Fiber Optic [PDF]

Citation preview

Sejarah Fiber Optik 1880, Alexander Graham Bell Bereksperimen dengan peralatan yang disebut dengan p hotophone. • Mentransmisikan gelombang suara pada sorotan cahaya • Peralatan ini tid ak dapat dipercaya, buruk, dan tidak memiliki aplikasi praktik yang nyata • Namun alat Bell adalah usaha yang pertama dalam memakai sorot cahaya unutk membawa inf ormasi. 1930, J.L. Baird (ilmuwan Inggris) dan C.W. Hansell (Ilmuwan dari US) • Me milki paten yang diakui untuk scan dan transmisi gambar televisi melalui kabel f iber tanpa lapisan • Beberapa tahun kemudian, ilmuwan asal German, H. Lamn sukses mentransmisikan gambar melalui satu fiber gelas 1951, A.C.S. van Heel (Belanda) dan H.H. Hopkins dan N.S. Kapany (Inggris) • Bereksperimen dengan transmisi cahaya melalui buntelan fiber • Study mereka mengarah ke perkembangan flexible fiberscop e, yang dipakai secara luas dalam bidang kedokteran (medis) • Kapany adalah orang yang memberikan istilah fiber optik pada tahun 1956. 1958, Charles H. Townes (Am erika) dan Arthur L. Schawlow (Canada) • Menulis karya ilmiah yang menggambarkan b agaimana memungkinkan untuk memakai emisi yang dirangsang untuk memperkuat gelom bang cahaya (laser) seperti microwave (maser) 1960, Theodore H. Maiman



Ilmuwan dengan perusahan pesawat udara yang besar, membangun laser optik yang pe rtama. • Laser (light amplification by stimulated emission of radiation) memiliki daya out put yang tinggi, frekuensi operasi yang tinggi dan kemampuan membawa si nyal dengan bandwidth yang bukan main lebarnya, membuatnya cocok untuk sistem ko munikasi dengan kapasitas yang tinggi. 1967 K.C. Kao dan G.A. Bockham of Standar d Telecommunication di Inggris • Mengutarakan medium komunikasi yang baru yang mem akai kabel fiber dengan selubung (cladded fiber cable). • Kabel fiber yang tersedi a pada tahun 1960-an merupakan kabel dengan loss yang ekstrim (lebih dari 1000 d B/km) yang membatasi transmisi optik untuk jarak yang pendek. 1970, Kapron, Keck , dan Maurer of Corning Glass Works in Corning, New York • Mengembangkan fiber opt ik dengan loss yang kurang dari 2 dB/km • Terobosan yang besar, yang diperlukan un tuk memungkinkan sistem komunikasi fiber optik yang praktis. • Sejak tahun 1970, t eknologi fiber optik telah tumbuh secara eksponensial Pada akhir tahun 1970-an d an awal 1980-an Perbaikan kabel optik dan pengembangan kualitas yang tinggi, sum ber cahaya yang kuat dan detector telah membuka pintu terhadap pengembangan kual itas yang tinggi, kapasitas yang tinggi, dan sistem komunikasi fiber optik yang efisien Baru-baru ini, Lab Bell sukses mentransmisikan 1 milyar bps melalui kabe l fiber untuk jarak 600 mile tanpa regenerator.



Cabang elektronik yang berurusan dengan cahaya disebut dengan optoelectronic. Fiber Optik Versus Kabel Tembaga Keuntungan Sistem Fiber 1. Sistem fiber memiliki kapasitas yang lebih besar kare na tersedianya bandwidth yang lebih lebar pada frekuensi optik. Kabel tembaga me milki kapasitansi dan inductor disepanjang konduntor. Hal ini (sifat ini) menyeb abkan kabel tembaga berkelakuan seperti filter low pass yang membatasi frekuansi transmisi dan bandwidth. 2. Sistem fiber tahan terhadap crosstalk di antara kab el-kabel yang ada disekitarnya, yang disebabkan oleh induksi magnetic. Fiber gel as atau plastik bukan penghantar listrik dan karenanya tidak memiliki medan magn et. Pada kabel tembaga, penyebab utama crosstalk adalah induksi magnet antara ko nduktor yang terletak berdekatan satu sama lain. 3. Kabel fiber tahan terhadap i nterferensi statis yang disebabkan oleh kilat, motor listrik, lampu pijar/neon, dan sumber noise listrik lainnya. Hal ini juga disebabkan oleh kenyataan bahwa f iber optik bukan penghantar listrik. Kabel fiber tidak meradiasikan energi RF da n oleh karenanya tidak dapat menyebabkan interferensi dengan sistem komunikasi l ainnya. Karakteristik ini membuat sistem fiber secara ideal cocok untuk aplikasi militer. 4. Kabe fiber lebih tahan terhadap lingkungan yang ekstrim. Kabel fibe r beroperasi pada variasi temperatur yang lebih besar dari kabel tembaga, dan ku rang dipengaruhi oleh gas dan cairan yang bersifat merusak. 5. Kabel fiber lebih aman dan lebih mudah untuk dipasang dan pemeliharanya. Karena fber gelas atau p lastik bukan penghantar listrik, maka tidak terdapat arus listrik atau tegangan. Fiber dapat dipakai disekitar gas dan cairan yang



mudah menguap tanpa kuatir terhadap kebakaran atau ledakan. Fiber dimensinya leb ih kecil dan jauh lebih ringan dari kabel tembaga. Sebagai akibatnya, lebih muda h bekerja dengan fiber. Juga, kabel fiber memerlukan ruang simpan yang lebih kec il dan biaya transport yang lebih murah. 6. Kabel fiber lebih aman dari kabel te mbaga. Secara virtual tidak mungkin untuk menyadap (memasang alat pendengar raha sia) pada kabel fiber tanpa user yang mengetahui tentang fiber. 7. Meskipun belu m terbukti, sistem fiber diproyeksikan akan berakhir lebih lama dari sistem temb aga. Asumsi ini didasarkan pada toleransi fiber yang lebih tinggi terhadap perub ahan pada lingkungan. 8. Biaya jangka panjang sistem fiber optik diproyeksikan k urang dari sistem tembaga. Kerugian Sistem Fiber Pada saat ini, terdapat beberap a kerugian sistem fiber. • Satu kerugian yang signifikan (berarti) adalah biaya aw al yang lebih tinggi terhadap pemasangan sistem fiber, meskipun di masa yang aka n datang dipercaya bahwa biaya pemasangan sistem fiber akan berkurang secara dra matis. • Kerugian yang lain adalah sistem fiber tidak terbukti telah beroperasi un tuk periode waktu yang lebih lama, serta pemeliharaan dan perbaikan terhadap sis tem fiber juga lebih sulit dan mahal dari sistem tembaga. Spektrum Elektromagnetik Spektrum frekuensi elektromagnetik dan aplikasinya dalam sistem komunikasi ditun jukkan dalam gambar berikut:



Spektrum cahaya dibagai menjadi tiga band: 1. ahaya yang terlalu panjang untuk dilihat oleh jang gelombang cahaya yang akan direspon oleh panjang gelombang cahaya yang terlalu pendek



Infrared: band panjang gelombang c mata manusia. 2. Visible: band pan mata manusia. 3. Ultraviolet: band untuk dilihat oleh mata manusia



Sistem Komunikasi Fiber Optik Terdiri dari tiga bagian yang utama: transmitter, receiver dan fiber optik (fibe r guide) input Analog or digital interface Voltage to current converter Fiber Optik outpu t Light Source Source to fiber interface Fiber to light detector interface Light detector Current to voltage converter Analog or digital interface Transmitter: • Sumber cahaya dapat dimodulasi oleh sinyal analog atau digital. Unt uk modulasi analog, interface input menyesuaikan impedansi dan amplitudo sinyal input. Untuk modulasi digital, sinyal sumber mungkin dalam bentuk digital atau j ika dalam bentuk analog, sinyal analog ini harus diubah ke sederetan pulsa digit al, dan untuk kasus ini, converter analog ke digital harus dimasukkan ke interfa ce tersebut. • Converter tegangan ke arus mengubah tegangan input ke arus, yang di pakai untuk menggerakkan sumber cahaya. Jumlah



cahaya yang diemisikan oleh sumber cahaya (LED atau ILD) sebanding dengan arus p enggerak (drive current) • Coupler sumber cahaya ke fiber (sebagai contoh, lensa) berfungsi untuk mengcouple cahaya yang diemisikan oleh sumber cahaya ke kabel fi ber optik. Receiver: • Peralatan coupling fiber ke detector cahaya berfungsi untuk mengcouple cahaya sebanyak mungkin dari fiber ke detector cahaya. • Detektor caha ya (PIN atau APD) berfungsi untuk mengubah energi cahaya ke arus • Konverter arus ke tegangan mentransformasikan perubahan dalam arus detector ke perubahan dalam tegangan output • Jika dipakai modulasi analog, interface menyesuaikan impedansi d an level sinyal ke rangkaian ouput. Jika modulasi digital dipakai, interface har us memakai converter digital ke analog. Fiber Optik • Fiber optik dapat berupa kab el plastik atau gelas murni (ultrapure glass) • Fiber optik terdiri dari inti (cor e), cladding, dan jaket pelindung Gambar berikut adalah elemen mayor sistem komu nikasi optik. Komponen dasarnya terdiri dari transmitter cahaya, fiber optik dan receiver photo detector, sedangkan elemen tambahannya terdiri dari konektor, op tical splice, regenerator, beam splitter dan penguat optik.



Type Fiber Terdapat tiga macam fiber optik yang seluruhnya dikonstruksi dari gelas atau pla stik atau kombinasi dari gelas dan plastik • Inti (core) dan cladding plastik. • Cor e gelas dengan cladding plastik (sering disebut dengan fiber PCS, plastic-clad s ilica).



• Core dan cladding gelas (sering disebut dengan SCS, silicaclad-silica) Saat ini, Lab bell sedang menyelidiki kemungkinan pemakaian tipe yang keempat yang mamaka i bahan non silica, zinc chloride. Eksperimen permulaan telah menunjukkan bahwa fiber jenis ini 1000 kali seefisien fiber yang dibuat dari gelas (silica). Fiber plastik Keuntungan fiber plastik terhadap fiber gelas • Fiber plastik lebih fleks ibel dan sebagai akibatnya lebih kasar dari gelas • Mudah pemasangannya • Dapat mena han tekanan dengan baik • Kurang mahal dan beratnya 60% kurang dari gelas Kerugian fiber plastik • Karakteristik redaman yang tinggi • Fiber plastik merambatkan cahay a tidak seefisien fiber gelas • Sebagai akibatnya, secara relatif terbatas untuk j arak pendek, seperti dalam satu gedung atau komplek gedung. Fiber dengan Core Ge las • Karakteristik redaman yang rendah • Fiber PCS sedikit lebih baik dari fiber SC S • Fiber PCS kurang dipengaruhi oleh radiasi dan oleh karenanya lebih menarik unt uk aplikasi militer • Fiber SCS memiliki perambatan yang terbaik dan lebih mudah u ntuk diakhiri dari pada fiber PCS • Sayangnya, kabel SCS paling kurang kasarnya da n lebih mudah meningkat redamannya ketika kena radiasi. Pemilihan fiber untuk ap likasi tertentu adalah fungsi dari keperluan sistem yang spesifik dan selalu ter dapat untung rugi yang didasarkan pada ekonomi dan aplikasi tertentu.



Konstruksi Fiber Tergantung pada konfigurasinya, kabel fiber dapat berupa core, cladding, protective tube, buffers, strength members dan satu atau lebih protect ive jackets. Perhatikan Gambar berikut: Konstruksi loose tube (Gambar a) • Setiap fiber ditempatkan dalam protective tube • Di dalam protective tube, persenyawaan polyurethane membungkus fiber dan mencega h gangguan dari air



Konstruksi constrained fiber (Gambar b) • Disekeliling kabel fiber adalah buffer p rimer dan sekunder • Buffer jackets memberikan perlindungan terhadap fiber dari pe ngaruh mekanik luar yang dapat menyebabkan fiber rusak atau redaman optik yang b erlebihan • Kevlar adalah materi tipe yarn yang dapat meningkatkan daya rentang ka bel • Protective tube bagian luar diisi dengan polyurethane yang mencegah embun Ko nfigurasi multiple-strand (Gambar c) • Untuk meningkatkan daya rentang, bagian ste el central dan lapisan Mylar tape wrap dimasukkan dalam paket ini. Konfigurasi r ibbon (Gambar d) • Sering dijumpai dalam sistem telepon yang memakai fiber optik K onfigurasi kabel plastic-clad silica (Gambar e) Perambatan Cahaya Meskipun unjuk kerja fiber optik dapat dianalisa secara lengkap dengan pemakaian persamaan Maxwell, namun hal ini sangat rumit. Untuk sebagaian besar aplikasi p raktis, jejak gelombang geometris (geometric wave tracing) dapat dipakai sebagai pengganti persamaan Maxwell; jejak cahaya (ray tracing) akan memberikan hasil y ang cukup akurat. Kecepatan perambatan • Energi elektromagnetik, seperti cahaya me rambat pada kecepatan mendekati 300.000.000 m/dt (186.000 mil/dt) dalam ruang be bas • Kecepatan perambatan adalah sama untuk seluruh frekuensi cahaya dalam ruang bebas



• Namun dalam materi yang lebih rapat dari ruang bebas, kecepatan perambatan cahay a berkurang. • Ketika kecepatan gelombang elektromagnetik berkurang saat merambat dari satu medium ke medium yang lebih rapat, sinar cahaya dibiaskan (bengkok) ke arah normal • Dalam materi yang lebih rapat dari ruang bebas, seluruh frekuensi c ahaya tidak merambat pada kecepatan yang sama Pembiasan



• Gambar a menunjukkan bagaimana sinar cahaya dibiaskan ketika melewati materi den gan kerapatan tertentu ke materi yang lebih rapat. (Sebenarnya, sinar cahaya tid ak bengkok, tetapi arahnya berubah pada interface). • Gambar b menunjukkan bagaima na sinar matahari yang terdiri dari seluruh frekuensi cahaya dipengaruhi ketika melewati materi yang lebih rapat dari ruang bebas • Pembiasan terjadi pada kedua i nterface udara/gelas. • Panjang gelombang sinar ultraviolet paling besar dibiaskan sedangkan panjang gelombang sinar merah paling sedikit dibiaskan • Pemisahan spec trum cahaya putih dengan cara seperti ini disebut dengan pembiasan prisma (prism atic refraction). • Pembiasan prisma merupakan kejadian yang menyebabkan terjadiny a pelangi; air yang jatuh pada atmosfir berkelakuan seperti prisma yang memisahk an cahaya matahari (cahaya putih) menjadi bermacam panjang gelombang, yang mengh asilkan spectrum warna yang dapat dilihat. Indeks Bias • Pembiasan yang terjdi pad a interface dua materi dengan kerapatan yang berbeda merupakan suatu hal yang da pat diprediksi dan tergantung pada indeks bias dua materi tersebut. • Indeks bias adalah perbandingan antara kecepatan perambatan sinar cahaya pada ruang bebas te rhadap kecepatan perambatan sinar cahaya pada suatu materi • Secara matematis inde ks bias dinyatakan sebagai • n= m/dt) dengan c = kecepatan cahaya dalam ruang bebas (300.000.000 v = kecepatan cahaya pada suatu materi c v



• Meskipun indeks bias juga merupakan fungsi dari frekuensi, namun variasi frekuen si pada sebagian besar aplikasi tidak signifikan dan karenanya tidak dibahas • Ind eks bias beberapa materi yang umum ditunjukkan pada Tabel berikut • Bagaimana sinar cahaya bereaksi ketika menemui interface dua materi yang dapat m eneruskan cahaya, yang memiliki indeks bias yang berbeda dapat dijelaskan dengan hukum Snell. Hukum Snell menetapkan sebagai berikut: n1sin θ 1 = n2 sin θ 2 (1) den gan n1 = indeks bias materi 1 (satuan) n2 = indeks bias materi 2 (satuan) θ 1 = su dut datang (derajat) θ 2 = sudut bias (derajat) • Model indeks bias hukum Snell ditu njukkan dalam Gambar berikut



Pada interface, sinar yang datang dapat dibiaskan menuju normal atau menjauhi no rmal, tergantung pada apakah nilai n1 kurang dari atau lebih dari n2. - Ketika s inar cahaya memasuki materi yang kurang rapat (n1 > n2), sinar membengkok menjau hi normal dan sudut bias lebih besar dari sudut datang - Ketika sinar cahaya mem asuki materi yang lebih rapat (n1 < n2), sinar membengkok menuju normal - Normal adalah garis yang digambar tegak lurus terhadap interface pada titik dimana sin ar jatuh pada interface tersebut. -



Contoh 1 Dalam Gambar di atas, misalkan medium 1 adalah gelas dan 0 medium 2 ada lah ethyl alcohol. Jika sudut datang sinar sebesar 30 , tentukan sudut biasnya. Penyelesaian Berdasarkan Tabel 1, n1(gelas) = 1,5, ethyl alcohol = 1,36 dan berd asarkan persamaan (1) diperoleh: n 1 sin θ θ 1 = sin 2 n 2 1,5 sin 30 = 0,5514 = sin θ 2 1,36 θ = sin −1 0,5514 = 33,47 0 2 Hasil ini menunjukkan bahwa sinar cahaya dibiaskan (bengkok) atau arahnya beruba h sebesar 33,470 pada interface. Karena sinar cahaya merambat dari materi yang l ebih rapat ke materi yang kurang rapat, maka sinar bengkok menjauhi normal.



Sudut Kritis Gambar di atas menunjukkan kondisi dimana sinar yang datang berada pada suatu su dut sedemikian hingga sudut bias adalah sebesar 900 dan sinar yang dibiaskan ber ada disepanjang interface. (penting untuk diperhatikan bahwa sinar cahaya meramb at dari medium dengan indeks bias yang lebih tinggi ke yang lebih rendah) • Dengan memakai Hukum Snell, • dengan nilai θ 2 = 900 maka n 2 sin θ 1 = n sin θ 2 1



n sin −1 2 = θ = θ c dan 1 n 1 sin θ 1 = n (1) 1 n 2 (2) dengan θ c = sudut kritis. Sudut kritis didefinisikan sebagai sudut datang yang mi nimum, yang menghasilkan sudut bias sebesar 900 atau lebih besar. (Definisi ini hanya mengenai sinar cahaya ketika merambat dari medium yang lebih rapat ke kura ng rapat). 0 • Jika sudut bias bernilai 90 atau lebih, sinar cahaya tidak akan men embus materi yang kurang rapat. Sebagai akibatnya, pantulan total terjadi pada i nterface, dan sudut pantul sama dengan sudut datang. • Gambar dibawah menunjukkan perbandingan antara sudut bias dengan sudut pantul ketika sudut datang kurang at au lebih besar dari sudut kritis. •



Perambatan Cahaya Melalui Fiber Optik Cahaya dapat dipropagasikan pada kabel fiber optik dengan cara dibiaskan atau di pantulkan. Bagaiaman cahaya dipropagasikan, tergantung pada mode propagasi atau index profile dari fiber. Mode propagasi



• Dalam istilah optik, kata mode berarti jalur (path). • Jika hanya terdapat satu ja lur bagi cahaya untuk merambat pada kabel fiber, maka disebut single mode. • Jika terdapat lebih dari satu mode, disebut dengan multimode. Gambar dibawah menunjuk kan propagasi single dan multimode cahaya pada fiber optik. Index profile • Index profile fiber optik adalah representasi secara grafik nilai indeks bias fiber. • Indeks bias diplot pada axis horizontal dan jarak radius dari axis core diplot pada axis vertical. Gambar dibawah menunjukkan index profile t iga tipe kabel fiber.



• Terdapat dua tipe dasar index profile yaitu step dan graded. • Step index fiber me miliki core dengan indeks bias yang seragam. Core dikelilingi oleh cladding deng an indeks bias yang seragam yang kurang dari core. • Berdasarkan Gambar di atas, s tep index fiber memiliki perubahan indeks bias yang terjal pada interface core/c ladding.



• Dalam graded index fiber tidak terdapat cladding, dan indeks bias core tidak ser agam; indeks bias tertinggi pada pusat dan menurun secara berangsur angsur seiri ng dengan jarak yang menuju tepi luar fiber. Konfigurasi Fiber Optik Pada dasarnya terdapat tiga tipe konfigurasi fiber optik yaitu single mode step index, multimode step index, dan multimode graded index.



Single Mode Step Index Fiber • Single mode step index fiber memiliki core yang cuk up kecil sehingga pada dasarnya hanya terdapat satu jalur/path yang diambil oleh cahaya ketika merambat pada kabel fiber (Gambar di atas)



• Dalam bentuknya yang paling sederhana, cladding single mode step index fiber ber upa udara (Gambar a). o Indeks bias core gelas (n1) adalah sekitar 1,5 dan cladd ing udara (n0) sebesar 1. o Perbedaan indeks bias yang besar menghasilkan sudut kritis yang kecil (sekitar 420) pada interface gelas/udara. Sebagai akibatnya fi ber akan menerima cahaya dari aperture yang luas. Hal ini membuatnya relatif mud ah untuk menggandeng/mengkopel cahaya dari sumber ke kabel fiber. o Namun tipe f iber ini sangat lemah dan terbatas pemakainnya dalam praktek. • Tipe single mode s tep index fiber yang lebih praktis adalah fiber yang memilki cladding bukan udar a (Gambar b) o Indeks bias cladding (n2) sedikit lebih kecil dari pusat core (n1 ) dan seragam disepanjang cladding. o Tipe fiber ini secara fisik lebih kuat dar i fiber yang claddingnya udara, tetapi sudut ktritisnya jauh lebih besar (sekita r 770). Hal ini menghasilkan sudut penerimaan yang kecil dan aperture sumber ke fiber yang sempit, dan membuatnya sangat sulit untuk menggandeng cahaya dari sum ber cahaya ke fiber. • Dalam kedua tipe single mode step index fiber, cahaya dipro pagasikan pada kabel fiber melalui pantulan. • Sinar cahaya yang memasuki fiber me rambat secara langsung pada core atau mungkin melalui pantulan sekali. Sebagai a kibatnya, seluruh sinar cahaya mengikuti jalur yang hampir sama dan memerlukan w aktu yang hampir sama untuk mencapai ujung fiber. Hal ini merupakan satu keuntun gan yang sangat besar bagi single mode step index fiber.



Multimode Step Index Fiber o Fiber ini mirip dengan single step index fiber kecuali core nya jauh lebih bes ar. o Memiliki aperture cahaya ke fiber yang besar dan sebagai akibatnya memberi kan lebih banyak cahaya memasuki kabel fiber. o Sinar cahaya yang yang jatuh pad a interface core/cladding pada sudut yang lebih besar dari sudut kritis (sinar A ) dipropagasikan pada core dalam cara zigzag, dan secara kontinyu memantul pada interface tersebut o Sinar cahaya yang yang jatuh pada interface core/cladding p ada sudut yang lebih kecil dari sudut kritis (sinar B) akan memasuki cladding da n hilang. o Dalam Gambar dapat dilihat bahwa terdapat banyak jalur/path yang dap at diikuti oleh cahaya ketika merambat pada fiber. Sebagai hasilnya, seluruh cah aya tidak mengikuti jalur yang sama dan sebagai akibatnya tidak memiliki waktu y ang sama untuk mencapai ujung fiber.



Multimode Graded Index Fiber o Fiber jenis ini bercirikan bahwa core memiliki indeks bias yang tidak seragam (nonuniform). Indeks bias bernilai maksimum pada pusat dan menurun secara berang sur angsur ketika menuju tepi luar fiber. o Cahaya dipropagasikan pada jenis fib er ini melaui pembiasan o Ketika sinar cahaya merambat secara diagonal melewati core, sinar ini secara kontinyu memotong interface yang kurang rapat ke yang leb ih rapat. Sebagai akibatnya sinar cahaya dibiaskan secara konstan yang menghasil kan pembengkokan cahaya yang kontinyu o Cahaya memasuki fiber pada banyak sudut yang berbeda. o Ketika cahaya merambat pada fiber, sinar cahaya yang merambat pa da area fiber yang lebih luar, memiliki jarak yang lebih jauh dibandingkan denga n cahaya yang merambat dekat dengan pusat fiber o Karena indeks bias menurun ter hadap jarak yang dimulai dari pusat fiber, dan kecepatan cahaya berbanding terba lik dengan



indeks bias, maka sinar cahaya yang merambat pada jarak yang lebih jauh dari pus at fiber merambat pada kecepatan yang lebih tinggi. Sebagai akibatnya, sinar sin ar tersebut memiliki waktu yang mendekati sama untuk mencapai ujung fiber. Perbandingan Tiga Tipe Fiber Optik Single Mode Step Index Fiber Keuntungan 1. Dispersi minimum. Karena seluruh sina r merambat pada fiber dengan jalur yang hampir sama, maka sinar sinar tersebut m embutuhkan waktu yang hampir sama untuk tiba di ujung fiber. Sebagai akibatnya, pulsa cahaya yang memasuki kabel fiber dapat direproduksi di penerima dengan san gat akurat. 2. Karena akurasi yang tinggi dalam mereproduksi pulsa yang ditransm isikan di penerima, maka bandwidth yang lebih lebar dan kecepatan transmisi info rmasi yang tinggi memungkinkan dengan single mode step index fiber dari pada tip e fiber yang lainnya. Kerugian 1. Karena ukuran core sangat kecil, maka sulit un tuk menggandeng cahaya ke dalam dan keluar fiber. Aperture sumber ke fiber untuk tipe fiber ini paling kecil diantara tipe fiber yang ada. 2. Sumber cahaya deng an pengarahan yang tinggi seperti laser diperlukan untuk menggandeng cahaya ke s ingle mode step index fiber karena ukuran core yang kecil tersebut. 3. Single mo de step index fiber harganya mahal dan sulit untuk dibuat. Multimode Step Index Fiber Keuntungan 1. Murah dan mudah dalam pembuatannya.



2. Mudah untuk menggandeng cahaya ke dalam dan keluar fiber karena memiliki aper ture sumber yang besar ke fiber. Kerugian 1. Sinar cahaya menempuh banyak jalur yang berbeda, yang menghasilkan perbedaan waktu yang besar dalam perambatannya u ntuk mencapai ujung fiber. Karena hal ini, sinar yang merambat dalam fiber tipe ini memiliki kecenderungan untuk membentang. Sebagai akibatnya, pulsa cahaya yan g merambat dalam multimode step index fiber mengalami distorsi yang lebih dari p ada tipe fiber yang lainnya. 2. Kecepatan transfer informasi dan bandwidth denga n tipe fiber ini kurang dari tipe fiber yang lainnya. Multimode Graded Index Fib er • Pada dasarnya, tidak terdapat keuntungan atau kerugian yang menonjol pada jen is fiber ini. • Multimode graded index fiber lebih mudah menggandeng cahaya ke dal am atau keluar fiber dibandingkan dengan single mode step index fiber, tetapi le bih susah dibandingkan dengan multimode step index fiber. • Distorsi yang disebabk an oleh jalur perambatan yang banyak, lebih besar dibandingkan dengan single mod e step index fiber tetapi kurang dibandingkan dengan multimode step index fiber. • Graded index fiber lebih mudah dibuat dibandingkan dengan single mode step inde x fiber tetapi lebih sulit dibandingkan dengan multimode step index fiber. • Multi mode graded index fiber dipertimbangkan sebagai fiber menengah dibandingkan tipe fiber yang lainnya. Acceptance Angle dan Acceptance Cone Gambar dibawah menunjukkan ujung kabel fiber (ujung yang akan dikopel dengan sum ber cahaya).



• Ketika sinar memasuki fiber, sinar ini jatuh pada interface udara/gelas pada nor mal A. Indeks bias udara bernilai 1 dan inti gelas bernilai 1,5. Sebagai akibatn ya, cahaya yang memasuki interface udara/gelas merambat dari medium yang kurang rapat ke medium yang lebih rapat. • Dibawah kondisi ini dan sesuai dengan Hukum Sn ell, sinar cahaya akan membias ke arah normal. Hal ini menyebabkan sinar cahaya berubah arahnya dan merambat secara diagonal pada core pada sudut (θ c) yang berbe da dengan sudut external sinar datang pada interface udara/gelas (θ in)



Agar sinar cahaya merambat dalam fiber, sinar tersebut harus jatuh pada interfac e internal core/cladding pada sudut yang lebih besar dari sudut kritis (θ c). • Pema kaian Hukum Snell pada sudut external sinar datang menghasilkan persamaan sbb: •



n0 sin θ in = n1 sin θ 1 (3) dan θ 1 = 90 θ c Jadi sin θ 1 = sin (90 θ c) = cos θ c (4) S bstitusi persamaan (4) ke persamaan (3) menghasilkan persamaan sbb: n0 sin θ in = n1 cos θ c sin θ in = n 1 cosθ c n 0 (5) • Gambar berikut menunjukkan hubungan geometris persamaan (2). • Dengan memakai teorema pitagoras, diperoleh:



cos θ c = n2 − n2 1 2 n 1 n2 − n2 1 2 n 1 n2 − n2 1 2 n 0 (6) Substitusi persamaan (6) ke (5) diperoleh: n sin θ in = 1 n 0 sin θ in = (7) dan θ in = sin 1 n2 − n2 1 2 n 0 (8) Karena secara umum sinar memasuki fiber dari medium udara, maka n0 = 1, dan hal ini menyederhanakan persaman (12) menjadi: 2 2 θ in(max) = sin 1 n1 − n2 (9) θ in disebut dengan acceptance angle atau acceptance cone half angle, yang mendefi nisikan sudut maksimum dimana sinar cahaya luar jatuh pada interface udara/fiber dan sinar masih merambat dalam fiber, dengan respon tidak lebih besar dari 10 d B turun dari nilai puncak. Rotasi acceptance angle disekitar axis fiber menggamb arkan acceptance cone dari input fiber (Gambar di bawah).



Numerical Aperture • Numerical aperture (NA) adalah nilai yang dipakai untuk mengg ambarkan kemampuan fiber optik dalam mengumpulkan cahaya. • Semakin besar magnitud o NA, semakin besar jumlah cahaya yang dapat diterima oleh fiber optik dari sumb er cahaya eksternal. • Untuk step index fiber, NA secara matematis didefinisikan s ebagai sinus dari acceptance half angle, yaitu: NA = sin θ in (10) dan 2 2 NA = n1 − n2 (11) sin 1 NA = θ in Untuk graded index fiber, Na adalah sinus dari sudut kritis, yaitu : NA = sin θ c (12)



Contoh 2 Untuk multimode step index fiber dengan core gelas (n1 = 1,5) dan fused
uartz cladding (n2 = 1,46), tentukan sufut kritis (θ c), acceptance angle (θ in) d an numerical aperture. Media sumber ke fiber adalah udara. Penyelesaian Berdasar kan persamaan sudut kritis, diperoleh: n 1,46 0 sin − 1 2 = sin 1 θc = n 1,5 = 76,7 1 Berdasarkan persamaan (9), diperoleh: 2 2 θ in = sin 1 n1 − n2 = sin 1 1,52 − 1,46 2 = 20,20 Berdasarkan persamaan (10), dip eroleh: NA = sin θ in = sin 20,2 = 0,344 Soal: 1. Fiber optik dengan indeks bias cladding bernilai 1,48 memiliki numerica l aperture sebesar 0,25. Tentukanlah: (a) acceptance angle di udara (b) sudut kr itis pada interface core cladding 2. Kecepatan cahaya dalam core step index fibe r adalah 2,05 x 108 m/dt dan sudut kritisnya sebesar 800. Tentukan acceptance an gle (di udara) dan numerical aperture. Kecepatan cahaya di ruang hampa adalah 3 x 108 m/dt. Banyaknya Mode yang Dapat Didukung Oleh Fiber • Parameter yang dipakai untuk menentukan banyaknya mode yang dapat didukung oleh fiber adalah frekuensi cut off (V) • Frekuensi cut off merupakan ukuran terhadap tingkat bimbingan suatu fiber • V=π d d n 2 − n 2 ≅ π NA 2 λ 1 λ



• Jika niai V yang dieroeh dari ersamaan di atas adaah cuku jauh ebih besar dari satu, maka jumah mode yang daat didukung oeh fiber dinyatakan dengan e rsamaan: 2 N≅ V • Setia mode memunyai niai V yang berbeda, dimana mode dengan frekuensi cut off yang ebih keci dari niai V fiber saja yang akan merambat • Tabe berikut menun jukkan niai V untuk mode orde terendah yang akan didukung oeh sebuah ste inde ks fiber Mode Niai V 1 2 HE11 TE01, TM01 HE21 HE12, EH11 HE31 EH21 HE41 TE02, TM02 HE22 • 0 2,405 2,42 3,83 3,86 5,14 5,16 5,52 5,53 Untuk rambatan singe mode besarnya niai cut off fiber adaah V ≤ 2,405 Contoh 3 Fiber dengan diameter core sebesar 50 µm memiiki niai NA sebesar 0,343 dan diak ai ada geombang cahaya sebesar 0,8 µm. Hitungah niai V serta jumah mode yang daat didukung oeh fiber tersebut. Penyeesaian V= π N = ½ V2 = 267 mode d NA = 67, 3 λ



DEGRADASI SINYAL DALAM FIBER OPTIK Redaman sinya (juga dikena dengan rugi rugi fiber atau sinya) adaah saah sa tu ciri fiber otik yang aing enting, karena kontribusinya yang besar daam m enentukan jarak maksimum antara emancar dan enerima tana enguat atau reeate r. Karena enguat dan reeater maha daam embuatannya, emasangannya dan eme iharaannya, sehinnga tingkat redaman daam fiber otik memiiki engaruh yang be sar daam biaya sistem. Ciri ain fiber otik yang sama entingnya adaah distor si sinya. Mekanisme distorsi daam fiber otik menyebabkan usausa sinya o tik meebar ketika merambat diseanjang fiber. Jika usa usa ini merambat cuk u jauh, usa usa ini akan tumang tindih dengan usa usa disebeahnya, se hingga akan menghasikan kesaahan ada keuaran enerima. Jadi mekanisme distor si sinya membatasi kaasitas fiber daam membawa informasi. Redaman Mekanisme redaman daam fiber otik adaah enyeraan (absortion), hamburan (sc attering), dan rugi rugi radiasi (radiative oss) energi otik. Penyeraan berhu bungan dengan materi fiber sedangkan hamburan berhubungan dengan materi dan keti daksemurnaan struktur fiber. Redaman akibat radiasi berasa dari gangguan geome tri fiber Satuan Redaman Ketika cahaya merambat diseanjang fiber, dayanya menur un secara eksonensia terhada jarak yang ditemuh. Jika P(0) adaah daya otik di daam fiber ada titik asa (ada jarak no km, z = 0), maka daya P(z) ada jarak z adaah: α P(z) = P(0) e- p.z αp = z ln P(z) 1 P(0)



dengn αp merupkn koefisien redmn yng memiliki stun km1 . Untuk kemudhn d lm menghitung redmn sinyl optik didlm fiber, dipki prosedur yng umum un tuk mengekspresikn koefisien redmn dlm stun dB/km, yitu: α (dB/km) = z log P(z) Prmeter ini secr umum direferensikn sebgi redmn fiber tu rugi-r ugi fiber. Contoh 4 10 P(0) Pertimbngkn fiber optik dengn pnjng 30 km yng memiliki redmn 0,8 dB/km p d 1300 nm. Tentukn dy kelurn, jik ditrnsmisikn dy optik sebesr 200 µm . Penyelesin Pin (dBm) = 10 log P (W)



in



1mW



= 10 log 200 x10 −6 W



1x10 −3 W



= 7 dBm Pout(dBm) = Pin (dBm) αz = -7 dBm – (0,8 dB/km) (30 km) = -7 – 24 = -31dBm. Dlm s tun wtt, dy kelurn dlh: P(wtt) = 10-31/10 (1mW) = 0,79 x 10-3 mW Rugirugi Penyebrn Ryleigh • Selm proses pembutn fiber, gels ditrik menjdi fi ber yng pnjng dengn dimeter yng sngt kecil. • Gels yng diberi teknn se lm proses ini, menyebbkn gels yng dingin menghsilkn ketidkberturn sub microscopic, yng secr permnen terbentuk dlm fiber. • Ketik chy yng mer mbt dlm fiber, chy kn dibiskn kren ketidkberturn tersebut. • Pembi sn menyebbkn chy menyebr dlm bnyk rh. Beberp chy yng terbis tetp mermbt dlm fiber dn yng linny kelur menuju cldding. • Chy yng kelur ini menunjukkn loss dy (power) chy dn disebut dengn Ryleigh sct tering loss.



Rugi-rugi ini berbnding terblik dengn pngkt empt pnjng gelombng (αλ 4) • Gamb ar dibawah menunjukkan hubungan antara anjang geombang dengan Rayeigh scatter ing oss • Rugi Rugi Penyeraan Rugi rugi enyeraan disebabkan oeh tiga mekanisme yang be rbeda, yaitu enyeraan utravioet, inframerah, dan enyeraan resonansi ion. P enyeraan utravioet • Penyebaran utravioet disebabkan eektron vaensi siika ebur murni (ure fused siica) daat diionisasikan menjadi eektron konduksi o eh cahaya ada anjang geombang kira kira 0,14 µm yang setara dengan tingkat ener gi sebesar 8,9 eV.



• Ionisasi ini berkembang menjadi suatu rugi energi ada medan cahaya dan memberik an sumbangannya ada rugi transmisi. • Penyeraan UV bukan hanya terjadi ada anj ang geobang teta ini, tetai ada suatu jaur ebar yang membentang ke atas hi ngga ke bagian sektrum yang daat diihat, dengan rugi rugi yang mengeci ada anjang geombang yang ebih tinggi. • Ekor enyeraan UV ini mengeci dan daat d iabaikan ada jaur 1,2 – 1,3 µm. • Pemberian camuran ada geas (doing) seerti mis anya dioksida germanium untuk mengubah indeks bias menyebabkan sedikit eningka tan ada ekor enyeraan UV. Tetai rugi rugi ada 1,2 µm untuk sebagaian besar fi ber kurang dari 0,1 dB/km. • Penyeraan UV untuk geas siica murni dan siica den gan doing germanium ditunjukkan daam gambar dibawah. Penyeraan inframerah Pen yeraan inframerah terjadi karena foton energi cahaya yang disera oeh atom di daam moeku geas diubah menjadi getaran mekanis yang acak yang khas dari ema nasan Penyeraan resonansi ion • Penyeraan resonansi ion disebabkan oeh ion ion OH daam bahan fiber. Sumber ion OH adaah moeku moeku air yang terbentuk d aam geas seama roses embuatan fiber • Puncak uncak enyeraan terjadi ada 0 ,95, 1,25, dan 1,39 µm dengan uncak utama terjadi ada 1,39 µm Rugi rugi enyeraan ditunjukkan daam gambar berikut



Mode yang Bocor • Jika cahaya merambat di daam inti fiber dengan sudut yang ebih keci dari sudut krits maka cahaya akan dibiaskan, namun tidak seuruhnya. Sisa nya akan merambat di daam inti fiber (mode yang bocor). yang berguna untuk tran smisi informasi • Pembiasan sebagain ini mungkin terjebak di daan cadding dan me rambat diseanjang cadding ke enerima.



• Daam raktek teah didaatkan bahwa eru untuk membuang mode yang bocor ini da ri cadding sedini mungkin untuk mengurangi disersi. Ini dicaai dengan meais i cadding dengan bahan yang terbuat dari siica murni, dengan indeks bias yang ebih keci dari inti tetai ebih tinggi dari cadding. • Laisan siica ini juga berfngsi untuk menambah kekuatan mekanis fiber • Perhatikan gambar dibawah • m1 mewakii aur sinar cahaya yang seenuhnya dibimbing dan diantukan tota o eh interface core cadding, m2 mewakii sinar yang diantukan sebagain dan m3 m ewakii sinar yang seenuhnya dibiaskna ke uar dari inti • Sebagian energi sinar dibiaskan ewat cadding dan kemudian ewat aisan siika untuk disera ada su atu jaket eindung yang tidak tembus cahaya



• Mode bocor yang ditimbukan ada ujung emancar biasanya hanya mengandung bebera a ersen dari daya terbimbing tota, dan ha ini dengan ceat diredam dekat em ancar dan menjadi suatu rugi teta bagi fiber • Jika fiber meruakan fiber yang ti dak tersambung, rugi ini akan terjadi sekai • Namun jika fiber meruakan sambunga n beberaa fiber, mode yang merambat di bagian ertama mungkin tidak digandengka n dengan teat ke bagian berikutnya, ha ini mengakibatkan daya indah ke mode y ang bocor ada sambungan tersebut Jadi setia sambungan akan menambah rugi Rugi rugi Penggandengan Mode • Daya yang sudah dieaskan dengan baik ke daam suatu mo de yang merambat mungkin kemudian digandengkan ke daam suatu mode bocor atau mo de radiasi ada sebuah titik yang agak jauh ada fiber. Ha ini daat terjadi ka rena beberaa aasan • Cacat keci ada inti atau ada interface core cadding da at menyebabkan digandengkannya energi ke saah satu modemode yang bocor • Sumber  ain enggandengan mode adaah sambungan yang dibentuk kurang semurna atau konek tor yang enyeteannya kurang semurna. Umumnya rugi rugi ini kira kira 0,5 dB a tau 0,2 dB er sambungan dan daat dibuat minimum dengan mengurangi banyaknya sa mbungan atau konektor yang dierukan daam suatu rute fiber tertentu. Rugi rugi Pembengkokan Terdaat dua jenis embengkokan yang menyebabkan rugi rugi daam f iber, yaitu embekokan mikro (microbending) dan embekokan radius konstan. Kedua embekokan ini timbu



karena aasan yang berbeda dan menimbukan rugi rugi dengan mekanisme yang berbe da ua. Pembengkokan mikro • Meruakan embengkokan mikroskois inti fiber yang d isebabkan oeh aju enyusutan therma yang sedikit berbeda antara bahan inti da n cadding. • Pembengkokan mikro juga daat terjadi bia fiber diguung untuk memu dahkan engangkutannya. • Rugi rugi embengkokan mikro terjadi karena bengkokan ya ng terjadi bekerja sebagai faset faset enyebar (scattering facets) yang menyeba bkan terjadinya enggandengan mode. • Karena embengkokan mikro terbagi secara aca k di seanjang fiber, rugi rugi yang diakibatkannya akan terbagi dengan merata d an suatu angka rugi rugi tota untuk suatu fiber daat dieroeh • Keteitian sea ma embuatan dan engangkutannya akan banyak mengurangi rugi rugi ini. Pembengko kan makro • Bia fiber otik diinstaasikan di daam sauran atau ada tiang tiang , sering dierukan adanya beokan ada fiber untuk mengikuti sudut sudut atau t ikungan. Beokan ini akan menimbukan rugi rugi (hiangnya) cahaya daam fiber k arena mode mode yang seenuhnya terbimbing di bagian bagian yang urus ada fibe r, akan terbimbing sebagian atau sama sekai tidak terbimbing ada bagian fiber yang meengkung. • Perhatikan Gambar di bawah



Gambar Sinar daam sebuah Fiber yang Bengkok Seberkas sinar cahaya seenuhnya terbimbing ketika mencaai titik antuan A ada bagian fiber yang urus. Dari titik A cahaya diantukan dengan sudut ΦA, dn sendiny fiber optik tidk beng kok sinr kn tib pd titik B1 sebgi titik pntuln berikutny - Dengn d ny belokn, sinr membentur dinding fiber lebih dini pd titik B2, dengn sudu t msuk ΦB yng lebih kecil dri sudut sliny ΦA dibgin fiber yng lurus. - Jik ΦB lebih kecil dri sudut kritis, sinr kn kelur dri fiber dn sebgin energi dri mode yng bersngkutn kn hilng. • Pembut fiber bisny menspesifiksikn sutu rdius belokn minum dn memberik n pul sutu ngk rugi minimum yng berkitn dengn belokn tersebut.



Kombinsi Rugi-rugi iber • Terdpt empt rugi yng inheren (yng melekt tu me njdi siftny) pd fiber, dn hl ini hrus dbut seminiml mungkin pd prose s pembutn fiber. Rugi-rugi ini dlh rugi penyebrn Ryleigh, rugi penyerp n bhn, rugi rgm bocor, dn rugi yng disebbkn oleh penggndengn mode kre n penyebrn. • Du dri empt rugi tersebut, yitu rugi penyebrn Ryleigh dn rugi penyerpn bhn dlh rugi yng pling menonjol. • Rugi-rugi totlny (rugi penyebrn Ryleigh dn rugi penyerpn bhn) pd fiber multimode sebgi fun gsi pnjng gelombng, ditunjukkn dlm Gmbr berikut.



Dispersi Dispersi dlm fiber optik mengkibtkn menyebrny pulspuls chy dlm de rh wktu, sehingg puls menytu dengn puls-puls yng terdhulu dn berikutn y, dn kn menghsilkn keslhn pd kelurn penerim. Puls-puls ini dp t dipishkn dengn menjuhknny stu dri yng lin pd pemncr, tetpi hl ini kn mengurngi lju bit mksimum (Periode puls merupkn



keblikn dri bit rte). Pd beberp lju bit yng tinggi, pnjng mksimum f iber yng semul dibtsi oleh rugi-rugi, kemudin berubh menjdi dibtsi oleh dispersi. Ad tig mcm dispersi pd fiber, yng disebbkn oleh tig meknis me yng berbed, yitu dispersi intermodl, dispersi bhn dn dispersi wveguid e. Dispersi Intermodl • Alur totl yng ditempuh oleh sutu sinr pd setip mod e dlh bersift zigzg, dn mempunyi pnjng totl yng berbed dri setip s inr mode yng lin (Perhtikn Gmbr di bwh). Φ2 Φ1 mode 2 mode 1 • Jdi, sebuh puls yng dipncrkn ke dlm sutu fiber kn mermbt mellui b eberp lur yng berbed dn tib pd ujung yng juh pd wktu yng berbed. Puls yng diterim dlh penjumlhn dri puls-puls mode ini, dimn msing -msing diperlmbt dengn wktu yng berbed-bed. • Keterlmbtn yng terpendek dlh sinr yng mermbt lurus pd inti, sedngkn yng terpnjng dlh si nr dengn sudut dtng hny sedikit lebih besr dri sudut kritis tu sm de ngn sudut kritis. Selisih propgtion dely time ∆t dapat diturunkan sbb:



engan berpedoman pada Gambar di atas, (menunjukkan dua sinar dengan mode yang b erbeda dan mengikuti alur-alur zigzag di sepanjang fiber dengan panjang z (1 km) ) panjang alur zigzag total diperoleh sebagai, Zt = z sin Φ dimana Φ adalah sudut masuk dari mode yang bersangkutan dengan garis tegak lurus p ada dinding fiber. alam mode orde terendah Φ = Φ (maks) = 90o dan pada mode orde te rtinggi Φ = Φ (min) = Φc = sin-1(n2/n1) Pada Φ (maks), alur mode terpendek adalah: Z t (min) = z z = =z sin Φ(maks) sin 90 o dan pada Φ (min), alur mode terpanjang adalah: Z t (maks) = z z n1 = =z sin Φ(min) sin Φ n2 c n1 Selisish ∆z panjang alur maks dan min didapatkan sebagai: ∆z = Zt (maks) - Zt (min) = z n 2 −1 dengan memasukkan ∆ = ∆ n1 − n 2 dieroeh: n1 ∆z = z 1 − ∆ Karena sinar-sinar cahya dalam fiber lewat melalui suatu medium dielektri k dengan konstanta dielektrik εr yang lbih bsar dari satu, sinar akan brgrak l bih lambat dibandingkan jika sinar brgrak di ruang bbas. Prmabilitas rlat if µr = 1, shingga kcpatan fasa sinar di dalam mdium glasadalah: v p (glas) = 1 c = µoεo µrεr εr prsamaan ini sama dngan prsamaan untuk saluran transmisi. Karna ε = n2 maka di dalam inti glas dngan indks bias, n1 diprolh:



v p (glas) = c n1 Jadi, slisih ktrlambatan waktu antara mod ord trndah dan ord trtinggi d iprolh dngan mmbagi slisih panjang alur dngan kcpatan fasa, yaitu: ∆t = n1z ∆ z = v (glas) c 1− ∆ p ∆ (ndt/km) • Prlu dicatat bahwa disprsi jnis ini adalah ciri dari fibr dan tidak dipngar uhi olh panjang glombang cahaya. Slain itu disprsi tidak trjadi dalam singl  mod fibr. Contoh 5 Untuk fibr stp indks dngan n1 = 1,55 dan ∆ = 0,0258, t ntukanlah disprsi pr kilomtr dan total disprsi dalam suatu fibr dngan pan jang 12,5 km Pnylsaian = 136,9x10 − 9 = 136,9n dt/ km (a) ∆ t = c 1 − ∆ = 3x108 x (1 − 0,0258) n1z ∆ 1,55x1000 x 0 ,0258 (b) isprsi total: ∆t = ∆t (pr km) x z = 1369 x 12,5 1,71 µdt • isprsi intrmodal u ntuk multimod gradd indx fibr dinyatakan dngan prsamaan: n z∆2 ∆t = 1 8c Contoh 6 Misalkan fibr dalam contoh di atas mrupakan multimod graddindx fib r, maka tntukanlah disprsi maksimumnya !



Pnylsaian n z∆2 1,55x1000 x 0,0258 2 ∆t = 1 = = 0,43 ndt/km 8c 8x300 x10 6 Untuk fibr spanjang 12,5 km, ∆t = 0,43 x 12,5 = 5,38 ndt isprsi Bahan • Indks bias inti (glas) adalah tidak sama untuk sinar sinar dngan panjang glombang y ang brbda bda, ttapi brubah dispanjang spctrum. Sbagai akibatnya, jika p ulsa cahaya yang dipancarkan mngandung komponn dngan bbrapa panjang glomba ng yang brbda, yang trpusat pada suatu panjang glombang tngah λ0 seerti yang ditunjukkan daam gambar dibawah, maka komonen usa yang mengandung anjang g eombang yang ebih endek akan mengaami deay yang ebih besar dari komonen d engan anjang geombang yang ebih besar.



Definisi Lebar Sektra dari Sebuah Sumber cahaya • Hasinya adaah disersi usa di ujung enerima. Diseri bahan teah dibuktikan sebanding dengan enurunan kedua dari indeks bias terhada anjang geombang, y aitu d2n/dλ2, dan disersi yang dihasikan adaah: z d 2n ∆t = − λ λ 0 dλ2 3 dB c dengan Dm z d 2n



=



− λ0 2



c dλ



= Koefisien disersi bahan (det/nm.km) λ0 = anjang geombang tengah dari sektrum cahaya λ3 dB = ebar sektr um (anaog dengan ebar jaur 3 dB) Sehingga untuk fiber seanjang 1 km (z = 1km ): ∆t = m z λ3 dB (ndet/km)



• Niai niai koefisien disersi bahan untuk fiber siica murni dan yang dicamur (doing) ditunjukkan gambar berikut Niai Koefisien Disersi Bahan untuk Fiber Siica Murni dan yang dicamur Berdas arkan gambar di atas engkung disersi bahan ini menyiang no dekat anjang ge ombang sebesar 1,3 µm. Karena itu, jika diakai sebuah fiber singe mode ada anj ang geombang dekat 1,3 µm, disersi akan hamir dihiangkan asakan diakai sumbe r cahaya monokromatis ( ebar sektranya sangat semit).



Contoh 7 Fiber daam contoh 5 akan digunakan dengan sebuah sumber cahaya 0,8 µm de ngan ebar sectra 1,5 nm. Beraakah disersi bahan yang dihasikan ? Penyeesa ian Berdasarkan grafik koefisien disersi bahan, ada 0,8 µm Dm = 0,15 ns/nm.km u ntuk fiber yang didoing. Untuk fiber dengan angjang 1 km: ∆t = m z λ3 dB = 0,15 ndet/nm.km x 1 km x 1,5 nm = 0,225 nm/km (deay) Untuk fiber dengan anjang 12,5 km ∆t = 12,5 x 0,225 = 2,81 ndt isprsi Wavguid Karna sumbr cahaya monokrom atis tidak dapat dibuat, maka cahaya yang dipancarkan akan mngandung komponn d ngan panjang glombang yang brbda. Sbagai akibatnya, mkanism fibr dalam m mbimbing cahaya akan mngakibatkan plbaran pulsa yang ditrima, yaitu cahaya dngan panjang glombang yang brbda akan mmiliki sudut datang yang brbda s hingga sampai di ujung pnrima dalam waktu yang brbda. Efk ini adalah akibat dari sifat mmbimbing (guiding) dari fibr, shingga timbul istilah disprsi wa vguid. Contoh 8 Suatu fibr singl mod dngan panjang 12,5 km digunakan dnga n sumbr cahaya 1,3 µm yang mmpunyai lbar spctrum 6 nm. Hitunglah disprsi wav guid yang ditimbulkan jika kofisin disprsi wavguid adalah w = 6,6 pdt/nm .km !



Pnylsaian ∆ t = w z λ3 dB = 6,6 det/nm.km x 12,5 km 6 nm = 495 det Disersi To ta dan Laju Transmisi • Disersi tota adaah kombinasi rms (root mean square) da ri ketiga engaruh disersi, yaitu: ∆t (tot) = ∆2t (imd ) + ∆2t (md) + ∆2t ( wgd ) • Untuk mlihat bagaimana disprsi mmpngaruhi laju informasi, tinjau gambar brikut y ang mnunjukkan bagaimana pulsa pulsa yang tiba dngan dlay yang brbda pada p nrima ditambahkan untuk mmbntuk suatu pulsa yang diprlbar (didsprsikan). Bagaimana isprsi Mnybabkan Saling Brtindihnya Pulsa • Pulsa A mwakili pulsa yang mngalami dlay rata rata, pulsa B mngalami dlay minimum dan pulsa C mng alami dlay maksimum. Pulsa Ksluruhan yang ditrima  adalah hasil pnjumlahan dari smua komponn pulsa diantara limit B dan C.



• • Lbar pulsa tw mwakili lbar pulsa yang dipancarkan, sdangkan tr mwakili lba r pulsa yang ditrima (diprlbar), yang adalah lbih lbar sbanyak waktu disp rsi total, yaitu: tr = tw + ∆t (tot) Jika pulsa brikutnya akan didtksi tanpa m ndua arti, maka pulsa ini (brikutnya) harus dipancarkan stlah suatu priod t r dari prmulaan pulsa yang sdang dipancarkan. Laju informasi yang ssuai dnga n kondisi idal ini adalah: B= 1 1 = t t +∆ r w t • Karna dalam praktk faktor disprsi cndrung mnjadi lbih bsar dari kadaan idal, dan karna kor pulsa cndrung mmanjang mlampaui limit pulsa rata rata maka prlu untuk mmbrikan suatu faktor kamanan skira kira lima kali lbar pul sa yang ditrima, yaitu: B= 1 1 = 5t 5( t + ∆ ) r w t Contoh 9 Sbuah fibr singl mod bkrja pada 1,3 µm mmiliki disprsi bahan sb sar 2,81 ndt dan disprsi wavguid sbsar 0,495 ndt. Tntukanlah lbar pulsa yang ditrima dan laju informasi maksimum jika lbar pulsa yang dipancarkan mm iliki lbar 0,5 ndt. isprsi intrmodal tidak trjadi pada singl mod fibr. Pnylsaian ∆t (tot) = ∆2t (imd ) + ∆2t (md ) + ∆2t ( wgd ) = 0 2 + 2,812 + 0,495 2 = 2 ,85 ndt tr = tw + ∆t (tot) = 0,5 + 2,85 = 0,00335 µdt B= 1 1 = = 59,6 Mbit / dt 5t 5x 0,00335 r



sign Considration of a Fibr Optic Communication Systm Pokok Bahasan • Pngantar • Modulasi Analog dan igital • Nois dalam Pross tksi • B it Error Rat (BER) • sain Sistm • Jarak Maksimum 1. Pngantar • Untuk mmbangun li nk komunikasi fibr optic minimal dibutuhkan 3 lmn dasar, yaitu sumbr, fibr dan dtctor optic. • Pada bagian ini, dibahas link komunikasi fibr optik point to point (Prhatikan Gambar 1).



• • • • • • • • Jarak antara dua titik dapat dalam rang kurang dari 1 km (link data computr) s ampai bbrapa ribu km (link antar samudra). alam link trsbut, akan trdapat transmittr (LE atau diod lasr (IL)), jalur transmisi brupa fibr optik (m ultimod atau singl mod fibr), dan rcivr optik (PIN atau AP) yang diikuti olh lktronik dtksi. Pmilihan komponn ini trgantung dari jarak srta bit rat. Rgnrator (dipakai untuk link yang dbatasi olh disprsi) brfungsi: mndtksi pulsa sblum dayanya mnjadi sangat rndah (pulsa tidak dapat dibnt uk kmbali). Rtim, rshap, rgnrat pulsa optic yang baru untuk ditransmi sikan kbagian brikutnya. Untuk link yang dibatasi olh loss (loss > disprsi), rgnrator dalam Gambar 1 dapat digantikan olh pnguat optik. Pnguat optic b rfungsi untuk mmprkuat pulsa optic dalam domain optic tanpa mngubahnya k si nyal listrik sblum ditransmiskan lbih lanjut. Namun, kita tidak dapat mnmpa tkan pnguat optic dalam jumalh yang tak brhingga, karna pnguat trsbut tida k dapat mngkompnsasi disprsi dan mnambah nois. Jadi link yang panjang (long haul link) harus mmakai Rgnrator. alam dsain link fibr optik, biasanya t rdapat dua analisa yang harus dikrjakan untuk mmastikan bahwa sistm mlakuka n kprluan yang kita inginkan, yaitu powr budgting dan ris tim budgting. P owr budgting mmastikan bahwa daya yang cukup ditrima olh pnrima shingga rror pada dtctor dibawah dari batasan trtntu. Ris tim budgting mmastika n bahwa bandwidth sistm ksluruhan mampu mnangani bit rat. Bandwidth dan Ris Tim



• alam sistm komunikasi optik, drtan pulsa dibntuk dngan mnghidup dam mmat ikan sumbr optik sprti diod lasr atau LE. Adanya pulsa cahaya brhubungan dngan binr 1 dan tidak adanya pulsa cahaya bruhubungan dngan binr 0. • ua t knik umum yang dipakai untuk mwakili drtan pulsa digital adalah format nonrt urn to zro (NRZ) dan rturn to zro (RZ). • alam format NRZ, lamanya masing masi ng pulsa digital sama dngan priod pulsa sdangkan dalam RZ lamanya pulsa lbih pndk dari priod pulsa (prhatikan Gambar 2). Gambar 2. rtan Pulsa igital 00101110110 dalam Format NRZ dan RZ • Bandwidth ∆f yang diprlukan olh skma RZ dan NRZ ∆f ≅ B untukRZ (1) ∆f ≅ B/2 untuk NRZ ( 2) 1 T dengan B = bit rate =



• Metode ain untuk mewakii keeruan bandwidth adaah meaui arameter yang dis ebut dengan rise time Tr, yaitu waktu yang dierukan oeh sistem untuk naik dar i 10% ke 90% dari niai maksimum untuk inut berua fungsi ste (tangga). Bandwi dth dan rise time memiiki hubungan: 0,35 Tr = ∆f (3) 0,35 Tr = untuk RZ (4) B 0,7 0 Tr = untuk NRZ (5) B 2. Nois dalam Pross tksi • Photodtktor mrupakan dtctor cahaya yang brfu ngsi untuk mngubah cahaya mnjadi sinyal listrik (PIN atau AP) • Ktika cahaya j atuh pada photodtktor, pasangan lctronhol dibangkitkan yang akan mnghasilk an arus listrik. • Pross konvrsi dari cahaya k arus listrik diikuti olh bangki tnya nois. • ua mkanism nois yang paling pnting dalam pros trsbut adalah Shot Nois dan Thrmal Nois. 2.1 Shot Nois 2 (6) i NS = 2  (I + Id) ∆f 2 i NS = kuadrat rata rata arus shot nois  = muatan lctron ∆f = bandwidth dtksi Id = dark currnt I = R P = arus rata rata yang dibangkitkan olh dtctor R = rspo nsivity P = aya optic



Contoh 1: Photodiod PIN silicon broprasi pada 850 nm dngan dark currnt sb sar 1 nA. Untuk masukan daya optik sbsar 1 µW, dngan rsponsivity sbsar 0,65 A/W, mmiliki arus: I = R P ≅ 0,65 µA Dark current seerti detector tersebut yaitu 1 nA, sangat keci dibandingkan dengan arus sinya yaitu 650 nA, dan karenanya da at diabaikan daam erhitungan shot noise. Sehingga untuk detector dengan bandw idth 100 MHz: 2 19 6 8 i NS = 2 x 1,6 x 10 x 0,65 x 10 x 10 ≅ 2,08 x 10 17 A2 da n arus shot noise rms adaah: 2 i NS ≅ 4,6 nA 2.2 Therma Noise 2 i NT = 4k T∆f B R L kB = konstanta Boltzman = 1,38 x 10 23 J/K T = Tmpratur ∆f = bandwidth dtksi (7) Contoh 2: Untuk paramtr dngan nilai RL = 500 Ω, ∆f = 100 MHz, dan T = 300 K mmb rikan nilai arus nois thrmal: 2 15 2 i NT = 3,3 x 10 A . dan arus nois thrm al rms = 5,75 x 10 8 A. Prbandingan antara contoh 1 dngan contoh 2 mnunjukkan dalam situasi trsbut nois thrmal lbih mndominasi.



2.3 Signal to Nois Ratio Salah satu paramtr yang paling pnting dalam dtksi adalah SNR yang didfinisikan sbagai: rata − rata daya sinyal (8) total daya noi s Jika P mwakili daya optik yang datang pada photodtctor dngan rsponsitivi ty R, maka arus sinyal adalah RP dan daya sinyal listrik sbanding dngan R2P2. Total daya nois sbanding dngan total kuadrat rata rata arus nois yang mrupa kan jumlah dari shot nois dan thrmal nois. Jadi SNR: SNR = R2P2 SNR = 2( I + I )∆f + d 4k T∆f B R L (9)



alam prsamaan (9) yang mndfinisikan SNR, biasanya salah satu dari nois (sho t atau thrmal nois) pada pnybut mndominasi trgantung pada kondisi oprasi. R2P2 SNR = 2( RP + I )∆f (shot nois limitd) (10) d R2P2R L SNR = (thrmal nois  limitd) (11) 4k T∆f B Contoh 3: Prtimbangkan photodiod PIN silicon dngan R = 0,65 A/W, Id ≅ 1 nA, RL = 1000 Ω yang broprasi pada 850 nm. Jika daya optik yang datang sbsar 500 nW dan bandwidth sbsar 100 MHz, maka: Arus sinyal I = R P = 0,65 x 5 x 10 7 = 0,325 µA



Arus shot nois rms karna sinyal = (2RP∆f)1/2 ≅ 3,2 nA Arus shot noise rms karena dark current = (2eId∆f)1/2 ≅ 0,18 nA Arus noise therma rms: 1/ 2 4k T∆f B ≅ 40,7 nA Karena itu, untuk detektor ini arus noise therma sekitar 12 kai kebih besar d ari arus shot noise sinya dan 225 kai ebih besar dari dark current. SNR yang berhubungan dengan daya yang datang adaah sebesar 63 ≅ 18 dB. Persamaan (6) – (11) vaid untuk detector PIN yang tidak memiiki gain interna Detektor APD memiiki gain interna yang dinyatakan dengan M, maka untuk daya otik inut P, arus sin ya yang dihasikan adaah: I=MRP (12) 2 2 2 dan daya sinya istrik sebanding d engan M R P . Therma noise untuk APD sama seerti hanya ada PIN dan dinyataka n dengan ersamaan (7), sedangkan untuk shot noise dinyatakan sebagai: (13) i 2 = M 2+ x 2e( RP + I )∆f NS d dngan Mx = xcss nois. (x = 0, tidak adanya xcss nois). Tip AP AP Silicon AP InGaAs AP Grmanium x 0,3 0,7 0,1



Shingga SNR untuk dtctor AP dinyatakan sbagai: M 2R2P2 4k T∆f SNR = (14) 2M 2+ x ( RP + I )∆f + B d R L Contoh 4: Primbangkan dtctor AP dngan M = 50 dan x = 0 (tidak trdapat xcss nois). Jika dipakai paramtr sprti contoh 3, ma ka dalam hal ini: Arus sinyal = 50 x 0,65 x 5 x 10 7 ≅ 16,25 µA Arus shot noise rms karena sinya = (2eM2RP∆f)1/2 ≅ 161 nA Noise dark current rms = (2eM2Id∆f)1/2 ≅ 8,9 nA T herma noise teta sama yaitu 40,7 nA. SNR daam ha ini adaah: (16,25 x103 ) 2 SNR = ≅ 9548 ≅ 39,8 dB 1612 + 8,9 2 + 40,7 2 Niai SNR detector APD ini (39,8 dB) m eruakan erbaikan yang sangat signifikan terhada SNR detector PIN yang bernia i 18 dB (ihat contoh 3). Jika daam ersamaan (14) therma noise dominan terhad a shot noise, maka SNR dinyatakan sebagai: M 2R2P2R L (therma noise imited) S NR = 4k T∆f B (15) Nilai SNR ini diprbaiki dngan factor M2 brknaan dngan prsamaan (11) (dtc tor PIN). Namun jika M brnilai bsar, maka dtktor akan mnjadi shot nois lim itd dan thrmal nois diabaikan shingga prsamaan (14) mnjadi:



R2P2 SNR = (shot nois limitd) 2M 2+ x ( RP + I )∆f d (16) Nilai SNR ini lbih buruk dibandingkan dngan dtctor PIN karna xcss nois M x pada dtctor AP (lihat prsamaan (10)). Jadi dalam oprasi thrmal nois yan g dominan, AP mmiliki SNR yang lbih baik dan karnanya labih mnarik dibandin gkan PIN. Prsamaan (14) dapat ditulis kmbali sbagai: R2P2 SNR = 4k T∆fM 2M 2+ x ( RP + I )∆f + B d R L −2 (17) Brdasarkan prsamaan (17), bagian kdua dari pnybut (brhubungan dngan thrm al nois) nilainya brkurang dngan mningkatnya nilai M, dan bagian prtama (b rhubungan dngan shot nois) nilainya mningkat dngan mningkatnya nilai M. Jad i, trdapat nilai factor pngali M yang optimum untuk mmprolh nalai SNR yang maksimum. Nilai SNR yang maksimum akan brhubungan dngan nilai pnybut yang mi nimum dalam prsamaan (17), brknaan dngan nilai M. ngan mndfrnsialkan p nybut prsamaan (17) dan mnyamakan dngan nol, diprolh nilai M yang optimum : x+ M op 2 = 4k T B xR ( RP + I ) L d (18)



Contoh 5 Prtimbangkan dtckor AP silicon yang broprasi pada 300 K, dngan R L = 1000 Ω dan daya optik input sbsar 100 nW. Khasnya nilai R = 0,65 A/W dan x = 0,3. ngan mngabaikan dark currnt, brdasarkan prsamaan (18) diprolh: Mop ≅ 42. SNR APD untuk ∆f = 100 MHz adalah SNR = 577 ≅ 27,6 dB SNR untuk PIN (M = 1) ada ah: SNR ≅ 2,5 ≅ 4 dB. Jadi daam kasus ini, SNR APD mendaatkan erbaikan sebesar 2 3,6 dB dibandingkan dengan PIN. Contoh 6 Pertimbangkan APD germanium dengan res onsitivity R = 0,45 A/W yang beroerasi ada 1300 nm dan 300 K. Untuk germanium x = 1, sehingga: 1/ 3 4k T B Mo = eR ( RP + I ) L d Jika P = 500 nW dan ikan Id, dan RL = 1000 Ω, Mop ≅ 7,7 Niai SNR yang dieroeh akan ebih keci diband ingkan dengan PIN.



3. Desain Sistem • Link komunikasi fiber otik yang aing sederhana adaah ink  oint to oint, yaitu sebuah transmitter ada satu sisi mengirim informasi dise anjang ink fiber otik ke sebuah receiver ada sisi yang ain • Desain sistem se erti tersebut meibatkan banyak asek seerti tie sumber yang diakai (LED atau LD), tie fiber (mutimode atau singe mode) dan hotodetector (PIN atau APD). • Pemiihan berbagai macam komonen tertantung ada jarak antara transmitter denga n receiver, keceatan informasi. biaya, ketahanan komonen, kemungkinan ugrade, d juga meruakan ha yang enting. • Desain sistem fiber otik diakukan dengan mamakai ower budget dan rise time budget 3.1 Power Budget Ketika cahaya meramb at dari sumber menuju deteckor, cahaya mengaami beberaa oss yaitu: • Couing  oss ketika sumber mengkoe cahaya ke fiber otik • Loss transmisi ketika cahaya m erambat ada fiber otik • Loss akibat adanya sambungan dan konektor Jika Pi dan P o adaah daya yang diancarkan oeh sumber dan datang ada detector, maka tota o Loss = 10 og P (19) i oss daam dB adaah: P Terisah dari oss yang sebenarnya diaami, ketika mendesain ink biasanya dimas ukkan margin 6 – 8 dB untuk mengatasi akibat oss yang berasa dari sambungan atau komonen yang mungkin harus ditambahkan ada waktu yang akan dating, serta untu k mengijinkan setia keburukan komonen akibat umur komonen tersebut.



Jika seuruh oss dinyatakan daam dB, maka daya yang diterima oeh receiver unt uk daya sumber Pi (dBm) adaah: Po = Pi – Ncc – Nss Lαt (20) dengn lc = connector loss Nc = jumlh konektor ls = loss pd setip smbungn Ns = jumlh smbungn αt = fiber trnsmission loss (dB/km) L = pnjng totl fiber (km). Jik Pm mewki li mrgin dy ( khsny 6 – 8 dB), dn Pmin mk: Po – Pm > Pmin Contoh 7 Asumsikn bhw diperlukn untuk menginstll/memsng link 40 km dengn fiber yng memili ki loss sebesr 0,5 dB/km, dn senstivits receiver dlh –39 dBm. Terdpt empt smbungn dengn loss pd setip smbungn dlh 0,5 dB dn du konektor deng n loss msing-msing 1 dB. Jik mrgin dlh 6 dB, mk dy sumber hrus mele bihi: Pi = Pmin + Pm + 2lc + 4ls + Lαt = -39 + 6 + 2x1 + 4x0,5 + 40x0,5 = -9 dBm = 0,13 mW. 3.2 Rise Time Budget Rise time budget dlh nlisis untuk menentukn pkh sistem yng dimksud kn dpt beropersi dengn tept pd bit rte y ng diperlukn, kren dispersi link dn btsn keceptn respon trnsmitter dn receiver. • rise time sutu perltn dlh wktu yng dibutuhkn oleh respon un tuk nik dri 10% ke 90% nili output, ketik input berup fungsi step. • Totl ri se time (τ s) yang merupakan kombinasi dari berbagai elemen link didekai dalam hu bungannya dengan rise ime masing-masing elemen τi



• • τs = N



τ i2



∑



i=1



1/ 2 (21)



Dalam sisem komunkasi fiber opik, oal rise ime link dienukan oleh rise i me ransmier (τ), link fiber (τf), dan receiver (τr): 1/ 2 2 2 +τ 2 τs = τ  + τ (22)



Rise ime fiber didekai dengan dispersi pulsa, jadi rise ime unuk ipe fiber yang berbeda dapa diulis sbb: • Inermodal Dispersion a. Mulimode sep index fi ber n∆ τim = 1 L (23) c b. Mulimode graded fiber Parabolic index: n τim = 1 .∆2 L (24) 2c Optimum profil: n τim = 1 .∆2 L (25) 8c • Matrial isprsion τm ≅ 85 L ∆λ s (λ0 ~ 850 n 0,5 L ∆λ s (λ0 ~ 1300 nm) ≅ 20 L ∆λ s (λ0 ~ 1500 nm) (26) dengan L daam satuan Km dan ∆λ d satuan nm. Tota rise time fiber untuk mutimode fiber adaah (dengan mengabaika n waveguide disersion): 2 2 τf = (τ im +τ m )1/ 2 (27)



Unuk single mode fiber (karena τ = D.L.∆λ), dieroeh: τf ≅ D.L.∆λ ≅ 2 L ∆λ (λ0 ~ 1300 nm, λ ) ≅ 16 L ∆λ (λ0 ~ 1550 nm, λz ~ 1300 nm) ≅ 2 L ∆λ (λ0 ~ 1550 nm, λz ~ 1550 nm) ∆λ = ebar se r L = anjang fiber λ0 = anjang geombang yang beroerasi λz = anjang geombang de ngan disersi no. (28) Sekai tota rise time ink dihitung dengan memakai ersamaan (22), dieroeh bi t rate maksimum yang diijinkann meaui ink fiber sebagai: 0,35 B≤ τ unuk RZ s 0,7 B≤τ unuk NRZ s (1) (29) Unuk mulimode sep index fiber, pulse spread hampir sanga idak erganung da ri lebar specrum sumber, karena disperi inermodal jauh lebih besar dari disper si maeri. Dengan mengambil nilai yang khas n1 = 1,46, ∆ = 0,01 diprolh bahwa ri s tim karna fibr adalah τf ≅ 50 ns/km. Dengan memakai ersamaan (29), daat dii hat bahwa bit rate maksimum yang daat ditangani oeh fiber adaah 0,7/(50x10 9) ≅ 14 Mb.km/s Pertimbangkan araboic index mutimode fiber dengan disersi interm oda yang dinyatakan oeh ersamaan (24) 1 τim = 2c .∆2 L (2) n Untuk n1= 1,46, ∆ = 0,01, diprolh τim ≅ 0,24 ns/km. Untuk anjang geombang yang ber oerasi ada 850 nm,



disersi materi diberikan oeh ersamaan (26). Jika sumber adaah aser diode de ngan ebar sectrum ≅ 1 nm, maka kontribusi disersi materi adaah 85 s/km dan to ta rise time fiber ≅ (0,242 + 0,0852)1/2 ≅ 0,25 ns/km, yang memberikan bit rate mak simum yang dierboehkan sebesar 0,7/(0,25x10 9) ≅ 2,8 Gb.km/s. Namun, jika sumber adaah LED dengan ∆λ ≅ 25 nm, maka τm ≅ 2,125 ns/km dan tota rise time fiber adaah (0,2 42 + 2,1252)1/2 ≅ 2,14 ns/km. Jadi, daam ha ini rise time dibatasi karena diser si materi dan bit rate maksimum adaah 0,7/(2,14x10 9) ≅ 300 Mb.km/s. Estimasi di atas mengabaikan kontribusi rise time sumber dan detector. Jika diasumsikan rise time sumber LED adaah 5 ns dan detector seb esar 1 ns, maka tota rise time sI stem untuk fiber dengan anjang 10 km adaah: [(2,14x10)2 + 52 + 12]1/2 ≅ 22 ns ya ng memberikan bit rate maksimum (untuk 10 km) sebesar 32 Mb/s. Sistem komunikasi fiber otik generasi I memakai 850 nm LED (dengan ∆λ ~ 25 nm), oss fiber ≅ 3 dB/km, sasi reeater ~ 10 km, dan bit rate sebesar 45 Mb/s. (3) Jika anjang geombang yang beroerasi sekitar 1300 nm, disersi materi akan menjadi sangat keci dan, bahkan dengan ∆λ ~ 100nm, rise time karena disersi materi ≅ 0,05 ns/km yang diabaika n jika dibandingkan dengan disersi intermoda ≅ 0,15 ns/km. Dengan mengasumsikan rise time (LED) sebesar 5 ns dan detector sebesar 1 ns, tota rise time untuk 30 km adaah



[(0,15x30)2 + 52 + 12]1/2 ≅ 6,8 ns, yang memberikan bit rate maksimum sekitar 100 Mb/s. Sistem fiber otik generasi II memakai 1300 nm LED (dengan ∆λ ~ 25 nm) oss fi ber ~ 1 dB/km, sasi reeater sebesar 30 km dan bit rate ~ 45 Mb/s. (4) Pergeseran berikutnya adaah memakai singe mode fiber sebagai engganti mutimo de fiber dan beroerasi sekitar 1300 nm, dimana disersi meewati no. Dengan me ngasumsikan disersi yang khas 2 s/km.nm ada anjang geombang yang beroerasi (1300 nm) dan aser diode dengan ∆λ = 2 nm, rise time fiber hanya 4 s/km. Jika ris e time sumber dan detector diasumsikan masingmasing sebesar 0,5 ns, maka dengan asumsi anjang fiber 50 km, tota rise time sistem adaah (0,22 + 0,52 + 0,52)1/ 2 ≅ 0,73 ns, dan bit rate maksimum adaah 0,96 Gb/s. Sistem fiber otik generasi I II memakai 1300 nm aser diode (dengan ∆λ ~ 2nm), dengan singe mode fiber yang memi iki oss ~ 0,8 dB/km. Sasi reeater sekitar 40 km dan bit rate sekitar 500 Mb/ s. (5) Ketika anjang geombang yang beroerasi digeser ke 1550 nm, tota disersi daa t dibuat menjadi sangat keci ( ≤ 2 s/km.nm) dengan disersion shifted fiber (DSF S). Loss fiber ada anjang geombang ini ~ 0,25 dB/km. Sistem fiber otik gener asi IV memakai 1550 nm aser diode dengan DSFS dan sasi reeater adaah 100 km. Sistem yang beroerasi ada 2,5 Gb/s dan yang ebih tinggi memakai aser diode dan hotodetector keceatan tinggi.



Evousi generasi sistem fiber otic Contoh 8 Pertimbangkan rise time budget untuk transmisi 400 Mb/s NRZ ada fiber otik 100 km dengan BER 10 9. • Karena B = 400 Mb/s, tota rise time sistem adaah : 0,7 τs = B ≅ 1,75 ns • Jika diaokasikan seuruh rise time ada fiber otik 100 km, ha ini meyatakan disersi usa kurang dari 1,75 x 10 9/100 = 1,75 s/km. Sudah tentu mutimode fiber tidak daat diakai dan ink harus berdasarkan singe mod e fiber • Karena ada 1300 nm oss fiber sebesar 0,4 dB/km, fiber otik 100 km aka n menghasikan oss 40 dB (terisah dari oss konektor dan sambungan), yang juga terau besar. Sehingga eru memakai transmisi 1550 nm. • Fiber disersi no 130 0 nm memiiki disersi sekitar 16 s/km.nm ada 1550 nm. Daam ha ini, tidak da at diakai aser semikonduktor mutifrekuensi (Fabry Perot Laser)



karena ebar sektrumnya 4 nm dan, dengan jeas fiber 100 km akan mengaami dis ersi usa sebesar 16 x 100 x 4 = 6,4 ns, yang jauh ebih besar dari niai yang diijinkan 1,75 ns untuk sistem 400 Mb/s. • Karena itu, harus diakai aser dioda s atu frekuensi yang memiiki ebar sectrum yang khas 0,15 nm. Dengan memakai as er tersebut, disersi usa karena fiber adaah 16 x 100 x 0,15 = 0,24 ns, yang jauh ebih keci dari rise rise time yang diijinkan 1,75 ns. • Jika diasumsikan ri se time 1 ns untuk transmitter aser, maka rise time horodiode yang diijinkan a daah: 2 2 2 1/ 2 τr = (τ s −τ f − τ  ) = (1,752 – 0,242 – 12)1/2 ≅ 1,42 ns. Untuk ower bud asumsikan bahwa igtai aser diode memiiki daya outut sebesar 1 mW (=0 dBm) d an sistem memiiki dua konektor (masing masing memiiki oss sebesar 1 dB) dan 1 0 sambungan dengan masing masing oss sebesar 0,1 dB. Dengan mengasumsikan redam an fiber sebesar 0,25 dB/km ada 1550 nm, maka daya yang mencaai detector adaa h: Prec = (0 – 2 – 10x0,1 –100x2,5) dBm = 28 dBm. Pada bit rate 400 Mb/s dengan R = 0 ,65 A/W, C = 1F, dan SNR = 144 (untuk BER = 10 9), sensitivitas PIN (berdasarka n ersamaan (25)) adaah –29,2 dBm. Jadi, hanya terdaat margin sebesar 1,2 dB. AP D daat memberikan erbaikan sebesar 10 dB (dibawah kondisi therma noise imite d) dan karenanya daat diakai daam ink saat ini.



4. Jarak Transmisi Maksimum Akibat Redaman dan Diseri Pada bagian ini akan die roeh anjang maksimum ink tana reeater akibat redaman dan disersi fiber. Ha  ini bukan meruakan batasan yang mendasar karena jarak tersebut daat diamui dengan memakai komonen komonen seerti enguat otik, engkomensasi disersi , dsb. 4.1 Batas Redaman Data yang ditransmisikan, yang diwakii oeh deretan u sa digita untuk dideteksi dengan BER kurang dari niai tertentu (khasnya 10 9) , akan terdaat jumah minimum hoton er bit informasi. Jika jumah hoton ini adaah NP, maka untuk bit rate B, daya terima minimum rata rata adaah: N Bhv (3 0) Pr = P 2 dengan hv adaah energi masing masing hoton yang diterima. Jika α mew kili koefisen loss fiber dlm dB/km, mk untuk dy yng dipncrkn Pi, dy optik yng diterim pd pnjng L dlh: α Po = Pi 10- L/10 (31) Jdi, jik dy  yng diterim dlh miniml Pr , mk pnjng mksimum link yng diijinkn d lh: 10 log Pi = 10 log 2 Pi Lmx = α (32) N Bhv P α r mksimum yng diijinkn yng dibtsi loss, menurun terhdp bit rte. Contoh 9 Sistem yng beropersi pd 1300 nm memiliki koefisien loss fiber α = 0,4 dB/km. A sumsikn dy input sebesr 0 dBm (Pi = 1 mW) dn NP = 1000. Tentukn pnjng li nk mksimum untuk bit rte sebesr 2,5 Gb/s.



P



Penyelesin: 10 log 2 Pi 2 x10 −3 x1,3x10 −6 10 log



Lmx = α N Bhv = 93 km = 0,4



P 1000 x 2,5 x109 x6,63x10 −34 x3x108



Catatan hv = h c/λ (ambing v = f = frekuensi). Contoh 10 Untuk sistem yang beroe rasi ada 1550 nm memiiki koefisien oss fiber α = 0,2 dB/km. Asumsikn dy inpu t sebesr 0 dBm (Pi = 1 mW) dn NP = 1000. Tentukn pnjng link mksimum untuk bit rte sebesr 2,5 Gb/s. Penyelesin: 10 log 2 Pi Lmx = α N Bhv = 190 km. contoh di ts menunjukkn keuntungn memki pnjng gelombng 1550 nm dimn redmn minimum untuk fiber silic. 4.2 Bts Dispersi Terpish dri redmn t u loss, dispersi jug membtsi jrk jngku tnp repeter dlm sistem komuni ksi optik. Pelebrn puls menyebbkn puls-puls yng berdektn sling tump ng tindih, yng menghsilkn error. Kriteri yng dipki secr umum untuk disp ersi puls mksimum yng diijinkn dlh:



∆τ ≤ T 4 (33) dengan T adalah durasi bi. Dalam hubungannya dengan bi rae B (=1/T), persamaa n di aas dapa diulis sebagai: 4 ∆τ B ≤ 1 (34) Unuk single mode fiber, dispersi din yaakan sebagai: ∆τ = D L ∆λ (35) dengan D = koefisien disersi L = anjang fiber ∆λ = ebar sectra sumber cahaya Substitusi ∆τ dalam persamaan (33), diperoleh perkalian bi rae dengan panjang fiber sebagai: 1 250 B.L ≤ 4 D∆λ = D( s / nm.km)∆λ (nm) Gb / s.km (36 ) • Untuk konvesiona fiber singe mode dengan disersi sebesar no ada 1300 nm, didaat arameter ∆λ = 1 nm, D = 1 s/nm.km. Jadi, B.L < 250 Gb/s.km, yang menyataka n ada 2,5 Gb/s jarak maksimum reeater adaah 100 km. • Dengan mengoerasikan fib er tersebut ada 1550 nm, dengan D = 16 s/nm.km (asumsikan ∆λ = 1 nm) dieroeh B.L < 15 Gb/s.km Jadi, ada 2,5 Gb/s, anjang fiber otik tana reaeater (jarak ma ksimum reeater) hanya 6 km. Ha ini menunjukkan engurangan yang sangat signifi kan daam anjang tana reeater (jarak maksimum reeater). Asumsikan, aser ada ah singe frekuensi (seerti DFB (Distributed Feedback) aser) dan ebar sektr um akibat moduasi jauh ebih besar dari sektrum aser. Jika, τ0 mewakili lebar p ulsa inpu, maka lebar spekrum akiba modulasi adalah: 1 ∆v ~ τ 0 (37)



Dalam hubungannya dengan panjang gelombang persamaan (37) menjadi: λ2 (38) ∆λ ≈ 0 cτ 0 Asu msikan derean pulsa NRZ: (39) τ =1 0 B Dengan memakai persamaan (38), (39) dalam (35) diperoleh: c 2 ≤ B .L 4Dλ2 (40) 0 Perhatikan bahwa daam kasus ini, dengan mend uakaikan bit rate akan mengurangi jarak reeater maksimum dengan faktor 4. Ha ini berawanan dengan kasus dimana sektrum sumber memiiki ebar yang besar (Pe rsamaan 36), dengan menduakaikan anjang fiber akan mengurangi bit rate B denga n faktor 2. • • Pertimbangkan fiber singe mode yang konvesiona beroerasi ada 1300 nm dengan D = 1 s/nm.km, maka: B2.L ≤ 4,4 x 104 (Gb/s)2.km dan ada 2,5 Gb/s, L ≤ 7040 km dan ada 10 Gb/s, L ≤ 440 km. Dengan mengoerasikan fiber ini ada 1550, D = 16 s/nm n.km, maka: B2.L ≤ 2750 (Gb/s)2.km dan ada 2,5 Gb/s, L ≤ 440 km dan ada 10 Gb/s, L ≤ 27,5 km Jika diakai DSF (Disersion Shifted Fiber) yang beroerasi ada 1550 nm, maka D = 1 s/nm.km dan dieroeh: B2.L ≤ 3,12 x 104 (Gb/s)2.km dan ada 2,5 Gb/s, L ≤ 499 2 km dan ada 10 Gb/s, L ≤ 312 km Batas anjang tana reeater ketika ditentukan o eh disersi daam fiber singe mode diot daam Gambar 3. Perhatikan, dengan  emakaian DSF bahkan ada 10 Gb/s system fiber otik adaah



dibatasi oss dari ada dibatasi disersi (oss ebih menentukan anjang maksimu m) Gambar 3. Jarak Transmisi Maksimum ketika ditentukan oeh Redaman dan Disersi