Serat Optik

Serat Optik

SERAT OPTIK

Perkembangan dan penerapan teknologi telekomunikasi dunia berkembang dengan cepat. Salah satunya adalah dengan penerapan sistem telekomunikasi menggunakan serat optik. Tidak disangkal lagi bahwa serat optik akan memberikan kemungkinan yang lebih baik bagi jaringan telekomunikasi.Serat optik adalah salah satu media transmisi yang dapat menyalurkan informasi dengan kapasitas besar dengan keandalan yang tinggi.

Berlainan dengan media transmisi lainnya, maka pada serat optik gelombang pembawanya tidak merupakan gelombang elektromagnet atau listrik, akan tetapi merupakan sinar/cahaya laser. Sistem telekomunikasi ini sebenarnya sudah diteliti sejak lama, tetapi karena banyaknya kesulitan atau hambatan yang timbul terutama di dalam usaha menghilangkan kotoran dalam pembuatan serat optik. Kotoran di dalam serat optik dapat mengakibatkan rugi-rugi transmisi dan dispersi yang tidak sempurna.

Sebagaimana namanya maka serat optik dibuat dari gelas silika dengan penampang berbentuk lingkaran atau bentuk-bentuk lainnya. Pembuatan serat optik dilakukan dengan cara menarik bahan gelas kental-cair sehingga dapat diperoleh serabut/serat gelas dengan penampang tertentu. Proses ini dikerjakan dalam keadaan bahan gelas yang panas. Yang terpenting dalam pembuatan serat optik adalah menjaga agar perbandingan relatif antara bermacam lapisan tidak berubah sebagai akibat tarikan. Proses pembungkusan seperti pemberian bahan pelindung atau proses pembuatan satu ikat kabel yang terdiri atas beberapa buah hingga ratusan kabel pengerjaannya tidak berbeda dengan pembuatan kabel biasa.

Sistem transmisi serat optik ini dibandingkan dengan teknologi transmisi yang lain mempunyai beberapa kelebihan, antara lain :

1.      Redaman transmisi yang kecil.

Sistem telekomunikasi serat optik mempunyai redaman transmisi per km relatif kecil dibandingkan dengan transmisi lainnya, seperti kabel coaxial ataupun kabel PCM. Ini berarti serat optik sangat sesuai untuk dipergunakan pada telekomunikasi jarak jauh, sebab hanya membutuhkan repeater yang jumlahnya lebih sedikit.

2.      Bidang frekuensi yang lebar

Secara teoritis serat optik dapat dipergunakan dengan kecepatan yang tinggi, hingga mencapai beberapa Gigabit/detik. Dengan demikian sistem ini dapat dipergunakan untuk membawa sinyal informasi dalam jumlah yang besar hanya dalam satu buah serat optik yang halus.

3.      Ukurannya kecil dan ringan

Dengan demikian sangat memudahkan pengangkutan pemasangan di lokasi. Misalnya dapat dipasang dengan kabel lama, tanpa harus membuat lubang polongan yang baru.

4.      Tidak ada interferensi

Hal ini disebabkan sistem transmisi serat optik mempergunakan sinar/cahaya laser sebagai gelombang pembawanya. Sebagai akibatnya akan bebas dari cakap silang (cross talk) yang sering terjadi pada kabel biasa. Atau dengan perkataan lain kualitas transmisi atau telekomunikasi yang dihasilkan lebih baik dibandingkan transmisi dengan kabel. Dengan tidak terjadinya interferensi akan memungkinkan kabel serat optik dipasang pada jaringan tenaga listrik tegangan tinggi (high voltage) tanpa khawatir adanya gangguan yang disebabkan oleh tegangan tinggi.

5.      Kelebihan lain

Bebrapa kelebihan lain dari serat optik yaitu adanya isolasi antara pengirim (transmitter) dan penerimanya (receiver), tidak ada ground loop serta tidak akan terjadi hubungan api pada saat kontak atau terputusnya serat optik. Dengan demikian sangat aman dipasang di tempat-tempat yang mudah terbakar. Seperti pada industri minyak, kimia, dan sebagainya. Kemudian dengan proses penyambungan kabel serat optik yang membutuhkan teknik khusus sehingga keamanan data terjamin.

A. Kabel Serat Optik

1. Struktur Serat Optik

Kabel serat optik berbentuk silinder yang terbuat dari gelas, plastic, atau kombinasi dari gelas dan plastik. Bahan tersebut diolah dengan teknik khusus sehingga dapat dibentuk seperti sebuah pipa berukuran kecil yang dapat memandu gelombang cahaya dari satu sisi ke sisi lainnya.

Secara umum, kabel serat optik terdiri dari dua lapisan, yaitu core dan cladding.

Lapisan core dan cladding memiliki indeks bias yang berbeda, dimana core memiliki indeks bias n dan cladding memiliki indeks bias n. Lapisan core merupakan lapisan untuk memandu atau mentransmisikan gelombang cahaya dari satu sisi ke sisi lainnya. Komposisi core dan cladding dibuat demikian agar sinar yang masuk ke dalam core dapat terpantul-pantul secara sempurna sepanjang perjalanannya. Pantulan sempurna hanya dapat terjadi jika sinar datang dari medium yang lebih rapat ke medium yang kurang rapat dan sinar datang dengan sudut datang yang melebihi sudut kritiknya, Core terbuat dari bahan silika, biasanya diberi doping dengan germanium dioksida atau fosfor pentoksida untuk menaikkan indeks biasnya. Sedangkan cladding juga terbuat dari bahan silika, tanpa atau dengan sedikit doping.

Kabel serat optik memiliki lapisan tambahan yang mengelilingi lapisan cladding yang disebut jacket.Jacket biasanya terdiri dari satu atau lebih lapisan polimer. Fungsi dari lapisan ini adalah untuk melindungi core dan cladding dari tekanan-tekanan yang dapat mempengaruhi fungsi kabel serat optik dalam mentransmisikan gelombang cahaya. Lapisan ini juga melindungi dari abrasi dan kontaminasi. Lapisan jacket tidak memiliki bahan optik yang dapat berpengaruh dalam proses transmisi gelombang cahaya.

2. Prinsip Kerja Transmisi pada Serat Optik

Berlainan dengan telekomunikasi yang mempergunakan gelombang electromagnet, maka pada serat optik gelombang yang bertugas membawa sinyal informasi adalah cahaya.  Pertama-tamasource diubah menjadi sinyal listrik. Kemudian sinyal listrik ini dibawa oleh gelombang pembawa cahaya melalui serat optik dari pengirim (transmitter) menuju alat penerima (receiver) yang terletak pada ujung lainnya dari serat. Modulasi gelombang cahaya ini dapat dilakukan dengan merubah sinyal listrik termodulasi menjadi gelombang cahaya pada transmitter dan kemudian merubahnya kembali menjadi sinyal listrik pada receiver. Pada receiver sinyal listrik dapat dirubah kembali menjadi sinyal yang diinginkan.

Tugas untuk merubah sinyal listrik ke gelombang cahaya atau kebalikannya dapat dilakukan oleh komponen elektronik yang dikenal dengan nama komponen optoelektronic pada setiap ujung serat optik.

Dalam perjalanannya dari transmitter menuju ke receiver akan terjadi redaman cahaya di sepanjang kabel serat optik dan konektor-konektornya (sambungan). Karena itu bila jarak ini terlalu jauh akan diperlukan sebuah atau beberapa repeater yang bertugas untuk memperkuat gelombang cahaya yang telah mengalami redaman.

Sebagaimana prinsip kerja transmisi serat optik yang menggunakan cahaya sebagai  pembawa sinyal, maka prinsip kerja ini berhubungan dengan teori perambatan sinar, termasuk juga tingkah laku sinar dalam pemantulan dan pembiasan. Perambatan cahaya di dalam serat optik terkait dengan indeks bias dielektirk media. Indeks bias media didefinisikan sebagai rasio kecepatan cahaya di dalam hampa terhadap kecepatan cahaya didalam media.

Sinar cahaya merambat lebih lambat di dalam media optik yang rapat dari pada di dalam media yang kurang rapat. Bila sinar datang pada antar muka antara dua dielektrik yang indeks biasnya berbeda (misalnya kaca-udara), maka terjadi pembiasan.

Sinar yang datang merambat pada dielektrik dengan indeks bias n dan pada sudut фterhadap normal. Bila dielektrik pada sisi lain mempunyai indeks bias n yang lebih rendah dari pada n dengan sudut ф terhadap normal, dan ф yang lebih besar dari ф. Hubungan antara sudut datang ф  dan sudut bias ф terhadap indeks bias dielektrik dinyatakan oleh hukum snell : sebagian kecil cahaya dipantulkan kembali (pantulan internal parsial.). Bila n lebih tinggi dari pada n, maka sudut bias selalu lebih besar dari pada susut datang. Bila sudut bias 90°, maka sudut datang harus lebih kecil dari pada 90°. Hal ini adalah kasus batas pembiasan dan sudut datang disebut sudut kritis ф.

Bila sudut datang lebih besar dari pada sudut kritis, maka cahaya dipantulkan kembali ke media dielektrik asal (pantulan internal total) dengan efisiensi tinggi (sekitar 99,9 %).

3.  Jenis-Jenis Serat Optik

Berdasarkan sifat karakteristiknya, jenis serat optik secara garis besar dapat dibagi menjadi 2, yaitu :

1.           Multimode

Pada jenis serat optik ini penjalaran cahaya dari satu ujung ke ujung  lainnya terjadi dengan melalui beberapa lintasan cahaya, karena itu disebut multimode. Diameter inti (core) sesuai dengan rekomendasi dari CCITT G.651 sebesar 50 mikrometer dan dilapisi oleh jaket selubung (cladding) dengan 125 mikrometer.

Sedangkan berdasarkan susunan index biasanya serat optik multimode memiliki dua profil yaitu graded index dan step index. Pada serat graded index, erat optik mempunyai index bias cahaya yang merupakan fungsi dari jarak terhadap sumbu/poros. Dengan demikian cahaya yang menjalar melalui beberapa lintasan pada akhirnya akan sampai pada ujung lainnya pada waktu yang bersamaan.Berlainan dengan graded index, maka pada serat optik step index (mempunyai index bias cahaya sama) sinar yang menjalar pada sumbu akan sampai pada ujung lainnya dahulu (dispersi). Hal ini dapat terjadi karena lintasan yang melelui poros lebih pendek dibandingkan sinar yang mengalami pemantulan pada dinding serat optik. Sebagai hasilnya terjadi pelebaran pulsa atau dengan kata lain mengurangi lebar bidang frekuensi. Oleh karena itu secara praktis hanya serat optik graded index sajalah yang dipergunakan sebagai saluran transmisi serat optik multimode.

2.            Single Mode

Serat optik single mode/monomode mempunyai diameter inti (core) yang sangat kecil 3-10 mikrometer, sehingga hanya satu berkas cahaya saja yang dapat melaluinya. Oleh karena hanya satu berkas cahaya maka tidak ada pengaruh index    bias terhadap perjalanan cahaya atau pengaruh perbedaan waktu sampainya cahaya dari ujung satu sampai ke ujung yang lainnya (tidak terjadi dispersi).

Dengan demikian serat optik singlemode sering dipergunakan pada sistem transmisi serat optik jarak jauh atau luar kota (long haul transmission sistem). Sedangkan graded index dipergunakan untuk jaringan telekomunikasi lokal (localnetwork).

B. Sumber Cahaya

Sumber cahaya untuk serat optik bekerja sebagai pemancar cahaya yang memberi informasi. Sumber tersebut harus memenuhi beberapa persyaratan yang diperlukan. Pertama, cahaya yang dihasilkan harus bersifat monokromatis (berfrekuensi tunggal). Kedua, sumber tersebut harus mempunyai keluaran cahaya yang berintensitas tinggi, sehingga mampu mengatasi rugi-rugi yang dijumpai pada transmisi di sepanjang serat. Ketiga ,sumber cahaya harus mudah dimodulasi oleh isyarat informasi. Yang terakhir, sumber cahaya harus berukuran kecil, ringkas, dan mudah dihubungkan dengan serat, sehingga tidak mengakibatkan rugi-rugi sambungan yang besar.

Sumber cahaya yang biasa digunakan pada komunikasi serat optik sampai saat ini ada dua macam yaitu Light Emitting Diode (LED) atau Diode dan Pancar Cahaya Injection Laser Diode (ILD) atau Diode Laser Injeksi.

Intensitas cahaya yang dihasilkan LED adalah rendah, sehingga biasanya hanya digunakan untuk sistem serat optik jarak pendek, misalnya pada pesawat terbang, gedung-gedung, dan sebagainya. Laser dapat menghasilkan cahaya dengan intensitas tinggi dan koheren sehingga sesuai untuk digunakan pada sistem komunikasi jarak jauh.

LED adalah suatu semikonduktor sambungan p-n yang memancarkan cahaya apabila diberi panjar maju.Pada LED ada dua macam sambungan yaitu Homojunction (sambungan sejenis) danHeterojunction (sambungan lain jenis).Diode homojunction adalah diode dengan sambungan p-n berbahan semikonduktor sejenis. Cahaya yang dihasilkan LED ini bersifat menyebar sehingga membuat penyaluran cahaya ke serat optik yang berukuran kecil tidak efisien. Sebaliknya pada diode heterojunction .Bahan penyusunnya memiliki tenaga celah bidang dan indeks bias yang berlainan. Ini menyebabkan diode heterojunction memiliki pancaran yang lebih kecil daripada diode homojunction.Sebagai contoh diode heterojunction jenis pancar tepi,pancaran diode ini berbentuk segi empat dan mempunyai pancaran yang sangat kecil sehingga cocok digunakan untuk serat optik dengan ukuran kecil.LED sangat handal dan awet bila dioperasikan dalam batas batas daya , tegangan, arus, dan suhu yang telah ditentukan oleh pabriknya.

Diode laser injeksi adalah sumber gelombang elektromagnetikkoheren yang memancarkan gelombang pada frekuensi infra merah dan cahaya tampak. Koheren dalam hal ini adalah berfrekuensi tunggal, sefase, terarah dan terpolarisasi. Dewasa ini dikenal beberapa macam laser, antara lain: laser gas, laser zat padat dan laser semi konduktor. Jenis laser semikonduktor    adalah yang paling cocok digunakan dengan serat optik karena ukurannya kecil, aras tegangannya rendah dan harganya lebih murah. Laser semikonduktor yang banyak digunakan dalam serat optik  adalah diode laser injeksi (ILD, Injection Laser Diode), yang selanjutnya dinamakan laser injeksi.

Diode laser injeksi mempunyai kelebihan dibandingkan dengan LED, antara lain:

1.            Daya keluaran diode laser injeksi lebih tinggi sehingga cocok untuk komunikasi

jarak jauh.

2.            Efisiensi kopling diode laser injeksi lebih besar sehingga kebutuhan pengulang

untuk komunikasi jarak jauh lebih sedikit.

3.      Tanggapan waktunya lebih cepat sehingga pesat modulasinya lebih tinggi.

4.      Lebar  bidang cahaya keluaran sangat sempit sehingga cahayanya lebih koheren

C.  Detektor Cahaya

Prinsip kerja detektor cahaya adalah mendeteksi gelombang cahaya yang datang dan mengubahnya menjadi isyarat listrik yang berisi isyarat infomasi yang dikirim. Arus listrik tersebut kemudian diperkuat untuk selanjutnya diolah sehingga diperoleh kembali isyarat informasi yang dikirimkan.

Ada dua mekanisme pendeteksiaan cahaya, yaitu:

1. Efek fotoelektrik luar (external photoelectric effect).

Pada efek fotoelektrik luar, elektron dibebaskan dari permukaan suatu logam pada saat menyerap tenaga dari aliran foton yang datang. Piranti yang bekerja dengan prinsip ini antara lain: fotodiode hampa dan tabung photomultiplier.

2. Efek fotoelektrik dalam (internal photoelectric effect).

Pada efek fotoelektrik dalam, pembawa muatan  bebas, baik elektron maupun lubang diperoleh pada saat penyerapan foton yang datang. Piranti yang menggunakan  prinsip ini adalah piranti sambungan semikonduktor, seperti: fotodiode P-N, fotodiode PIN(Positive Intricsic Negative) dan foto diode guguran.

Piranti fotodetektor yang umum digunakan dalam komunikasi serat optik adalah fotodiode PIN dan APD.

Fotodiode PIN adalah piranti fotodetektor yang mempunyai lapisan semikonduktor intrinsik di antara  bagian P dan N.

Fotodiode APD adalah detektor sambungan semikonduktor yang memiliki perolehan dalam (internal gain). Dengan adanya perolehan dalam ini maka APD memiliki ketanggapan yang lebih baik dari fotodiode PIN. Pada penerima yang memakai fotodiode APD ini memerlukan  untai kompensasi suhu bila beroperasi pada rentang suhu yang lebar.

          Sumber : http://elektro63.blogspot.com