karakteristik serat optik degradasi sinyal material ... · untuk membuat dua material yang ......
TRANSCRIPT
Serat Optik (Jenis serat optik)
• Step Index Single Mode
Kelebihan Kekurangan
Dispersi minimum NA Kecil : butuh ILD
BW Lebar Sulit untuk terminasi
Sangat efisien Mahal
Cladding
Core 8-12m
n2 n1
Profil Indeks bias
2
Serat Optik (Jenis serat optik)
• Step Index Multimode
Cladding
Core 50-200m
n2
125-
400m
n1
Profil Indeks
biasKelebihan Kekurangan
Mudah terminasi Dispersi lebar
kopling efisien (NA>>) BW minimum
Tidak mahal
3
Serat Optik (Jenis serat optik)
• Graded Index Multimode
Cladding
Core 50-100m
n2
125-
140m
n1
Profil Indeks
bias
Serat optik graded indeks merupakan serat yang
kelebihan dan kekurangannya berada diantara serat
jenis single mode dan multimode step indeks
4
Material Serat Optik
• Syarat :– Harus dapat dibuat panjang
– Harus tembus pandang efisien
– Memungkinkan memiliki beda indeks bias kecil antara inti dan kulit.
• Yg memenuhi syarat :– Fiber gelas
– Fiber gelas halida
– Fiber gelas aktif
– Fiber gelas berkulit plastik
– Fiber plastik
5
Jenis fiber optik bervariasi darihigh loss glass fiber dengan radius core yang lebar untuk
komunikasi dengan jarak yang pendeksampai
very transparant (low loss) fiber yang digunakan untukkomunikasi dengan jarak yang lebih jauh (long haul
communication)
Fiber yang terbuat dari bahan plastik jarang digunakankarena redaman-nya yang lebih besar dibandingkan glass fiber. Kegunaan fiber plastik ini biasanya untuk aplikasi
komunikasi dengan jarak yang pendek (ratusan meter) danpada kondisi lingkungan yang ekstrim dimana fiber plastiklebih memiliki keuntungan dalam hal kekuatan mekanik
(mechanical strength) daripada glass fiber
[2] Jenis Serat Optik
Berdasarkan bahan penyusunnya
serat optik dibagi menjadi lima:
[a] Glass fibers
[b] Halide Glass Fibers
[c] Active Glass Fibers
[d] Chalgenide Glass Fibers
[e] Plastic Optical Fibers
[a] Glass fibers
• Glass fiber dibuat melalui reaksi fusi dari oksida logam, sulfida, atau seleneida
• Ketika glass/ kaca dipanaskan dari suhu ruangan kemudian dinaikan temperaturnya secara teratur maka glass tersebut akan berubah wujud dari yang sangat padat kemudian melelehsampai dengan wujudnya yang sangat cair pada suhu yang sangat tinggi
• “melting temperature” adalah parameter penting yang digunakan dalam fabrikasi glass. Parameter tersebut menyatakan rentang nilai temperature dimana glass/ kaca masih memiliki wujud cukup cair (fluid enough/ melt) dan tidak terdapat gelembung udara didalamnya
Fiber gelas
Campuran fusi oksida logam, sulfida/selenida.
1,48
1,46
1,44
Ge2O5
P2O5
B2O3F
0 5 10 15 20
Tambahan dopan
(mol %)
SiO2 = 1,458
Indeks bias
9
Jenis optical glass yang memiliki tingkat transparansi yang tinggi adalah fiber yang terbuat dari bahan oksida glass. Oksida glass yang paling sering digunakan adalah silica (SiO2) yang memiliki indeks bias 1,458 pada panjang gelombang 850 nm.
Untuk membuat dua material yang memiliki perbedaan indeks bias kecil untuk core dan cladding dapat dilakukan dengan memberikan dopant yang bisa berasal dari bahan fluorine atau variasi bahan oksida (B2O3, GeO2, P2O5) yang ditambahkan kedalam silika (SiO2)
INTI KULIT
GeO2-SiO2 SiO2
P2O2-SiO2 SiO2
SiO2 B2O3-SiO2
GeO2-B2O3-SiO2 B2O3-SiO2
Contoh komposisi fiber
11
[b] Halide Glass Fibers
• 1975, researcher dari Universite de Rennes menyelidiki mengenai fluoride glasses yang memiliki loss transmisi rendah pada panjang gelombang infrared (0,2 – 8 μm dengan loss terendah pada 2,55 μm)
• Fluoride glasses termasuk kedalam golongan gelas halida dimana material anion nya adalah elemen dari golongan VIIA dari tabel periodik unsur (F, Cl, Br, I)
• Material yang diteliti itu adalah heavy metal fluoride glass yang menggunakan ZrF4 sebagai komponen utamanya
• Selain ZrF4 ada komponen lainnya yang dapat digunakan untuk membuat Halide Glass Fiber yaitu BaF2, LaF3, AlF3, NaF yang semua material itu diistilahkan dengan ZBLAN (ZrF4, BaF2, LaF3, AlF3, NaF)
• Material ZBLAN tersebut membentuk bagian core dari fiber, sedangkan untuk mendapatkan indek bias yang lebih rendah salah satu bagian dari ZrF4 diganti dengan HaF4 sehingga menjadi ZHBLAN yang digunakan sebagai cladding (kulit)
• Keuntungan, memiliki redaman yang rendah 0,01 – 0,001 dB/km
• Kerugian, dalam fabrikasi sulit untuk dibuat panjang karena:
– Material harus sangat murni untuk bisa mendapatkan low loss level
– Fluoride glass sangat mudah mengalami devitrification yang bisa menyebabkan efek scattering losses
“Unsur pokok ZBLAN”
[c] Active Glass Fiber
• Penambahan elemen yang sangat jarang di bumi yaitu atom nomor 57-71 kedalam passive glass sehingga menghasilkan material serat optik dengan spesifikasi yang baru dan berbeda
• Efek dari penambahan elemen tersebut adalah fiber bisa memiliki sifat amplification, attenuation, atau phase retardation ketika cahaya optik ditransmisikan kedalam fiber tersebut
• Doping bisa ditambahkan kedalam silica atau halide glasses
• Dua elemen yang sering digunakan sebagai doping adalah Erbium dan Neodymium EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier)
• Konsentrasi dari elemen doping tersebut adalah rendah (0,005 –0,05 percent mol)
Rare-Earth Doped Fibers
16
Ion Common host glassesImportant emission
wavelengths
neodymium (Nd3+) silicate and phosphate glasses1.03–1.1 μm, 0.9–0.95 μm,
1.32–1.35 μm
ytterbium (Yb3+) silicate glass 1.0–1.1 μm
erbium (Er3+)silicate and phosphate glasses,
fluoride glasses1.5–1.6 μm, 2.7 μm, 0.55 μm
thulium (Tm3+)silicate and germanate glasses,
fluoride glasses
1.7–2.1 μm, 1.45–1.53 μm,
0.48 μm, 0.8 μm
praseodymium (Pr3+) silicate and fluoride glasses1.3 μm, 0.635 μm, 0.6 μm,
0.52 μm, 0.49 μm
holmium (Ho3+)silicate glasses, fluorozirconate
glasses2.1 μm, 2.9 μm
[d] Chalgenide Glass Fibers
• Terbuat dari unsur chalcogen (S, Se, Te) dan elemen lainnya seperti P, I, Cl, Br, Cd, Ba, Si, atau Tl
• Diantara banyak variasi chalcogen glass As2S3 adalah salah satu material yang sering digunakan
• Single mode fiber telah dibuat menggunakan As40S58Se2 dan As2S3 sebagai bahan penyusun core dan claddingnya, redaman yang muncul sebesar 1 dB/m (cukup besar)
• Chalgenide glass memanfaatkan sifat nonlinearitas optik yang tinggi untuk dimanfaatkan pada beberapa aplikasi lainnya seperti optical switch dan fiber laser
[e] Plastic Optical Fibers
• Menghasilkan fiber optik gradded index dengan bandwidth yang tinggi
• Core bisa dibuat dari PMMA (PolyMethylMethacrylAte) atau PFP (PerFluorinated Polymer)
• Kelemahan: – Redaman yang lebih besar dibandingkan dengan glass fiber,
– Efektif untuk komunikasi jarak pendek
characteristic PMMA PFP
Core diameter 0.4 mm 0.125-0.30 mm
Cladding diameter 1.0 mm 0.25-0.60 mm
Numerical aperture 0.25 mm 0.20 mm
Attenuation 150 dB/km at 650 nm 60-80 dB/km at 650-1300 nm
Bandwidth 2.5 Gb/s over 100m 2.5 Gb/s over 300m
Fiber gelas berkulit plastik (PCS)
• Inti silika
• Kulit plastik/polimer ( n=1,405 pd 850 nm) atau FEP (Fluoride Ethylene Propylene), n=1,338
• NA besar
• Hanya fiber step index
• Keuntungan murah & kopling dgn sumber baik
• Kerugian redaman besar, kualitas rendah
• Hanya cocok utk komunikasi jarak pendek
19
Fiber plastik
• Inti dan kulit plastik
• Contoh :– Inti polisterene (n=1,60), kulit methyl meta crylate
(n=1,49)
– Inti methyl meta crylate, kulit copolimernya (n=1,40)
• Keuntungan sudut penerimaan besar, murah, mudah dipelihara, fleksibel ukuran inti besar110 s/d 1400 μm cocok dengan LED
• Hanya cocok untuk komunikasi jarak sangatpendek ±100 m
20
• Dua teknik dasar pembuatan fiber: vapor phase oxidation & direct melt
• Direct Melt– Mengikuti proses pembuatan gelas secara tradisional– Fiber optik dibuat secara langsung dari cairan komponen gelas silika yang murni
(from molten state)
• Vapor Phase Oxidation– Uap logam halida sangat murni (SiCl4, GeCl4) bereaksi dengan oxigen untuk
membentuk serbuk putih partikel SiO2
– Kemudian serbuk partikel SiO2 tersebut masuk kedalam proses sintering (proses pentranformasian menjadi gelas yang homogen dengan pemanasan tanpa melaluiproses melting/ pencairan)
– Hasil dari proses sintering adalah clear glass rod/ tube (batangan gelas yang murni) yang disebut sebagai preform
– Preform tersebut memiliki diameter 10-25 mm dan panjangnya 60-120 cm
– Fiber dibuat dari preform dengan perlengkapan dan proses seperti gambar berikut: The preform is precision-fed into a
circular heater called the drawing furnace. Here, the preform end is softened to the point where it can be drawn into a very thin filament, which becomes the optical fiber. The turning speed of the takeup drum at the bottom of the draw tower determines hiw fast the fiber is drawn. This, in turn, will determine the thicness of the fiberr, so that aprecise rotation rate must be maintained. An optical fiber thickness monitor is used in feedback loop for this speed regulation. To protect the bare glass fiber from external contaminants, such as dust and water vapor, an elastic coating is applied to the fiber immediately after it is drawn.
• Preform dapat dibuat dengan empat macam teknik/ metode yang berbeda yaitu:
1. OVPO (Outside Vapor Phase Oxidation)
2. VAD (Vapor-phase Axial Deposition)
3. MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition)
4. PCVD (Plasma-activated Chemical Vapor Deposition)
[1] OVPO (Outside Vapor Phase Oxidation)
Pembuatan fiber pertama yang memiliki loss kurang dari 20 dB/km adalah oleh Corning Glass Works dengan metode OVPO. Sebuah layer partikel SiO2 yang disebut sebagai “soot” disimpan secara bertahap dari burner (pembakar) ke rotating graphite (ceramic mandrel-bait rod). Glass soot tersebut menempel pada mandrel dari layer per layer. Dengan melakukan kontrolling terhadap aliran komponen uap logam halida selama proses pembentukan perform tersebut, komposisi dan dimensi untuk core dan cladding bisa dibuat, selain itu step index ataupun gradded index perform juga bisa dibuat.
Setelah proses pembentukan preform selesai, mandrel kemudian dilepaskan. Selanjutnya pada preform dilakukan proses vitrification/ dipanaskan pada temperatur yang tinggi (> 1400o) untuk menghasilkan clear glass perform (rod/ tube)
[2] VAD (Vapor-phase Axial Deposition)
Pada metode VAD, proses pembentukan partikel SiO2
sama dengan yang terjadi pada OVPO. Partikel-partikel tersebut disatukan oleh torches (suluh/ pemanas) didalam reaction chamber, kemudian disimpan pada ujung permukaan batang glass selika yang telah terbentuk sebelumnya seperti biji/ bibit yang menempel. Porous perform bergerak secara axial keatas dan berputar secara kontinyu untuk memastikan kesimetrian silindris dari proses pembentukan perform tersebut. Seiring dengan pergerakan porous perform yang terus keatas, kemudian akan dilakukan proses pemanasan sampai ke tahap zone melting oleh carbon ring heater sehingga bisa didapatkan transparant rod preform yang kemudian akan dirubah menjadi lebih padat (solid).
Keuntungan:1. Perform tidak memiliki central hole seperti pada OVPO2. Perform bisa dibuat lebih panjang tetapi pasti berpengaruh pada cost dan hasilnya3. Posisi reaction chamber dan zone melting (ring heater) yang terhubung satu sama lain
mengurangi kemungkinan terjadinya kontaminasi ekternal dari seperti karena adanya debu atauuap air
[3] MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition)
Pertama dilakukan oleh Bell Laboratories dankemudian diadopsi secara luas yang digunakanuntuk memproduksi very low loss gradded-index fiber. Uap partikel glass didapatkan dari reaksiantara bahan gas logam halida dengan oxigen yang mengalir didalam silica pipe. Kemudian partikelglass tersebut disimpan dan dilakukan proses sintering oleh H2O2 burner (oxyhydrogen) yang berjalan sepanjang silica pipe sehingga diperolehclear glass layer (sintered glass). Ketika ukuran/ ketebalan dari glass sudah sesuai dengan yang diinginkan aliran uap partikel glass tadi dihentikandan kemudian tabung (pipe) dipanaskan sampaisuhu yang tinggi sehingga dihasilkan solid rod preform
Fiber yang dihasilkan dari preform MCVD akan memiliki core yang terdiri dari vapor-deposited material dan cladding yang terbuat dari original silica tube
[4] PCVD (Plasma-activated Chemical Vapor Deposition)
Metode PCVD ditemukan oleh scientists at Philips Research. PCVD mirip dengan MCVD pada proses pembentukan yang terjadi pada silica tube. Nonisothermal plasma beroperasi pada tekanan yang rendah untuk menginialisasi reaksi kimia. Silica tube berada pada temperatur 1000-1200oC untuk mengurangi tekanan. Microwave resonator yang bekerja pada 2.45 GHz berjalan sepanjang silica tube untuk menghasilkan plasma. Proses pembuatan dengan teknik PCVD ini menghasilkan dan menyimpan clear glass material secara langsung pada dinding tube tanpa melalui soot formation, jadi tidak ada proses sintering didalamnya. Ketika ketebalan/ diameter dari glass sudah sesuai dengan yang diinginkan tube (tabung) berubah membentuk jadi preform seperti yang terjadi pada MCVD.
Double-Crucible Methodmetode direct melt double crucible dapat digunakan untuk membuat silica, chalgenide, dan halida glass fiber. Pada metode ini, glass rod (batangan glass) untuk core dan cladding dibuat terlebih dahuluisecara terpisah dengan proses pencampuran (melting mixture) dari serbuk murni sampai didapatkan komposisi glass yang sesuai. Batangan glass untuk core dan cladding kemudian dimasukan kedalam crucible secara terpisah (inner dan outer). Fiber terbentuk dari komponen core dan cladding yang berada pada kondisi cair (molten state) yang keluar dan mengalir dari lubang bagian bawah crucible secara kontinyu.
Meskipun metode ini memberikan keuntungan berupa prosesnya yang bisa berlangsung secara kontinyu tetapi harus memperhatikan kemungkinan kontaminasi yang terjadi pada proses melting. Faktor utama sumber munculnya kontaminasi bisa berasal dari lingkungan pemanas (furnace environment) dan dari crucible sendiri.
Karakteristik Serat Optik
• Bandwidth-distance product
– Sebuah ukuran kapasitas informasi serat
optik, dinyatakan dalam MHz.Km
Contoh :
BW 400 MHz.Km, artinya sinyal 400 MHz
dapat dikirim untuk 1 Km, atau dapat berarti
pula BW x L 400
30
The electric susceptibility χe of a dielectric material is a measure of how easily it
polarizes in response to an electric field.
31
Redaman
• Redaman diklasifikasikan :– Absorpsi– Hamburan Raleigh– Efek geometri– Loss inti dan kulit
• Dalam desain sistem komunikasi serat optik, redaman mempunyai peranan yang sangat penting.
• Redaman menentukan jarak transmisi maksimumantara transmitter dan receiver, juga akanmenentukan banyaknya repeater dan margin dayayang dibutuhkan dalam sebuah link.
• Redaman () sinyal atau rugi-rugi serat didefinisikansebagai perbandingan antara daya output optik (Pout) terhadap daya input optik (Pin) sepanjang serat L.
• Redaman dalam serat optik untuk berbagai panjanggelombang tidak selalu sama karena redaman inimerupakan fungsi panjang gelombang (()).
mdB
P
P
L out
in
log
10
Gambar Rugi-Rugi Yang Terjadi Pada Serat Optik
37
Absorpsi
• Absorpsi oleh kerusakan atomik dalam komposisi gelas. Kerusakan ini merupakan ketidaksempurnaan struktur atomikbahan serat, misalnya molekul yang hilang, kerusakan oksigendalam struktur gelas.
• Biasanya redaman absorpsi jenis ini cukup kecil biladibandingkan dengan jenis lain tetapi akan sangat berartiapabila tercemari oleh adanya ledakan nuklir.
• Rugi-rugi absorpsi :– Kerusakan atom– Intrisik– Ekstrinsik
Rugi-rugi Absorpsi Karena Kerusakan Atom
• Kerusakan atom– Ketidak sempurnaan struktur atom seperti kehilangan molekul, cluster kerapatan
tinggi grup atom, atau kerusakan oksigen dalam struktur gelas.– Umumnya rugi-rugi ini dapat diabaikan dibandingkan dengan karena intrinsik dan
ekstrinsik.– Rugi-rugi ini signifikan jika terjadi radiasi nuklir yang tinggi, misalnya di reaktor
nuklir saat terjadi ledakan nuklir.
39
• Intrinsic absorption oleh atom unsur pokok bahan serat. Sifat alamiah gelasmenyerap cahaya.
• Hal ini berhubungan dengan bahan serat (misalnya SiO2 murni) dan faktor-faktor prinsip yang menentukan transparency window bahan pada daerahspektrum tertentu. Sangat kuat pada daerah ultra violet tidakberpengaruh pada siskom optik. Pada daerah inframerah terjadi puncakpada 7 μm dan 12 μm.
• Absorpsi terjadi pada saat foton berinteraksi dengan elektron di pita valensi dan mendorong ke level energi yang lebih tinggi. Energi panasatom-atom bergerak SiO berkontraksi & meregang/vibrasi.
Rugi-rugi Absorpsi Karena Intrinsik
40
0/ EE
uv CeHukum Urbach :
C dan EO : konstanta empiris
E : energi photon
x : bagian molekul GeO2
63,4
210606,46
2,154e
x
xuv
dB/Km
Absorpsi daerah UV :
Absorpsi daerah IR :
48,48
111081,7
eIRUntuk GeO2-SiO2 : dB/Km
41
• Extrinsic absorption oleh atom pengotoran dalam bahan gelas. Ketidak murnian sumber utama rugi-rugi fiber.
• Hal ini disebabkan oleh adanya pencampuran silika dengan bahan doping dan uap oksihidrogenselama pembuatan serat. Fe, Cu, V, Co, Ni, Mn, Cr menyerap secara kuat pada daerah yang diinginkan. Ketidak lengkapan pengisian sel elektron dalam penyerapan cahaya mengakibatkanelektron bergerak dari level energi rendah ke level lebih tinggi.
• Jenis : ion transition metal dan ion OH
• Redaman OH paling signifikan pada 1,37 μm, 1,23 μm, 0,95 μm
Rugi-rugi Absorpsi Karena Ekstrinsik
44
Hamburan Rayleigh
• Redaman ini timbul dari variasi mikroskopik dalam densitas bahan, dari fluktuasikomposisional dan dari ketidakhomogenan struktur dari kerusakan yang terjadiselama manufaktur.
• Terjadi karena gelombang bergerak melalui media yang terdapat benda hambur yang < 1 λ• Saat pabrikasi gelas cair panas molekul bebas bergerak• Pada saat cairan dingin gerakan berkurang• Pada saat padat mol acak membeku variasi kepadatan variasi indeks bias setempat
hamburan.
45
Glory : gejala optik dihasilkan oleh backscattering ke sumber oleh
asap/kabut/butir air berukuran seragam.
46
• Penyebab hamburan lain :
– Bahan fiber terdiri dari lebih dari satu oksida fluktuasikonsentrasi oksida penyusun
– Ketidak homogenan bahan yang dicampurkan dalam gelasselama pabrikasi antar muka inti-kulit kasar, bendahambur > λ optik dapat dikendalikan pada saatpabrikasi.
Raleigh scattering
47
Redaman karena hamburan sebanding dengan λ-4.
Gelas komponen tunggal :
TfBscat
TfBscat
Tkpn
Tkn
28
4
3
22
4
3
3
8
13
8
kB : Konstanta Boltzman = 1,380 x 10-23 J/OK
βT : Isothermal compressibility bahan
Tf : Suhu fictive/lebur
p : koefisien photoelastic
atau
Neper/Km
Neper/Km
48
Utk gelas multi komponen :
m
i
i
i
CC
nnn
Vn
1
2
2
2
2
22
22
4
3
3
8
δρ : fluktuasi kepadatan
δCi : fluktuasi konsentrasi komponen gelas
Neper/Km
Nilai fluktuasi komposisi dan kepadatan umumnya tidak
diketahui dan ditetapkan dr data hamburan percobaan
50
Efek Geometri
• Bengkokan/lengkungan redaman :
– Makroskopi• berukuran besar dibanding diameter fiber
• Misalnya fiber dibelokan pojok
– Mikroskopi• fluktuasi jari-jari ukuran kecil berulang
• berukuran kecil dibanding diameter fiber
• Terjadi secara random
• Dapat bertambah saat pengkabelan
Efek Geometri
• Redaman akibat pembengkokanada dua jenis, yaitu : macrobendingdan microbending.
• Macrobending adalahpembengkokan serat optik denganradius yang panjang biladibandingkan dengan radius seratoptik.
• Redaman ini dapat diketahuidengan menganalisis distribusimodal pada serat optik.
51
52
Mode fundamental dalam fiber lengkung
Jari-jari kritis single mode :
3
2/32
2
2
1
996,0748,220
C
C
nnR
2/32
2
2
1
1
4
3
nn
nRC
Jari-jari kritis multi mode :
53
2
1
3/2
2
2
2
32
2
21
kanM
kRnR
aMM eff
Pada saat serat optik melengkung, medan pada sisi yang jauh harus bergerak lebih cepat
untuk mengimbangi kecepatan medan di inti.
Pada saat kritis dengan jarak xc dari pusat serat, medan harus bergerak lebih cepat. Karena
tidak bisa, maka energi teradiasi.
Banyaknya modal efektif yang masih dapat terbimbing adalah Meff sbb :
di mana M adalah jumlah total mode yang ada pada serat optik yang tidak melengkung.
k = 2/, R adalah radius pembengkokan,
adalah profil graded index, adalah perbedaan indeks bias inti-selubung, dan a adalah
radius serat optik.
54
Microbending : fluktuasi jari-jari ukuran
kecil berulang dari lengkungan sumbu fiber
Microbending adalah pembengkokan-
pembengkokan kecil pada serat optik
akibat ketidakseragaman dalam
pembentukan serat atau akibat
adanya tekanan yang tidak seragam
pada saat pengkabelan.
Salah satu cara untuk menguranginya
adalah dengan menggunakan jacket
yang tahan terhadap tekanan.
56
Loss Inti dan Kulit
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
cladvm
coreclad
cladcorevm
121
21
1
Inti dan kulit terbuat dari bahan yang berbeda komposisinya memiliki kofisien redaman berbeda (α1
untuk inti dan α2 untuk kulit).
Jika pengaruh kopling moda diabaikan, loss SI fiber mode (v,m) :
karena
maka
Loss total dari fiber diperoleh dari penjumlahan semua moda dari tiap bagian daya setiap moda
Pada fiber GI, koefisien redaman pada jarak r dari sumbu
2
2
2
22
121)0(
)()0()(
nn
rnnr
57
Dispersi
• Group velocity : kecepatan energi suatu modus tertentubergerak sepanjang fiber.
• Perbedaan kecepatan grup mengakibatkan perbedaanwaktu tiba energi di tujuan sehingga mengakibatkanterjadinya pelebaran pulsa.
• Gejala yang mengakibatkan terjadinya pelebaran pulsadisebut dispersi.
• Jenis dispersi :
– Intermodal, hanya terjadi pada MM fiber
– Intramodal• Material
• waveguide
Dispersi Antar Mode (intermodal dispersion)
Cahaya dari sumber masuk ke dalam serat optik multimode dirambatkan dalam beberapa mode.
Setiap mode menempuh alur yang berbeda-beda, ada yang merambat sejajar sumbu inti dan ada pula
yang merambat zigzag.
Dengan demikian Jarak yang ditempuh oleh tiap mode akan berbeda-beda. Jarak terpendek adalah
yang sejajar dengan sumbu inti.
Karena kecepatan tiap mode sama, maka tiap mode akan mempunyai waktu tempuh yang berbeda.
• Dispersi intermodal disebut juga pelebaran pulsa. Dispersi intermodal bergantung pada panjang gelombang, efeknya pada distorsi sinyal meningkat sebanding dengan lebar spektrum dari sumber optik.
Gambar Pengaruh dispersi pada sinyal
60
Group delay
Time delay atau Group delay per satuan panjang :
/2
2
11
1
2
k
dk
dcV
d
d
cdk
d
cVL
g
g
g
: kec energi dalam pulsa yang merambat sepanjang fiber
Dimana :
L : jarak yang dicapai oleh pulsa
β : konstanta propagasi sepanjang sumbu fiber
61
d
d g
2
222
2
d
d
d
d
c
L
d
d g
g
Selisih Total delay sepanjang fiber L :
Pelebaran pulsa dapat didekati dengan lebar pulsa rumus :
Dispersi :
d
d
LD
g1
Satuan dispersi : picosecond per kilometer per nanometer
62
Dispersi bahan/kromatis (material/chromatic dispersion)
• Dispersi material terjadi karena indeks bias bervariasi sebagai fungsi panjang gelombangoptik.
• Dikenal juga sebagai dispersi kromatis atau spektral. • Terjadi karena variasi indeks bias bahan core yang merupakan fungsi panjang gelombang,
serupa dengan efek prisma menguraikan spektrum, akibatnya terjadi kecepatan grup berbedasetiap moda yang tergantung pada panjang gelombang, selanjutnya mengakibatkan terjadinyapelebaran pulsa .
d
dnn
c
L
n
d
d
cdk
d
cL
mat
g
2
2
1 2
Karena
dan
Maka :
63
Pelebaran pulsa dari suatu sumber yang memiliki lebar spektral σλ karena
dispersi material :
2
2
2
2
1
d
nd
cD
LDd
nd
c
L
d
d
mat
matmat
mat
: Dispersi material
66
Dispersi pandu gelombang
• Terjadi karena tidak semua cahaya yang diterimadetektor melalui inti, tetapi sebagian cahayamerambat melalui kulit.
• Besarnya dispersi pandu gelombang tergantung padarancangan fiber, karena konstanta propagasi βmerupakan fungsi a/λ.
• Untuk penyederhanaan dalam perhitungandiasumsikan bahwa indeks bias material tidaktergantung pada panjang gelombang.
67
Konstanta propagasi normalisasi :
1
/
/
2
21
2
2
2
2
1
2
2
2
bkn
nn
nkb
nn
nkb
Untuk ∆ <<<
atau
Group delay karena dispersi pandu gelombang :
dV
Vbdnn
c
L
kannnkaV
dk
kbdnn
c
L
dk
d
c
L
wg
wg
22
2
2
2
2
1
22
2
maka
Untuk ∆ <<
Untuk fiber MM dispersi PG << dispersi material dispersi PG dapat diabaikan
68
wg
wg
wg
wg
wg
wg
D
dV
VbdV
c
Ln
dV
dV
LDd
d
2
2
2
Pelebaran pulsa karena dispersi pandu gelombang :
: Dispersi pandu gelombang
:
:
22
mod
wg
m
wgmi
Pelebaran pulsa karena dispersi intramodus :
Pelebaran pulsa karena dispersi material
Pelebaran pulsa karena dispersi pandu gelombang
71
Distorsi sinyal pada fiber SMDispersi pandu gelombang dan dispersi material pada SM memiliki nilai dalam orde yg hampir sama.
Contoh besarnya dispersi material dan PG sebagai fungsi panjang gelombang pada fiber SM silika
72
Dispersi antar modus
• Merupakan hasil dari perbedaan nilai group delay (kecepatan group axial) dari setiap modus individual pada satu frekuensi.
L
Tmax
Tmin
c
LnTTsi
1minmaxmodPelebaran pulsa karena dispersi antar modus :
73
Pelebaran Pulsa pada Fiber GI
• Keuntungan profil indeks bias gradual adalah menawarkan propagasi MM pada inti yang relatif besar dan kemungkinan distorsi delay antar modus yang rendah.
• Karena indeks bias dibagian luar inti lebih rendah dari pada di pusat inti maka cahaya akanmerambat lebih cepat di bagian luar inti dari pada di pusat inti. V = c/n
Pelebaran pulsa karena dispersi antar modus (untuk α = 2) :
sigi
gic
Ln
modmod
2
1mod
8
8
atau
74
:
:
mod
mod
2
mod
2
mod
a
i
ai
Pelebaran pulsa pada fiber MM :
Pelebaran pulsa karena dispersi intramodus
Pelebaran pulsa karena dispersi antarmodus
Dispersi total (akibat berbagai sebab di atas) adalah :
222
ntermoda wgbahanlitotal tttt
Pada serat optik mode tunggal yang masih tersisa adalah dispersi material
dan dispersi pemandu gelombang.
Dispersi intermodal tidak terdapat di serat optik single mode karena mode
yang berjalan hanya satu mode yaitu yang sejajar dengan sumbu inti.
Karakteristik dispersi ini menentukan batas kapasitas informasi serat optik.
Sebuah ukuran kapasitas informasi dari sebuah bumbung gelombang optik
biasanya dinyatakan sebagai bandwidth distance product (perkalian antara jarak
dan lebar pita) dalam MHz.km.
Untuk step index bandwidth distance product-nya 20 MHz.km.
Sedangkan serat optik graded index dapat mencapai 2,5 GHz.km.
77
Sambungan
• Sambungan fiber dng fiber :
– Permanen splice
– Tdk permanen konektor
• Parameter redaman sambungan :
– Distribusi daya masukan ke sambungan
– Jarak sumber optik dan sambungan
– Ukuran dan karakteristik ke dua ujung fiber
– Kualitas permukaan ujung fiber
Efisiensi gandengan :
E
commF
M
M
Mcomm : jumlah common mode
ME : jumlah mode di fiber pengemisi
Loss gandengan : FFL log10
79
Misalignment mekanis
• Jenis misalignment utama :– Separasi longitudinal, terjadi jika fiber memiliki sumbu
sama tetapi memiliki celah s
– Misalignment sudut (angular), terjadi jika dua sumbu membentuk suatu sudut shg permukaan ujung fiber tidak sejajar
– Axial/lateral displacement, terjadi jika kedua sumbu fiber terpisah sejauh d.
• Misaligment paling banyak terjadi : axial displacement
80
Jenis misaligment mekanis
θ
d
a
d
a
(a) Separasi longitudinal
(b) Angular misalignment
(c) Lateral displacement
s
81
Axial/lateral displacement
d
a
d
a
Common core area
2
2
,4
12
arccos2
a
d
a
d
a
d
A
A
F
commstepF
Efisiensi gandengan fiber SI :
82
2
2
2
2
,2
564
12
arccos2
a
d
a
d
a
d
a
d
P
PTgradF
a
dgradF
43
81,
Efisiensi gandengan fiber GI :
Jika d/a < 0,4 :
Efisiensi gandengan SM :
2/
,
Wd
latSM e
W : jari-jari Mode Field
83
Separasi
2
tan
c
Fsa
a
22
2
,424
)14(4
ZZ
ZlongSM
Efek loss jika ujung fiber terpisah sejauh s
Efisiensi gandengan Fiber SI :
θC : sdt kritis fiber
Efisiensi gandengan Fiber SM :
2
22/ WnsZ
84
Angular misalignment
sincossin
sin)cos1(cos
sinsin
)cos1(cos
2
1arcsin
11
1arcsin
11
1
2
1cos
22
22
cc
c
c
c
F
y
p
yyyqppp
322
3
sincos
cos
c
cq
Efisiensi gandengan Fiber SI (mode memancar seragam):
Efisiensi gandengan Fiber SM :2
2
,
Wn
angSM e
85
Perbandingan redaman dr 2 hasil percobaan sumber LED, fiber GI :
(1) a = 50 μm, panjang 1,83 m
(2) a : 55 μm, panjang 20 m
86
Contoh
• Fiber SM memiliki frekwensi normal V = 2,40, indeks bias core/inti n1 = 1,47, indeks bias cladding/kulit n2 = 1,465 dan diameter inti 2a = 9 μm.
– Hitung loss sambungan jika terjadi lateral offset 1 μm.
– Hitung loss sambungan jika terjadi angular misaligment 1o pd panj gel 1300 nm.
87
Loss berkaitan dgn perbedaan fiber
Perbedaan dimensi dan karakteristik fiber yg disambungkan
akan menambah loss gandengan.
utk
Profil indeks bias berbeda :
1
2
2
)( RE
ER
F
ER
ER utk
90
Penyiapan muka ujung fiber
• Agar cahaya tidak dihamburkan di sambungan, ujung fiber harus dibuat rata, tegak lurus thd sumbu fiber dan halus.
• Teknik Grinding dan polishing:– dpt menghasilkan permukaan fiber yg halus dan tegak lurus sumbu fiber– perlu banyak waktu dan ketrampilan operator.– Diaplikasikan di lingkungan terkendali spt laborat, pabrik.– Tdk cocok utk di lapangan
• Teknik controlled-fracture :– Didasarkan pd cara score-and-break– Fiber dibentangkan diatas permukaan lengkung dan ditarik, selanjutnya dipotong dng sejenis pisau.– Dihasilkan ujung permukaan yg sangat halus dan tegak lurus sb fiber– Perlu pengendalian curvature dr fiber dan besarnya tarikan.– Jika tidak tepat beberapa crack.
91
• Akibat ketidak tepatan menghasilkan :– Lip
– Rolloff, kondisi sebaliknya dr lip
– Chip, frakcture setempat
– Hakle, ketidak teraturan ujung fiber
– Mist, spt hakle tapi lebih sedikit
– Spiral/step, abrupt change di ujung fiber
– Shattering, akibat fracture tak terkendali dan tak dpt didefinisikan karakteristik permukaannya.
93
Fiber splicing
• Teknik splicing :– Fusi : menyatukan kedua ujung fiber secara termal (di-las)
– V-groove : menyatukan kedua ujung fiber dgn lem.
– Tube mechanical splice : pipa terbuat dr bahan elastis
– Loose-tube splice : menggunakan pipa segiempat, lengkungan fiber mengakibatkan pipa berputar menempatkan fiber di salah satu ujung.
– 3-rod : menggunakan 3 tongkat bulat.
99
Konektor
• Persyaratan konektor yg baik :– Loss gandengan rendah
– Interchangeability/compatibility
– Mudah pemasangan pd fiber
– Sensitifitas lingkungan rendah
– Murah dan konstruksi andal
– Mudah penyambungan (buka-sambung)
• Jenis konektor :– Butt-joint
• Straight sleeve
• Tapered sleeve
– Expanded beam
104
Efisiensi gandengan konektor SM fiber :
qu
ffSM eqnn
nn /
31
2
3
2
1,
416
/2
/
/
/
1
sin1sin21
3
2
12
2
2
2
1
22
2
1
222
nk
WW
kWsG
kWdF
Gq
kW
GFGFu
n1 = indeks bias inti
n3 = indeks bias media antar fiber
λ = panjang gel sumber
d = lateral offset
s = longitudinal missaligment
θ = angular missalignment
W1 = 1/e mode-field radius dr fiber kirim
W2 = 1/e mode-field radius dr fiber terima