate the
fundamental mode down the fiber core, while high-order modes are lost in the
cladding. For low V values (≤1.0), most of the power is propagated in the
cladding material. Power transmitted by the cladding is easily lost at fiber bends.
The value of V should remain near the 2.405 level.
Single mode fibers have a lower signal loss and a higher information capacity
(bandwidth) than multimode fibers. Single mode fibers are capable of
transferring higher amounts of data due to low fiber dispersion. Basically,
dispersion is the spreading of light as light propagates along a fiber. Dispersion
mechanisms in single mode fibers are discussed in more detail later in this
chapter. Signal loss depends on the operational wavelength (λ). In single
mode fibers, the wavelength can increase or decrease the losses caused by fiber bending. Single mode fibers operating at wavelengths larger than the cutoff
wavelength lose more power at fiber bends. They lose power because light
radiates into the cladding, which is lost at fiber bends. In general, single mode
fibers are considered to be low-loss fibers, which increase system bandwidth and
length.
ƒ Multimode Fibers
As their name implies, multimode fibers propagate more than one mode.
Multimode fibers can propagate over 100 modes. The number of modes
propagated depends on the core size and numerical aperture (NA). As the core
size and NA increase, the number of modes increases. Typical values of fiber
core size and NA are 50 to 100 μm and 0.20 to 0.29, respectively. A large
core size and a higher NA have several advantages. Light is launched into a
multimode fiber with more ease. The higher NA and the larger core size make it
easier to make fiber connections. During fiber splicing, core-to-core alignment
becomes less critical. Another advantage is that multimode fibers permit the use
of light-emitting diodes (LEDs). Single mode fibers typically must use laser
diodes. LEDs are cheaper, less complex, and last longer. LEDs are preferred for
most applications.
Multimode fibers also have some disadvantages. As the number of modes
increases, the effect of modal dispersion increases. Modal dispersion (intermodal
dispersion) means that modes arrive at the fiber end at slightly different times.
This time difference causes the light pulse to spread. Modal dispersion affects
system bandwidth. Fiber manufacturers adjust the core diameter, NA, and index
profile properties of multimode fibers to maximize system bandwidth.


4. Keuntungan Sistem Serat Optik

Mengapa sistem serat optik dikatakan merevolusi dunia telekomunikiasi ? ini karena
dibandingkan dengan sistem konvensional menggunakan kabel logam (tembaga) biasa,
serat optik memiliki :
• Less expensive – Beberapa mil kabel optik dapat dibuat lebih murah dari kabel
tembaga dengan panjang yang sama.
• Thinner – Serat optik dapat dibuat dengan diameter lebih kecil (ukuran diameter
kulit dari serat sekitar 100 µm dan total diameter ditambah dengan jaket pelindung
sekitar 1 – 2 mm) daripada kabel tembaga, dan juga karena serat optik membawa
light (cahaya) maka tentunya memiliki light weight (berat yang ringan). Maka kabel
serat optik mengambil tempat yang lebih kecil di dalam tanah.
• Higher carrying capacity – Karena serat optik lebih tipis dari kabel tembaga maka
kebanyakan serat optik dapat dibundel ke dalam sebuah kabel dengan diameter
tertentu maka beberapa jalur telepon dapat berada pada kabel yang sama atau lebih
banyak saluran televisi pada TV cable dapat melalui kabel. Serat optik juga memiliki
bandwidth yang besar ( 1 dan 100 GHz, untuk multimode dan single-mode sepanjang
1 Km).
• Less signal degradation – Sinyal yang loss pada serat optik lebih kecil ( kurang dari
1 dB/km pada rentang panjang gelombang yang lebar) dibandingkan dengan kabel
tembaga. • Light signals – Tidak seperti sinyal listrik pada kabel tembaga, sinyal cahaya dari
satu serat optik tidak berinterferensi dengan sinyal cahaya pada serat optik yang
lainnya di dalam kabel yang sama, juga tidak ada interferensi elektromagnetik. Ini
berarti meningkatkan kualitas percakapan telepon atau penerimaan TV. Juga tidak
ada
• Low Power – Karena sinyal pada serat optik mengalami loss yang rendah, transmitter
dengan daya yang rendah dapat digunakan dibandingkan dengan sistem kabel
tembaga yang membutuhkan tegangan listrik yang tinggi, hal ini jelas dapat
mengurangi biaya yang dibutuhkan.
• Digital signals – Serat optik secara ideal cocok untuk membawa informasi digital
dimana berguna secara khsusus pada jaringan komputer.
• Non-flammable – Karena tidak ada arus listrik yang melalui serat optik, maka tidak
ada resiko bahaya api.
• Flexibile – Karena serat optik sangat fleksibel dan dapat mengirim dan menerima
cahaya, maka digunakan pada kebanyakan kamera digital fleksibel untuk tujuan :
ƒ Medical Imaging – pada bronchoscopes, endoscopes, laparoscope,
colonofiberscope (dapat dimasukkan ke dalam tubuh manusia (misal usus)
sehingga citranya dapat dilihat langsung dari luar tubuh).
ƒ Mechanical imaging – memeriksa pengelasan didalam pipa dan mesin
ƒ Plumbing – memeriksa sewer lines


5. Dasar Sistem Komunikasi Serat Optik

Gambar (10) merupakan dasar sistem komunikasi terdiri dari sebuah transmitter, sebuah
recevier, dan sebuah information channel. Pada transmitter informasi dihasilkan dan
mengolahnya menjadi bentuk yang sesuai untuk di kirimkan sepanjang information
channel, informasi ini berjalan dari transmitter ke receiver melalui information channel
ini. Information channels dapat dibagi menjadi 2 kategori : Unguided channel dan
Guided channel. Atmosphere adalah sebuah contoh Unguided channel, sistem yang
menggunakan atmospheric channel adalah radio, televisi dan microwave relay links.
Guided channels mencakup berbagai variasi struktur tranmisi konduksi, seperti two-wire
line, coaxial cable, twisted–pair.


Transmitter Information
Channel
Receiver


Gambar (10)

Gambar (11) merupakan blok diagaram sistem komunikasi serat optik secara umum,
dimana fungsi-fungsi dari setiap bagian adalah sebagai berikut :

• Message Origin
- Message origin bisa berupa besaran fisik non-listrik (suara atau gambar),
sehingga diperlukan transduser (sensor) yang merubah message dari bentuk
non-listrik ke bentuk listrik.
- Contoh yang umum adalah microphone merubah gelombang suara menjadi
arus listrik dan Video cameras (CCD) merubah gambar menjadi arus listrik.


• Modulator dan Carrier Source

- Memiliki 2 fungsi utama, pertama merubah message elektrik ke dalam
bentuk yang sesuai, kedua menumpangkan sinyal ini pada gelombang yang
dibangkitkan oleh carrier source.
- Format modulasi dapat dibedakan menjadi modulasi analog dan digital.
- Pada modulasi digital untuk menumpangkan sinyal data digital pada
gelombang carrier, modulator cukup hanya meng-on kan atau meng-off kan
carrier source sesuai dengan sinyal data-nya.


Message
Origin
Transmitter
Information
Channel Fiber Fiber
Optical
Amplifier
Repeater
Or Optical
Amplifier
Receiver
Message
Output
Fiber
Fiber
Optical
Amplifier
Modulator
Carrier
Source
Channel
Coupler
Detector Amplifier Processing
Gambar (11)

- Carrier sourc membangkitkankan gelombang cahaya dimana padanya
informasi ditransmisikan, yang umum digunakan Laser Diode (LD) atau
Light Emitting Diode (LED).



t
Optical Power
Arus Listrik
t
Unmodulated signal
Arus Listrik
Optical Power
Digital Modulation
t
Tidak ada data
t
Data analog
Arus Listrik
t
Data digital
110 1 110 1
Optical Power
Analog Modulation


Gambar (12)


Light
Source
Trapped rays
Untrapped rays
Fiber Light
Source
Source
Radiation cone
Fiber
Fiber
Acceptance
Cone

Gambar (13)
• Channel Coupler

- Untuk menyalurkan power gelombang cahaya yang telah termodulasi dari
carrier source ke information channel (serat optik).
- Merupakan bagian penting dari desain sistem komunikasi serat optik sebab
kemungkinan loss yang tinggi.


• Information Channel (Serat Optik)

- Karakteristik yang diinginkan dari serat optik adalah atenuasi yang rendah
dan sudut light-acceptance-cone yang besar.
- Amplifier dibutuhkan pada sambungan yang sangat panjang (ratusan atau
ribuan kilometer) agar didapatkan power yang cukup pada receiver.
- Repeater hanya dapat digunakan untuk sistem digital, dimana berfungsi
merubah sinyal optik yang lemah ke bentuk listrik kemudian dikuatkan dan
dikembalikan ke bentuk sinyal optik untuk transmisi berikutnya.
- Waktu perambatan cahaya di dalam serat optik bergantung pada frekuensi
cahaya dan pada lintasan yang dilalui, sinyal cahaya yang merambat di dalam
serat optik memilki frekuensi berbeda-beda dalam rentang tertentu (lebar
spektrum frekuensi) dan powernya terbagi-bagi sepanjang lintasan yang
berbeda-berbeda, hal ini menyebabkan distorsi pada sinyal.
- Pada sistem digital distorsi ini berupa pelebaran (dispersi) pulsa digital yang
merambat di dalam serat optik, pelebaran ini makin bertambah dengan
bertambahnya jarak yang ditempuh dan pelebaran ini akan tumpang tindih
dengan pulsa-pulsa yang lainnya, hal ini akan menyebabkan kesalahan pada
deteksi sinyal. Adanya dispersi membatasi kecepatan informasi (pada sistem
digital kecepatan informasi disebut data rate diukur dalam satuan bit per
second (bps) ) yang dapat dikirimkan.
- Pada fenomena optical soliton, efek dispersi ini diimbangi dengan efek non-
linier dari serat optik sehingga pulsa sinyal dapat merambat tanpa mengalami
perubahan bentuk (tidak melebar).


• Detector dan Amplifier

- Digunakan foto-detektor (photo-diode, photo transistor dsb) yang berfungsi
merubah sinyal optik yang diterima menjadi sinyal listrik.

• Signal Processor

- Untuk transmisi analog, sinyal prosesor terdiri dari penguatan dan filtering
sinyal. Filtering bertujuan untuk memaksimalkan rasio dari daya sinyal terhadap
power sinyal yang tidak diinginakan. Fluktuasi acak yang ada pada sinyal yang
diterima disebut sebagai noise. Bagaimana pengaruh noise ini terhadap sistem
komunikasi ditentukan oleh besaran SNR (Signal to Noise Ratio), yaitu
perbandingan daya sinyal dengan daya noise, biasanya dinyatakan dalam desi-
Bell (dB), makin besar SNR maka makin baik kualitas sistem komunikasi
tersebut terhadap gangguan noise. - Untuk sistem digital, sinyal prosesor terdiri dari penguatan dan filtering sinyal
serta rangkaian pengambil keputusan .
- Rangkaian pengambil keputusan ini memutuskan apakah sebuah bilangan biner 0
atau 1 yang diterima selama slot waktu dari setiap individual bit. Karena adanya
noise yang tak dapat dihilangkan maka selalu ada kemungkinan kesalahan dari
proses pengambilan keputusan ini, dinyatakan dalam besaran Bit Error Rate
(BER ) yang nilai-nya harus kecil pada komunikasi.
- Jika data yang dikirim adalah analog (misalnya suara), namun ditransmisikan
melalui serat optik secara digital (pada transmitter dibutuhkan Analog to Digital
Converter (ADC) sebelum sinyal masuk modulator) maka dibutuhkan juga
Digital to Analog Converter (DAC) pada sinyal prosesor, untuk merubah data
digital menjadi analog, sebelum dikeluarkan ke output (misalnya speaker).


Current developed at
message origin
Current out of
modulator
Optical power variation
at input to the fiber
Optical power variation
at the end of the fiber
Current waveform out
of the photodetector
Current after filtering
dan amplification


Gambar (14)

• Message Output

- Jika output yang dihasilkan di presentasikan langsung ke manusia, yang
mendengar atau melihat informasi tersebut, maka output yang masih dalam
bentuk sinyal listrik harus dirubah menjadi gelombang suara atau visual image.
Transduser (actuator) untuk hal ini adalah speaker untuk audio message dan tabung sinar katoda (CRT) (atau yang lainnya seperti LCD, OLED dsb) untuk
visual image.
- Pada beberapa situasi misalnya pada sistem dimana komputer-komputer atau
mesin-mesin lainnya dihubungkan bersama-sama melalui sebuah sistem serat
optik, maka output dalam bentuk sinyal listrik langsung dapat digunakan. Hal ini
juga jika sistem serat optik hanya bagian dari jaringan yang lebih besar, seperti
pada sebuah fiber link antara telephone exchange atau sebuah fiber trunk line
membawa sejumlah progam televisi, pada kasus ini prosesing mencakup
distribusi dari sinyal listrik ke tujuan-tujuan tertentu yang diinginkan. Peralatan
pada message ouput secara sederhana hanya berupa sebuah konektor elektrik dari
prosesor sinyal ke sistem berikutnya.


6. Kesimpulan

• Teknologi serat optik menawarkan kecepatan data yang lebih besar sepanjang
jarak yang lebih jauh dengan harga yang lebih rendah daripada sistem
konvensional menggunakan kawat logam (tembaga)
• Struktur dasar dari sebuah serat optik yang terdiri dari 3 bagian : core (inti),
cladding (kulit), dan coating (mantel) atau buffer (pelindung). Indeks bias kulit,
n2 besarnya sedikit lebih rendah dari indek bias inti, n1.
• Untuk menjelaskan bagaimana cahaya merambat sepanjang serat optik digunakan
dua pendekatan/teori, yaitu pendekatan cahaya sebagai sinar (optik geometrik)
dan cahaya sebagai gelombang elektro-magnetik (optik fisis) / teori mode.
• Pendekatan cahaya sebagai sinar memberikan gambaran yang jelas bagaimana
cahaya merambat sepanjang serat optik, namun kurang dalam memberikan
penjelasan mengenai sifat lain lain dari cahaya seperti interferensi, dan sifat serat
optik seperti absorpsi, atenuasi dan dispersi, oleh karena itu diperlukan
pendekatan cahaya sebagai gelombang/ teori mode. Berdasarkan jumlah mode
yang merambat maka serat optik terbagi menjadi dua tipe : single-mode dan
multi-mode.
• Sistem serat optik memberikan dibandingkan dengan sistem konvensional
menggunakan kabel logam (tembaga) memiliki keuntungan dalam hal less
expensive, thinner, higher carrying capacity, large-bandwidth, less signal
degradation , ligtht signals, low power, non-flammable, flexibile.
• Sistem komunikasi optik secara umum terdiri dari Transmitter (Message origin,
Modulator, Carrier Source dan Channel Coupler), Information Channel (Serat
Optik) dan Receiver (Detector, Amplifier, Signal Processor dan Message
Output).