Sejarah Serat Optik

Sejarah Sistem transmisi optik telah ada sejak awal sejarah seperti smoke signals,light houses dan mirror, tetapi media transmisinya mudah terpengaruh oleh kabut, hujan, dan waktu malam hari dan sumber cahaya dan detektor lambat. Sistem transmisi cahaya modern pertama kali ditemukan oleh fisikawan inggris John Tyndall pada tahun 1870 bahwa cahaya mengikuti sifat dari air dalam wadah. Pada tahun 1880 Alexander Graham Bell membuat telepon optik yang menggunakan sinar matahari yang dimodulasikan oleh pantulan diaphragm untuk mentransmisikan suara ke penerima sejauh 200m.

Telepon optik Alexander Graham Bell

Bell photo phone Awal abad ke 20 beberapa penelitian dari sensitivitas cahaya dilakuakan dan tidak sampai tahun 1950 fibre optik telah ditemukan. Lompatan besar datang saat ditemukannya ”ruby laser” pada tahun 1962, alat ini menghasilkan cahaya yang sangat kuat dari sumber dan dapat dimodulasikan pada frekuensi tinggi. Pada awalnya laser digunakan untuk transmisi di ruang angkasa, tapi banyak perusahaan melakukan penelitian menjadikan kaca sebagai media pembawa dielektrik dari sumber laser. Hasil test pada awlanya tidak begitu menjanjikan, hasil test terbaik didapatkan dengan menggunakan optical wave guide yang atenuasinya 1000 dB/km, dibandingkan dengan koaksial kabek yang hanya 5 dB/km. Tahun 1968 laboratorium tes standar telepon dan kabel di inggris menghasilkan kaca silika baru yang mempunyai loss transmisi sebesar 20 dB/km. Laboratorium corning glass work dan bell telepon di amerika dan perusahaan nippon sheer glass di jepang dan perusahaan besar eropa telah berhasil menghasilkan kaca silika murnidengan faktor loss 1-2 dB/km. Bersamaan dengan perkembangan kabel fiber optik, perusahaan besar mulai mengembangkan loss konektor rendah dan komponen optik lainnya seperti test system, semiconductor light cources misal Light Emitting Diode (LED) dan Injection

Laser (IL) dan gas laser. Bentuk sumber cahaya baru yaitu photo diode, avalanche photo diodes (APD) dan p-intrinsic-n (PIN) diode

Jaringan fiber optik Banyak komponen yang dibuat dalam sistem komunikasi fiber optik modern

Komponen dalam sistem komunikasi fiber optik Optical Transmitter Light Emitting Diode (LED), Laser Diode (LD), Injection Laser (IL), laser Optical Receiver APD (Avalnche Photo Diode), PIN-diode (P intrinsic N Diode) Fiber Optik cable Step atau Graded Index, single atau multi node glass, Plastic Clad Silika, plastik Connector SC, DIN, ST (Straight Tail), SMA, FOC (Fibre Optik Connector), Bionic Sambungan Mekanik, Thermal, perekat Accecories T_connector, star connector, through connector, copling Pigtail Sepanjang kabel fiber optik dengan satu konektor pada salah satu ujung dan ujung lainnya tersambung Patchcord Sepanjang kabel fiber optik dengan konektor pada tiap ujungnya Coupler and Branches Alat untuk mencabangkan cahaya kedalam dua jalur atau lebih, wavelength multiplexer.

Fiber optik Seiring kemajuan teknologi permintaan untuk mentransmisikan data yang besar pada jarak yang sangat jauh meningkat. Istilah dalam telekomunikasi

o Jarak dalam kilometer o Date rate dinyatakan dalam megabits per second (Mbps) o Bandwith dinyatakan dengan Megahertz (MHz) Perbedaan kapasitas transmisi fiber optik dengan media transmisi lainnya o Kabel UTP 1 MHz/km (1 Mbps/km) o Kabel koaksial dan STP 100 Mhz/km (100 Mbps / km) o Single mode fiber optik 100 GHz / km (100 Gbps / km) o Fiber optik dapat metransmisikan banyak data dalam jarak yang sangat jauh

Grafik perbandingan antara data bit dan jarak Fiber optik banyak digunakan dalam transmisi data, remote control, tegangan tinggi, proses kimia, sistem penjagaan, sistem keamaan tinggi, sistem penerbangan dan teknologi luar angkasa. Aplikasi penggunaan fiber optik tidak tergantikan oleh media transmisi lainnya. Karena dapat mengirimkan data dengan bandwith yang sanagt besar dan mempunyai beberapa kelebihan: o o o o o o o o o o

Kabel kecil dan mempunyai kapasitas yang sangat besar Ringan dan fleksibel (tak terbatas) Tidak ada pengaruh elektrik Mempunyai jarak yang sangat panjang Keamanan tinggi Dapat diperbarui di dalam kabel itu sendiri, membawa tegangan sendiri Aman dari ledakan Kebal terhadap Electro-Mechanical Interference Tidak ada crosstalk Tidak ada noise

Hal tersebut membuat fiber optik sangat ideal dipasang pada sistem kereta api, kapal dan pesawat terbang, tidak semua aspek dari fiber optik positive o Biaya lebih mahal dibandingkan dengan kabel tembaga o Lemah, mudah terkena kerusakan akibat tekanan o Membutuhkan peralatan spesial

Struktur kabel menurut standar ISO Kaca silica yang merupakan pembungkus serat optik secara teori mempunyai kekuatan sebesar 14 kN/mm. Dalam prakteknya kekuatannya 7 kN/mm tergantung cacat permukaan. Dibawah ini beberapa tipe fiber optik yang digunakan dalam aplikasi o Sisitem telekomunikasi biasa grade index fiber 50 atau 62.5 µm untuk inti/ 125 µm tebal untuk tebal o Industri graded index fiber 100/ 140 µmdan 200 / 240 µm o Bandwith tinggi jarak jauh single-mode fiber 8-12 / 125 µm

Susunan fiber optik

Struktur komplet fiber optik terdiri dari inti/pembungkus inti (cladding)/lapisan luar (primari coating) kabel. Inti terbuat dari kaca, cladding juga terbuat dati kaca tetapi dari bahan yang berbeda berfungsi sebagai wave gauide untuk menjaga serat optik tetap di inti. Primary coating sebagai pelindung dari sinyal dati luar khususnya UV yang dapat menyebabkan interferensi serat optik. Terdapat 2 tipe struktur kabel 1) tight-jacket kabel lapisan plastik

dibungkaus

2a) loose tube dimana fiber terletak bebas di dalam lapisan

2b) loose tube dengan lapisan jely di antara intinya untuk menghindari kemasukan air Struktur kabel tipe tight-jacket sebagai berikut

Untuk tipe loose tube

Beberpa element dikombinasikan untuk menghasilkan multiplekabel fiber

Konstruksi kabel fiber optik

Identifikasi fiber Fiber optik di beri wrna sesuai dengan standar DIN 47002 dan VDE 088 part 3, tabel dibawah menunjukkan pengkodean standar Nomor fiber 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Warna Merah Hijau Biru Kuning Putih Merah-hitam Hijau-hitam Biru-hitam Kuning-hitam Putih-hitam

Jenis-jenis fiber Terdapat tiga jenis kabel fiber optik yang berbeda yang sering digunakan Multi mode step index Multi mode grade index Single mode step index

Jenis-jenis fiber Step-index fiber mempunyai “abrupt step” pad permukaan antara core dan cladding. Pada multi-mode fiber, sinra masuk dalam inti dan dipantulkan ketika sinar menabrak cladding, pada single-mode wave-guide menjaga agar cahaya tetap di inti. Graded-index fiber terdpat lapisan pada inti kacanya sehingga index sinar yang merambat tidak menabrak lapisan cladding. Sinar yang masuk dalam inti tidak dipantulkan sepanjang melewati inti tersebut. Cahaya meramba lurus membentuk ”envelope” dengan kombinasi interval biasa. Kecepatan perambatannya ditentukan oleh kerapatan index n1. Transmisi fiber optik menggunakan caharya spesifik dengan parameter o Elektromagnetic spektrum o Index refractive o Pantulan o Pembiasan o Jumlah pantulan (jumlah total pantulan internal) Sama seperti media transmisi lainnya fiber optik mempunyai efek dalam performanya antara lain o Fresnel reflection o Rayleigh scattering o Modal dan material dispersion o Atenuasi o Micro-bending, tekanan, o Kesalahan pemasangan

Perambatan cahaya bergantung pada o Inti mempunyai index refractive ”n” yang lebih tinggi dari cladding o Kemurnian inti semakin murni inti semakin kecil lossnya o Propagasi sinar dalam inti Atenusi pada fiber optik bergantung pada o Rayleigh scattering o Suhu o Penyerapan infrared pada panjang gelombang tinggi o Fresnel loss Media transmisi fiber optik mempunyai karakteristik o Numerical aperture, NA (0 ≤ NA ≤ 1) o Atenuasi, A (dB / km) o Dispersi, Ψ (ns / km)

Spektrum elektromagnet Spektrum elektromagnet mempunyai rentang frekuensi yang tak terbatas. Rentang frekuensi kebanyakan mulai dari 10 Hz sampai 1024 Hz. Semua gelombang elektromagnet merambat dengan kecepatan 300 X 106 per detik.

Spektrum elektromagnetik

Pemancar dan penerima optik Pemancar merubah sinyal elektrik menjadi sinyal cahaya. Perubahan intensitas pada sinyal cahaya dilakukan dengan modulasi analog. Sedangkan modulasi digital menghasilkan pulsa cahaya Penerima merubah kembali sinyal cahaya menjadi sinyal elektrik.

Pemancar dan penerima optik

Pemancar optik Laser Diode (LD) dan Light Emiting Diode dapat dikonversi dari sinyal listrik menjadi sinyal cahaya (electro-optical conversion). Keduanya merupakan osilator frekuensi tinggi ( ≈ 106 GHz ) dan berfungsi sebagai noise generator dengan spectral bandwith tinggi.

Pemancar optik Laser diode mempunyai bandwith sebesar 1000 GHz ( ∆λ ≈ 2nm ), LED mempunyai bandwith sebesar 10.000 GHz ( ∆λ ≈ 2nm )

Baik LD maupun LED mempunyai atenuasi rendah pada serat optik. Lebar spectral ∆λ akan sekecil mungkin sedangkan modulasi rengenya ∆f akan menjaci sebesar mungkin. Pada 3 dB insertion loss dari laser diode hanya 50% dari kekuatan cahaya yang ditembakkan dalam serat optik, pada 15-20 Db insertion loss dari LED berkurang hanya beberapa persen saja

Coupling LED dan LD Penerima Optik Dua jenis penerima semi konduktor digunakan dalam sisitem komunikasi serat optik PIN (P-Intrinsik-N) APD ( Avalanche Photo Diode) Seperti halnya pemancar optik, penerima optik juga terdiri dari bahan semi konduktor. Dikombinasikan dengan pemancar Gallium Arsenide (GaAS), serat silika quartz dan (SiO2) dan silika (Si) receiver PIN Diode Di dalam PIN diode, serat optik ditempatkan sedemikian sehingga cahaya yang diterima jatuh pada suatu lapisan intrinsic dari material semi konduktor yang diletakkan antara lapisan tipe n dan tipe p. Diode junction yang dibentuk oleh lapisanlapisan ini dibias mundur (reserve-bias) dan jumlah arus yang mengalir melalui junction tersebut ditentukan oleh intesitas cahaya (jumlah photon) yang masuk dalam lapisan intrinsik. Variasi arus yang mengalir melalui diode PIN sebagai hasil dari variasi intensitas sinyal optik yang diterima adalah sangat kecil sehingga memerlukan penguatan

Struktur dan Prinsip PIN

Avalanche Photo Diode Mempunyai konstruksi yang mirip dan beroperasi dengan cara yang sama dengan diode PIN. Akan tetapi APD tidak memerlukan penguat efek medan di dalam modul penerima. Internal gain yang membuat APD lebih sensitif, diperoleh melalui penggunaan tegangan bias mundur yang tinggi pada diode junctionnya. Hal ini menghasilkan suatu medan listrik yang tinggi pada lapisan instrinsik diode. Pada saat suatu elektron dilepas karena adanya suatu photon yang masuk ke lapisan intrinsik, medan listrik akan memyebabkan elektron tersebut bergerak sepanjang lapisan pada kecepatan yang tinggi dan bertubrukan dengan molekul-molekul lain sehinggga melepaskan lebih banyak elektron-elektron yang selanjutnya akan bergerak sepanjang lapisan dengan kecepatan tinggi. Proses ini dinmakan avalanche breakdown. Keuntungan penggunaan avalanche breakdown ini adalah peningkatan sensitivitas dibandingkan dengan diode PIN.

Struktur dan Prinsip APD Komponen receiver Komponen receiver dibagi menjadi 3 o Front End o Linear Channel o Data Recovery Front End Terdiri dari: Photodiode : untuk mengubah sinyal optik menjadi elektrik Preamplifier : untuk menguatkan sinyal untuk proses selanjutnya Linear channel Terdiri dari Main Amplifier : dikontrol secara otomatis untuk membatasi tegangan output

Low Pass Filter : untuk membentuk pulsa tegangan yang berguna mengurangi noise Data Recovery Terdiri dari: Sirkit Decision :untuk membandingkan output dari linear channel terhadap level threshold dan memutuskan apakah sinyal tersebut berupa bit “1” atau bit “0” Sirkit Clock Recovery : mensikronkan proses keputusan