Sistem Komunikasi Serat Optik

Komunikasi dapat diartikan sebagai pengiriman informasi dari satu pihak ke pihak yang lain. Pengiriman informasi ini dilakukan dengan memodulasikan informasi pada gelombang elektromagnetik yang bertindak sebagai pembawa (carrier) sinyal informasi tersebut. Selanjutnya setelah tiba di tujuan, maka untuk memperoleh informasi yang asli dilakukan demodulasi. Pada masa era informasi saat ini, komunikasi serat optik semakin banyak digunakan. Bukan hanya sebagai pengganti dari jenis sistem transmisi sebelumnya, tetapi dikarenakan sistem transmisi serat optik ini memberikan keuntungan yang jauh efektif dan efisien dibandingkan dengan jenis yang lain. Jenis serat optik ini juga tidak bersifat menghantarkan arus listrik, sehingga dapat digunakan didaerah - daerah terisolasi listrik.

Karena memiliki kapasitas dengan informasi yang tinggi, maka jalur-jalur saluran dapat diringkas menjadi kabel-kabel yang jauh lebih kecil, sehingga dapat mengurangi arus traffic pada jalur-jalur kabel yang sudah sangat padat. Pada sistem komunikasi serat optik ini sinyal awal yang berbentuk sinyal listrik pada transmitter akan dirubah oleh transducer menjadi gelombang cahaya yang kemudian di transmisikan melalui kabel serat optik menuju penerima (receiver) yang terletak pada ujung kabel lainnya. Pada penerima sinyal optik ini akan dirubah kembali oleh transducer menjadi sinyal listrik.

Struktur Dasar Kabel Serat Optik

Serat optik terbuat dari bahan dielektrik yang berbentuk seperti kaca (glass). Didalam serat inilah energi listrik diubah menjadi cahaya yang akan ditransmisikan sehingga dapat diterima di ujung unit penerima (receiver) melalui transducer. Pada Gambar 2.1 dapat dilihat struktur dasar kabel serat optik. 

Struktur Dasar Kabel Serat Optik.

Struktur serat optik terdiri dari

1)   Inti (core)

Bagian yang paling utama dinamakan bagian inti (core), dimana gelombang cahaya yang dikirimkan akan merambat dan mempunyai indeks bias lebih besar dari lapisan kedua. Terbuat dari kaca (glass) yang berdiameter antara 2μm-125μm, dalam hal ini tergantung dari jenis serat optiknya.

2)  Cladding

Cladding berfungsi sebagai cermin yaitu memantulkan cahaya agar dapat merambat ke ujung lainnya. Dengan adanya cladding ini cahaya dapat merambat dalam core serat optik. Cladding terbuat dari bahan gelas dengan indeks bias yang lebih kecil dari core. Cladding merupakan selubung dari core. Diameter cladding antara 5μm-250μm, hubungan indeks bias antara core dan cladding akan mempengaruhi perambatan cahaya pada core (yaitu mempengaruhi besarnya sudut kritis).

3)  Jaket (coating)

Coating berfungsi sebagai pelindung mekanis pada serat optik dan identitas kode warna terbuat dari bahan plastik. Berfungsi untuk melindungi serat optik dari kerusakan.

Jenis-jenis Serat Optik

Berdasarkan keperluan yang berbeda-beda, maka serat optik dibuat dalam dua jenis utama yang berbeda, yaitu single-mode fibers dan multi-mode fibers.

1. Serat Optik Single-mode Fibers

Single-mode Fibers mempunyai inti sangat kecil (yang memiliki diameter sekitar 9x10-6 meter atau 9 mikro meter). Gambar 2.2 menunjukkan bagaimana perambatan gelombang terjadi pada sistem single-mode fibers.

Cahaya yang merambat secara paralel di tengah membuat terjadinya sedikit dispersi pulsa. Single-mode fibers mentransmisikan cahaya laser inframerah (panjang gelombang 1300 - 1550 nm). Jenis serat ini digunakan untuk mentransmisikan satu sinyal dalam setiap serat. Serat ini sering dipakai dalam pesawat telepon dan TV (televisi) kabel.

Perambatan Gelombang pada Single-mode Fibers

2. Serat Optik Multi-mode Fibers

Multi-mode Fibers mempunyai ukuran inti lebih besar (berdiameter sekitar 6,35x10-5meter atau 63,5 mikro meter) dan mentransmisikan cahaya inframerah (panjang gelombang 850-1300 nm) dari lampu light-emitting diodes (LED) dan pada Gambar 2.3 dapat dilihat bagaimana perambatan gelombang terjadi pada sistem multi-mode fibers .

Serat ini digunakan untuk mentransmisikan banyak sinyal dalam setiap serat dan sering digunakan pada jaringan komputer dan Local Area Networks (LAN).

Perambatan Gelombang pada serat optic Multi-mode Fibers

Berdasarkan susunan indeks biasnya, serat optik Multimode memiliki dua profil yaitu:

1. Graded Index.

Serat optik mempunyai indeks bias cahaya yang merupakan fungsi dari jarak terhadap sumbu/poros serat optik, sehingga cahaya yang menjalar melalui beberapa lintasan pada akhirnya akan sampai pada ujung lainnya pada waktu yang bersamaan.

2. Step Index.

Serat optik mempunyai indeks bias cahaya sama. Sinar yang menjalar pada sumbu akan sampai pada ujung lainnya dahulu (dispersi). Hal ini dapat terjadi karena lintasan yang melalui poros lebih pendek dibandingkan sinar yang mengalami pemantulan pada dinding serat optik, sehingga terjadi pelebaran pulsa atau dengan kata lain mengurangi lebar bidang frekuensi. Oleh karena hal ini, maka yang sering dipergunakan sebagai transmisi serat optik Multimode adalah Graded Index.

Konsep Dasar Sistem Transmisi Serat Optik

Prinsip dasar dari sistem komunikasi serat optik adalah pengiriman sinyal informasi dalam bentuk sinyal cahaya. Pemancar kabel serat optik dan penerima merupakan komponen dasar yang digunakan dalam sistem komunikasi serat optik. Pemancar berfungsi untuk mengubah sinyal listrik menjadi sinyal optik, kabel serat optik berfungsi sebagai media transmisi dan penerima berfungsi untuk mengubah sinyal optik yang diterima menjadi sinyal listrik kembali.

Proses pengiriman informasi yang melalui serat optik menggunakan prinsip pemantulan sinyal optik yang berupa cahaya dengan panjang gelombang tertentu. Secara umum, konfigurasi sistem transmisi serat optik ditunjukkan seperti Gambar.

Konfigurasi Sistem Transmisi Serat Optik

Selama perambatannya dalam serat optik, gelombang cahaya akan mengalami redaman di sepanjang serat dan pada titik persambungan serat optik. Oleh karena itu, untuk transmisi jarak jauh diperlukan adanya penguat yang berfungsi untuk memperkuat gelombang cahaya yang mengalami redaman.

Keuntungan dan Kerugian Serat Optik

Adapun keuntungan dari kabel serat optik, yaitu:

1.  Mempunyai lebar pita frekuensi (bandwidth yang lebar).

2. Frekuensi pembawa optik bekerja pada daerah frekuensi yang tinggi yaitu sekitar 1013Hz sampai dengan 1016 Hz, sehingga informasi yang dibawa akan menjadi banyak.

3. Redaman sangat rendah dibandingkan dengan kabel yang terbuat dari tembaga, terutama pada frekuensi yang mempunyai panjang gelombang sekitar 1300 nm yaitu 0,2 dB/km.

4. Kebal terhadap gangguan gelombang elektromagnet. Fiber optik terbuat dari kaca atau plastik yang merupakan isolator, berarti bebas dari interferensi medan magnet, frekuensi radio dan gangguan listrik.

5. Dapat menyalurkan informasi digital dengan kecepatan tinggi.

Kemampuan fiber optik dalam menyalurkan sinyal frekuensi tinggi, sangat cocok untuk pengiriman sinyal digital pada sistem multipleks digital dengan kecepatan beberapa Mbit/s hingga Gbit/s.

6.  Ukuran dan berat fiber optik kecil dan ringan.

7. Diameter inti fiber optik berukuran micro sehingga pemakaian ruangan lebih ekonomis.

8.  Tidak mengalirkan arus listrik terbuat dari kaca atau plastik sehingga tidak dapat dialiri arus listrik (terhindar dari terjadinya hubungan pendek).

9. Sistem dapat diandalkan (20 - 30 tahun) dan mudah pemeliharaannya.

Adapun kerugian yang terdapat pada kabel serat optik, yaitu:

1. Konstruksi fiber optik lemah sehingga dalam pemakaiannya diperlukan lapisan penguat sebagai proteksi.

2.  Karakteristik transmisi dapat berubah bila terjadi tekanan dari luar yang berlebihan.

3. Tidak dapat dialiri arus listrik, sehingga tidak dapat memberikan catuan pada pemasangan repeater. 

Parameter Serat Optik

Parameter serat optik antara lain :

1. Kecepatan Propagasi
2. Numerical Aperture (NA)
3. Dispersi
4. Penghamburan Rayleigh
5. Pemantulan dan Pembiasan
6. Pemantulan Fresnel

1. Kecepatan Propagasi

Propagasi dalam serat optik disebabkan oleh adanya suatu refleksi (pantulan), sedangkan refleksi terjadi akibatnya adanya perbedaan indeks bias antara core dengan clading. Bila berkas cahaya datang dari suatu media yang lebih padat (n1) ke media yang kurang padat (n2) dimana n1 > n2 maka pada bidang batas antara kedua media terjadi pantulan. Bila sudut datang melebihi sudut kritis maka diperoleh pantulan total dan bila sudut datang lebih kecil dari sudut kritis akan terjadi pembiasan dan pemantulan sebagian.

Kecepatan perambatan cahaya pada medium memiliki kecepatan rambat yang lebih kecil dari kecepatan rambat cahaya pada ruang hampa, kecepatan tersebut dapat dirumuskan sebagai berikut:

V = C / n

dimana:

V = kecepatan rambat cahaya pada media

C = kecepatan rambat cahaya pada ruang hampa

n = indeks bias media yang dilalui berkas cahaya

2. Numerical Aperture (NA)

Numerical aperture (NA) adalah ukuran kemampuan sebuah serat untuk menangkap cahaya, juga dipakai untuk mendefenisikan acceptance cone dari sebuah serat optik. Jika medium dimana tempat cahaya memasuki serat umumnya adalah udara maka = 1 sehingga NA = sin θa. NA digunakan untuk mengukur source-tofiber 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. Numerical aperture dapat ditunjukkan seperti pada Gambar

Numerical Aperture

Besarnya nilai Numerical Aperture (NA) dapat diperoleh dengan rumus :

NA = sin θc = n1 2 – n2

dimana:

NA = Numerical Aperture

θ = Sudut cahaya yang masuk dalam serat optik

n1 = Indeks bias core

n2 = Indeks bias cladding

3. Dispersi

Dispersi adalah pelebaran pulsa yang terjadi ketika sinyal merambat melalui sepanjang serat optik yang disebabkan oleh keterbatasan material dan efek linear seperti polarisasi, material dan lainnya. Faktor dispersi ini akan mempengaruhi kualitas sinyal yang akan ditransmisikan dalam jaringan. Dispersi akan menyebabkan pulsa-pulsa cahaya memuai dan menjadi lebih lebar, sehingga pada akhirnya mengakibatkan pulsa-pulsa tersebut saling tumpang tindih dengan satu sama lain[3]. Jenis dispersi pada serat optik yang disebabkan oleh mekanisme yang berbeda, yaitu:

a. Dispersi Intermodal

Cahaya dari sumber masuk ke dalam serat optik multimode dirambatkan dalam beberapa mode. Setiap mode ada yang merambat sejajar sumbu inti dan ada pula yang merambat zig-zag. Dengan demikian jarak yang ditempuh oleh tiap mode akan berbeda-beda. Dispersi intermodal disebut juga pelebaran pulsa.

b. Dispersi Kromatik

Dispersi material terjadi karena indeks bias bervariasi sebagai fungsi panjang gelombang optik. Salah satu dispersi yang paling dominan dalam jaringan optik adalah dispersi kromatik. Akibat pengaruh dispersi kromatik maka digunakan DCF (Dispersion Compensating Fiber) sebagai pengkompensasi akumulasi dispersi. DCF merupakan serat optik dengan panjang tertentu yang dibuat dari material yang memiliki koefisien dispersi kromatik yang khusus pada panjang gelombang operasinya. Koefisien dispersi kromatik ini bernilai negatif dan bernilai lebih besar per unit panjangnya dibandingkan dengan koefisien dispersi dari serat optik yang digunakan sistem. Dengan karakteristik ini, maka panjang DCF yang cukup pendek dapat mengkompensasi akumulasi dispersi kromatik pada serat optik yang digunakan sistem.

c. Dispersi Bumbung Gelombang (Waveguide Dispersion)

Dispersi ini terjadi akibat dari karakteristik perambatan mode sebagai fungsi perbandingan antara jari-jari inti serat dan panjang gelombang.

d. Dispersi Mode Polarisasi

Penyebab utamanya adalah ketidaksimetrisan bentuk serat optik akibat adanya tekanan saat pengkabelan, ataupun saat instalasi. Dispersi mode polarisasi pun akan meningkat dengan bertambahnya usia kabel optik.

Redaman Serat Optik

Tahanan dari konduktor tembaga menyebabkan hilangnya sebagian dari energi listrik yang mengalir dari suatu kabel. Core dari kabel serat optik menyerap sebagian dari energi cahaya. Hal ini dinyatakan dalam redaman kabel. Satuan yang digunakan untuk redaman serat optik adalah dB/km. redaman tergantung dari beberapa keadaan. Tetapi yang utama adalah bahwa redaman tergantung pada panjang gelombang dari cahaya yang digunakan.

Menurut rekomendasi ITU-T G.0653E, kabel serat optik harus mempunyai koefisien redaman 0,5 dB/km untuk panjang gelombang 1310 nm dan 0,4 dB/km untuk panjang gelombang 1550 nm. Tapi besarnya koefisien ini bukan merupakan nilai yang mutlak, karena harus mempertimbangkan proses pabrikasi, desain & komposisi fiber, dan desain kabel.

Redaman (α) sinyal atau rugi-rugi serat didefenisikan sebagai perbandingan antara daya output optik (Pout) terhadap daya input (Pin ) sepanjang serat L. Redaman dalam serat optik untuk berbagai panjang gelombang tidak selalu sama karena redaman ini merupakan fungsi panjang gelombang (α).

Untuk itu terdapat range redaman yang masih diizinkan yaitu 0,3 sampai 0,4 dB/km untuk panjang gelombang 1310 nm dan 0,17 sampai 0,25 dB/km, untuk panjang gelombang 1550. Selain itu, koefisien redaman mungkin juga dipengaruhi spektrum panjang gelombang yang diperoleh dari hasil pengukuran pada panjang gelombang yang berbeda [1]. Redaman itu dapat terjadi karena adanya dua faktor yaitu faktor intrinsik dan faktor ekstrinsik.

Faktor Intrinsik

Ada beberapa faktor intrinsik dari serat optik yang menyebabkan redaman, yaitu:

1. Absorption (penyerapan)

Peristiwa ini terjadi akibat ketidak murnian bahan fiber optik yang digunakan. Bila cahaya menabrak sebuah partikel dari unsur yang tidak murni maka sebagian dari cahaya tersebut akan terserap.

2. Scattering (penghamburan)

Terjadi akibat adanya berkas cahaya yang merambat dalam materi dipancarkan/dihamburkan ke segala arah dikarenakan struktur materi yang tidak murni. Biasanya scattering ini terjadi pada lokasi-lokasi tertentu saja di dalam bahan, dan ukuran daerah yang terkena pengaruh perubahan efek terpencarnya cahaya sangat kecil, yaitu kurang dari satu panjang gelombang cahaya.

3. Microbending (pembengkokan pada saat pembuatan serat optik)

Pada umumnya timbul di dalam proses manufaktur. Penyebab yang biasa dijumpai adalah perbedaan laju pemuaian (dan penyusutan) antara serat optik dan lapisan-lapisan pelindung luarnya (jaket). Ketika kabel serat optik menjadi terlalu dingin, lapisan jaket maupun bagian inti/mantel akan mengalami penyusutan dan memendek sehingga dapat bergeser dari posisi relatifnya semula dan menimbulkan lekukan-lekukan yang disebut microbend'.

Faktor Ekstrinsik

Ada beberapa faktor ekstrinsik dari serat optik yang menyebabkan redaman, yaitu:

1)   Frasnel Reflection terjadi karena ada celah udara sehingga cahaya harus melewati dua interface yang memantulkan sebagian karena perubahan index  bias dari inti ke udara dan inti lagi.

2)  Mode Copling terjadi karena adanya sambungan antara sumber/detektor optik dengan serat optik.

3)   Macrobending, lekukan tajam pada sebuah kabel serat optik dapat menyebabkan timbulnya rugi daya yang cukup serius, dan lebih jauh lagi kemungkinan terjadinya kerusakan mekanis (pecahnya serat optik). Rugi daya yang ditimbulkan dengan melengkungkan sepotong pendek serat optik boleh jadi lebih besar dari rugi daya total yang timbul pada seluruh kabel serat optik sepanjang 1 km yang dipasang secara normal.

Sumber Optik

Sumber optik merupakan komponen dalam sistem komunikasi serat optik yang mengubah sinyal listrik menjadi sinyal cahaya. Ada dua jenis sumber optik yang sering digunakan, yakni LED (Light Emiting Diode) dan LASER (Light Amplication by Stimulated Emission of Radition). LED memiliki keluaran daya yang lebih sedikit, kecepatan switching yang lebih lambat, dan lebar spektrum yang lebih besar. Namun demikian LED dipergunakan secara luas untuk aplikasi jarak pendek dan menengah yang menggunakan serat kaca dan plastik karena lebih sederhana, murah, handal, dan tidak terlalu bergantung pada temperatur.

Laser menghasilkan cahaya dengan panjang gelombang tetap yang dapat berada di dalam wilayah tampak, yaitu sekitar 635 nm . Cahaya tersebut memiliki bandwidth yang sangat sempit, umumnya hanya memiliki lebar beberapa nanometer. Hal ini memastikan bahwa dispersi kromatik dapat dipertahankan pada nilai yang kecil dan kondisi ini memungkinkan terjadinya kecepatan transmisi data yang tinggi. Laser dapat menghasilkan cahaya dengan intensitas tinggi sehingga sesuai untuk digunakan pada sistem telekomunikasi optik jarak jauh. 

Proses pembentukan laser, yaitu:

a. Absorpsi foton; proses perpindahan elektron dari energi valensi ke energi konduksi.

b. Emisi Spontan; proses di mana elektron dalam keadaan tereksitasi di energi konduksi kembali ke energi dasar dengan melepas foton. Emisi terangsang (stimulated); proses saat keadaan inversi populasi elektron tereksitasi yang mendapat rangsangan (pacu) akan serentak melepaskan foton dalam jumlah banyak.

Konektor

Konektor optik merupakan salah satu perlengkapan kabel serat optik yang berfungsi sebagai kabel serat optik sebagai penghubung serat. Konektor ini mirip dengan konektor listrik dalam hal fungsi dan tampilan luar tetapi konektor pada serat optik memiliki ketelitian yang lebih tinggi.

Penyambungan serat optik menggunakan konektor bersifat tidak permanen, artinya dapat dibongkar pasang. Konektor biasanya digunakan untuk kontak dengan terminal perangkat aktif. Gambar 2.6 menunjukkan berbagai tipe konektor.

Untuk memastikan didapatkannya rugi yang rendah, konektor harus menghilangkan efek-efek pergeseran sudut dan lateral dan juga menjaga bahwa kedua ujung fiber akan saling menutup dengan sempurna. Bermacam-macam rancangan telah digunakan untuk membuat konektor-konektor semacam ini, di mana sebagian adalah lebih berhasil dari pada yang lain. Konektor optik merupakan salah satu perlengkapan kabel serat optik yang berfungsi sebagai penghubung serat seperti yang ditunjukkan pada gambar.

Berbagai Tipe Connector

Syarat - syarat konektor yang baik adalah:

a.  Kehilangan daya cukup rendah. Konektor yang dibentuk harus menjamin dari kesalahan penyambungan dan dapat meminimumkan kesalahan secara langsung.

b.  Kemampuan pengulangan. Efisiensi kopling tidak berubah jika tidak ada penyesuaian ulang.

c.  Dapat diprediksi, artinya konektor memiliki efisiensi yang sama jika beberapa konektor sejenis dikombinasi.

d.  Umurnya panjang. Tidak ada penurunan efisiensi dalam waktu yang lama.

e.  Kuat. Bahan konektor kuat terhadap tekanan.

f.   Kompatibel dengan lingkungan. Penyambungan dapat dilakukan pada variasi temperatur, tekanan tinggi, getaran, kelembaban dan kotoran.

g.  Mudah mendapatkannya. Umum digunakan.

h.  Mudah menggunakannya. Pemasangan dan penyesuaiannya mudah.

i.   Ekonomis. Konektor yang presisi adalah mahal. Konektor murah, biasanya plastik tetapi kualitasnya rendah. 

Link Power Budget

Power budget merupakan suatu hal yang sangat menentukan apakah suatu sistem komunikasi optik dapat berjalan dengan baik atau tidak. Karena power budget menjamin agar penerima dapat menerima daya optik sinyal yang diperlukan untuk mendapatkan bit error rate (BER) yang diinginkan. Perhitungan dan analisis power budget merupakan salah satu metode untuk mengetahui performansi suatu jaringan. Hal ini dikarenakan metode ini dapat digunakan untuk melihat kelayakan suatu jaringan untuk mengirimkan sinyal dari pengirim sampai ke penerima atau dari central office terminal ( COT ) sampai ke remote terminal (RT). Tujuan dilakukannya perhitungan power budget adalah untuk menentukan apakah komponen dan parameter desain yang dipilih dapat menghasilkan daya sinyal di penerima sesuai dengan tuntutan persyaratan performansi yang diinginkan.

Dalam perhitungan link power budget ada beberapa hal yang harus dihitung, yaitu perhitungan rugi-rugi berdasarkan daya yang telah diketahui, perhitungan redaman berdasarkan spesifikasi alat yang digunakan standar ITU.T (International telekommunication Union – Telecommunication Standardization Sector).

Link budget                        =  Slope x jarak kabel)

Lossline                                 =  (Redaman Kabel/km x jarak) + (Redaman per splice x Jumlah

     Splice) .+(Redaman Pathcore x Jumlah Connector)

Total Loss Perhitungan  =  ( Jarak x Redaman/km) + (Jumlah Sambungan x 0,15)

    +(Jumlah Conector x Loss Conector)

Total loss Pengukuran   =  Jarak x Redaman/km

Level Margin                     =  Redaman Nominal – Redaman Total  

Tahap selanjutnya adalah menentukan power budget dari sistem, yaitu dengan melakukan perhitungan daya yang mengacu kepada spesifikasi dari peralatan yang digunakan. Hasil redaman total (Total link loss) yang terdapat pada jalur fiber akan dikurangi dengan level margin. Sehingga akan diperoleh hasil optical power budget yang digunakan untuk berkomunikasi. Rumus menghitung nilai optical power budget ditunjukkan pada persamaan   

Optical Power Budget = Total link loss pengukuran – Level Margin