Sistem Komunikasi Serat/ Fiber Optik

 

Sistem Komunikasi Serat/ Fiber Optik

Perkembangan teknologi telekomunikasi memungkinkan penyediaan sarana telekomunikasi dalam biaya relatif rendah, mutu pelayanan tinggi, cepat, aman, dan juga kapasitas besar dalam menyalurkan informasi. Seiring dengan perkembangan telekomunikasi yang cepat maka kemampuan sistem transmisi dengan menggunakan teknologi serat optik semakin dikembangkan, sehingga dapat menggeser penggunaan sistem transmisi konvensional dimasa mendatang, terutama untuk transmisi jarak jauh.
Dampak dari perkembangann teknologi ini adalah perubahan jaringan analog menjadi jaringan digital baik dalam sistem switching maupun dalam sistem transmisinya. Hal ini akan meningkatkan kualitas dan kuantitas informasi yang dikirim, serta biaya operasi dan pemeliharaan lebih ekonomis. Sebagai sarana transmisi dalam jaringan digital, serat optik berperan sebagai pemandu gelombang cahaya. Serat optik dari bahan gelas atau silika dengan ukuran kecil dan sangat ringan dapat mengirimkan informasi dalam jumlah besar dengan rugi-rugi relatif rendah.
Dalam sistem komunikasi serat optik, informasi diubah menjadi sinyal optik (cahaya) dengan menggunakan sumber cahaya LED atau Diode Laser. Kemudian dengan dasar hukum pemantulan sempurna, sinyal optik yang berisi informasi dilewatkan sepanjang serat sampai pada penerima, selanjutnya detektor optik akan mengubah sinyal optik tersebut menjadi sinyal listrik kembali.

 

Prinsip Dasar Sistem Komunikasi Serat Optik

1. Driver
Berfungsi mengendalikan sumber optik berdasarkan sinyal elektrik yang diterima dan mengubah sinyal elektrik menjadi sinyal optik.
2. Sumber Optik (Cahaya)
Dapat menggunakan LED atau LASER. LED merupakan perangkat yang memancarkan cahaya dengan arah menyebar. Pada umumnya digunakan untuk serat optik multimode step indeks. LASER dapat memancarkan cahaya dengan daya 10-100 kali lebih besar dibandingkan dengan LED. Pada umumnya digunakan untuk serat optik singlemode step indeks. Untuk transmisi jarak jauh, penggunaan LASER sebagai sumber cahaya lebih menguntungkan dibandingkan menggunakan LED.
3. Detektor Optik
Berfungsi untuk mengubah kembali sinyal optik menjadi sinyal elektrik. Detektor optik dapat menghasilkan gelombang sesuai aslinya, dengan meminimalisasi losses yang timbul selama perambatan, sehingga dapat juga menghasilkan sinyal elektrik yang maksimum dengan daya optik yang kecil.
Detektor optik yang sering digunakan ada 2, yaitu :
a. Detektor Optik PIN (Positive Intrinsic Negative) Photodiode
Diode PIN adalah sebuah semikonduktor dengan bagian yang didop P, sebuah intrinsik dan bagian yang didop N,sehingga sebagai berikut apat menimbulkan satu pasang elektron tunggal yang diabsorbsi
Detektor ini bekerja menurut fungsi modulasi arus oleh cahaya yang diserap, dimana daya optik yang masuk selama sebuah pulsa da[pat dianggap sebagai penerimaan dari sejumlah foton yang masin-masing mempunyai energi sebesar :

dimana : H = konstanta Planck (6,0625. 10-34)
V = kecepatan Foton (C/?)
E = energi Foton
b. Detektor Optik APD (Avalanche Photodiode)
Dapat menghasilkan lebih dari satu pasang elektron tunggal melalui ionisasi. APD biasa digunakan untuk sistem yang memerlukan sensitifitas tinggi, sedangkan PIN digunakan untuk sistem yang memerlukan sensitifitas rendah.
4. Rangkaian Penguat
Berfungsi untuk menguatkan sinyal elektrik sesuai dengan sinyal elektrik yang ditransmisikan.

SEJARAH DAN PERKEMBANGAN TEKNOLOGI SERAT OPTIK
Dari teori telekomunikasi diketahui bahwa dengan menggunakan frekuensi yang lebih tinggi akan didapat lebar band yang lebih besar sehingga kapasitas penyaluran akan lebih besar pula. Berdasarkan teori ini dilakukan penelitian penggunaan cahaya untuk komunikasi.

a. Pada tahun 1960, Maiman dari Hunges Airecraft menemukan LASER (Light Amplication by Stimulated Emission of Radiotion), kemudian timbul pemikiran untuk menggunakan cahaya sebagai alat komunikasi.
b. Sinar LASER karena karakteristiknya, dapat diperlukan sama dengan seperti gelombang elektromagnetik dan cukup baik digunakan untuk menyalurkan informasi.
c. Laser pertama kali dicoba sebagai alat komunikasi dengan cara memancarkan sinar tersebut ke udara, namun percobaan ini gagal karena banyaknya gangguan seperti hujan, angin, salju, dan lain-lain sehingga percobaan serupa tidak pernah dilakukan lagi.
d. Percobaan selanjutnya dilakukan dengan memancarkan sinar Laser ke dalam BEAM GUIDE (pipa) yang didalamnya dipasang lensa pada jarak tertentu, lensa tersebut berfungsi untuk memfokuskan sinar Laser yang datang.
Dari hasil percobaan ini ternyata, rugi-rugi transmisi seperti pada butir [c] diatas dapat diperkecil, namun akurasi letak lensa sepanjang BEAM GUIDE harus dijaga tetap, karena bila ada perubahan atau pergeseran letak lensa (akibat benturan atau goncangan) akan mengganggu perambatan sinar Laser tersebut.
Komunikasi dengan cara ini, tidak dipergunakan lagi karena tidak praktis serta membutuhkan biaya mahal.
e. Dari bermacam-macam jenis Laser (Laser solid, liquid dan semikoduktor) maka jenis Laser semikonduktor yang terbaik, meskipun umur operasionalnya pendek.
f. Pada tahun 1966, DR KAO melakukan percobaan dengan merambatkan sinar Laser ke dalam Transparan Fiber. Namun cara tersebut hanya berhasil untuk jarak relatif pendek. Hal tersebut disebabkan karena kurang sempurna proses pembuatan Transparan Fiber, sehingga timbul rugi-rugi bahan yang dapat menghambat proses perambatan cahaya didalamnya.
g. Pada tahun 1970, pabrik gelas Cording di Amerika Serikat berhasil membuat fiber dengan bahan dasar silica yang mempunyai rugi-rugi bahan relatif kecil (± 20 dB/km), sehingga sangat baik digunakan untuk komunikasi cahaya.
h. Bersamaan waktu dengan ditemukan silica sebagai bahan dasar fiber, umur operasional Laser semikonduktorpun berhasil ditingkatkan menjadi 10.000 jam (oleh Hayashi dan Panish).
i. Selain Laser semikonduktor, dikembangkan sumber optik lainnya yang dinamakan LED. Sama halnya dengan Laser dapat memancarkan cahaya dengan baik, namun karena tidak adanya umpan balik pada cahaya yang dipancarkannya atau dimasukkan pada fiber, maka LED menghasilkan cahaya yang tidak koheren.
Sinar LED dapat memancarkan dalam beberapa mode yang berbeda sehingga hanya sesuai untuk serat optik multimode dengan diameter besar.
j. Pada sisi penerima (Detektor), Johnson menemukan Photo Diode yang dapat menguatkan sinyal datang dan Avalanche Photo Diode (APD) sampai saat ini masih merupakan Detektor optik yang diunggulkan.
k. Pada tahun 1976, dilakukan uji coba penggunaan kabel optik untuk jaringan penghubung (junction) ternyata hasilnya cukup baik, sehingga pada tahun-tahun berikutnya penggunaannya mulai dipromosikan secara meluas.
l. Pada tahun 1980, Amerika dan Spanyol telah menggunakan kabel optik sebagai sarana telekomunikasi pedesaan (Rural Telecommunication).
m. Pada tahun 1983, setelah serat optik dikembangkan dan diproduksi oleh banyak negara dan penggunaannya secara luas mulai dilakukan, Jepang dan Amerika bekerja sama membangun sistem transmisi yang menghubungkan Jepang-Hawaii (sepanjang 7000 km) dengan menggunakan kabel optik.
n. Indonesia sendiri sejak tahun 1986 telah menggunakan kabel serat optik sebagai jaringan penghubung antar sentral lokal di wilayah Daerah Khusus Ibukota Jakarta, sedang yang terjauh adalah pembangunan kabel opitk Jakarta- Surabaya oleh NKF.
o. Pada tahun 1996 dimulai penggunaan secara massal tipe serat optik single mode di Indonesia oleh PT Telkom dan Indosat. Untuk menggantikan Tipe Multimode, karena pertimbangan redaman pada tipe singlemode lebih kecil daripada tipe multimode.
Pada tahun 1999 di Indonesia dibangun Sistem Komunikasi Kabel Laut (SKKL) yang menghubungkan Surabaya – Banjarmasin, Surabaya – Makassar, Banjarmasin – Makassar menggunakan topologi SDH.

KARAKTERISTUK SERAT OPTIK
a. Ukuran kecil
Diameter luar serat optik berkisar antara 100-250 µm. Diameter maksimum setelah dilapisi/dibungkus dengan plastick/nilon sebagai jaket menjadi ± 1 mm. Ukuran ini masih sangat kecil dibandingkan dengan konduktor kabel coaxial (1- 10 mm).
b. Ringan
Dibandingkan dengan kabel transmisi biasa (Spesifigravity 9.8) maka specifigravity bahan silica sebagai serat optik yaitu 2.2, sehingga beratnya menjadi 1/2 – 1/3 berat kabel transmisi biasa.
c. Lentur
Pada umumnya serat optik tidak akan patah bila dilengkungkan dengan radius 5mm. Oleh karenanya kabel serat optik mempunyai kelenturan yang sama dengan kabel transmisi biasa, sehingga teknis pemasangannya tidak jauh berbeda dengan teknik pemasangan kabel biasa.
d. Tidak berkarat
Bahan silica sebagai bahan dasar serat optik mempunyai sifat kimia yang sangat stabil oleh karenanya tidak mungkin berkarat.
e. Rugi-rugi rendah
Serat optik dengan bahan silica mempunyai rugi-rugi transmisi rendah, besarnya berkisar 2-8 dB/km dengan panjang gelombang 830 nm. Dibandingkan dengan kabel coaksial yang mempunyai rugi-rugi transmisi sebesar 19 dB/km pada frekuensi 60 Mhz.
f. Kapasitas tinggi
Kapasitas dalam menyalurkan informasi per cross section area sangat besar disamping mempunyai bandwidth yang lebar (Broadband). Sebagai contoh : Kapasitas penyaluran per cross section area 100 x dibandngkan dengan multi pair cable dan 10 x dibandingkan dengan coaxial cable.
g. Bebas induksi
Serat optik menggunakan bahan dasar silica yang pada dasarnya merupakan bahan dielektrik yang sangat baik dan kebal terhadap induksi elektromagnet dan juga terhadap kilat/petir.
h. Cross Talk rendah
Kemungkinan terjadinya kebocoran sinar antar serat optik sangat kecil, demikian pula kebocoran akibat masuknya sinar dari luar kemudian ikut merambat dalam serat optik.
i. Tahan temperatur tinggi
Bahan silica mempuyai titik leleh ± 1900º C dan ini sangat jauh diatas titik leleh capper dan plastik. Sangat ideal bila dipergunakakn sebagai sarana komunikasi pada daerah yang rawan terhadap tenperatur tinggi.
j. Tidak menimbulkan bunga api
Pada titik sambung tidak mungkin terjadi bunga api (discharge), oleh karenanya sangat ideal bila digunakan pada tempat-tempat yang peka terhadap ledakan/kebakaran.
k. Tidak dapat dicabangkan
Serat optik mempunyai ukuran sangat kecil/sangat tipis. Oleh karenanya sangat sulit bahkan tidak mungkin untuk dicabangkan. Bila harus dicabangkan maka harus dilakukan perubahan terlebih dahulu dari sinyal optik ke sinyal elektrik.
l. Tidak menggunakan bahan tembaga
Serat optik menggunakan bahan silica yang tidak mengandung unsur logam bahkan serat optik yang menggunakan Multicomponent Glass, unsur campuran logam (copper) sangat kecil. Tembaga hanya digunakan sebagai pelapis pelidung pada kabel fiber optik untuk komunikasi kabel laut dan sebagai lewatnya arus DC untuk mencatu tegangan pada repeater-repeater di bawah laut.
m. Rapuh
Meskipun rapuh, namun masih mempunyai daya peregangan kurang lebih sebesar 5% untuk menghindarkan kerusakan serat optik pada waktu pemasangan/penarikan, maka pada waktu disusun menjadi kabel optik diberi penguat.

STRUKTUR DASAR SERAT OPTIK
Struktur dasar dari serat optik sebenarnya tersusun atas coating, cladding dan core. Namun demi alasan keamanan maka ditambahkan pengaman setelah lapisan coating. Lapisan tersebut bisa berupa plastik, seng, atau anyaman kawat besi tergantung pada kondisi kabel optik ditempatkan. Berikut adalah gambar susunan dari fiber optik.

Struktur dasar serat optik

> Core ( Inti )
Core berfungsi untuk menentukan cahaya merambat dari satu ujung ke ujung lainnya. Core terbuat dari bahan kuarsa dengan kualitas sangat tinggi. Ada juga yang terbuat dari hasil campuran silica dan glass. Sebagai inti, core juga tempat merambatnya cahaya pada serat optik. Memiliki diameter 10 µm – 50 µm. Ukuran core mempengaruhi karakteristik dari serat optik.

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

> Coating ( Jaket )
Coating berfungsi sebagai pelindung mekanis pada serat optik dan identitas kode warna. Terbuat dari bahan plastic. Berfungsi untuk melindungi serat optik dari kerusakan.

HUKUM DASAR SERAT OPTIK
Sistem komunikasi serat optik terkait dengan perambatan energi cahaya pada serat optik. Cara serat optik melewatkan cahaya bergantung dari sifat cahaya dan struktur serat optik yang dilewati.Dari sudut pandang telekomunikasi, cahaya adalah suatu bentuk energi yang merambat dalam bentuk gelombang. Itulah sebabnya, serat optik juga disebut optical waveguide, karena berfungsi sebagai pembimbing gelombang cahaya.
Parameter cahaya dari sustu material yang perlu diketahui adalah index of refraction atau index bias. Bila gelombang cahaya merambat dalam ruang hampa maka kecepatannya adalah c = 3×108 m/s. Bila gelombang cahaya merambat melalui material, tidak dalam ruang hampa, maka kecepatannya akan lebih kecil dibandingkan dalam ruang hampa, yaitu sebesar :
v=c/n atau n=c/v
dimana n = index of refraction atau index bias
v = kecepatan cahaya dalam material
Cahaya merambat dalam dua medium berbeda dengan tiga cara yaitu merambat lurus, dibiaskan dan dipantulkan. Saat cahaya melintasi dua media yang berbeda, ada bagian cahaya yang dipantulkan kembali ke medium pertama dan sebagian lainnya dibiaskan.

JENIS-JENIS SERAT OPTIK
Serat optik terdiri dari beberapa jenis, yaitu :
1. Multimode Step Index
Pada jenis multimode step index ini, diameter core lebih besar dari diameter cladding. Dampak dari besarnya diameter core menyebakan rugi-rugi dispersi waktu transmitnya besar. Penambahan prosentase bahan silica pada waktu pembuatan. Tidak terlalu berpengaruh dalam menekan rugi-rugi dispersi waktu transmit. Berikut adalah gambar dari perambatan gelombang dalam serat optik multimode step index.

Perambatan Gelombang pada Multimode Step Index

Jenis serat optik ini mempunyai perubahan index bias yang mendadak seperti ditunjukkan oleh gambar berikut.

Index bias dari multimode step index

Multimode Step Index mempunyai karakteristik sebagai berikut :
• Indeks bias core konstan.
• Ukuran core besar (50mm) dan dilapisi cladding yang sangat tipis.
• Penyambungan kabel lebih mudah karena memiliki core yang besar.
• Sering terjadi dispersi.
• Hanya digunakan untuk jarak pendek dan transmisi data bit rate rendah.

2. Multimode Graded Index
Pada jenis serat optik multimode graded index ini. Core terdiri dari sejumlah lapisan gelas yang memiliki indeks bias yang berbeda, indeks bias tertinggi terdapat pada pusat core dan berangsur-angsur turun sampai ke batas core-cladding. Akibatnya dispersi waktu berbagai mode cahaya yang merambat berkurang sehingga cahaya akan tiba pada waktu yang bersamaaan. Berikut adalah gambar perambatan gelombang dalam multimode graded index.

 

Perambatan Gelombang pada Multimode Graded Index

Index bias yang berubah secara perlahan ditunjukkan pada gambar berikut.

 

Perubahan index bias pada multimode graded index

Multimode Graded Index mempunyai karakteristik sebagai berikut :
• Cahaya merambat karena difraksi yang terjadi pada core sehingga rambatan cahaya sejajar dengan sumbu serat.
• Dispersi minimum sehingga baik jika digunakan untuk jarak menengah
• Ukuran diameter core antara 30 µm – 60 µm. lebih kecil dari multimode step Index dan dibuat dari bahan silica glass.
• Harganya lebih mahal dari serat optik Multimode Step Index karena proses pembuatannya lebih sulit.

3. Single mode Step Index

Pada jenis single mode step index. Baik core maupun claddingnya dibuat dari bahan silica glass. Ukuran core yang jauh lebih kecil dari cladding dibuat demikian agar rugi-rugi transmisi berkurang akibat fading. Seperti ditunjukan gambar berikut.

Perambatan Gelombang pada Singlemode Step Index

Pada single mode step index ini. Index biasnya berubah secara mendadak seperti pada multimode step index. Seperti ditunjukan gambar berikut.

Index bias untuk single mode step index

Singlemode Step Index mempunyai karakteristik sebagai berikut :
• Serat optik Singlemode Step Index memiliki diameter core yang sangat kecil dibandingkan ukuran claddingnya.
• Ukuran diameter core antara 2 µm – 10µm.
• Cahaya hanya merambat dalam satu mode saja yaitu sejajar dengan sumbu serat optik.
• Memiliki redaman yang sangat kecil.
• Memiliki bandwidth yang lebar.
• Digunakan untuk transmisi data dengan bit rate tinggi.
• Dapat digunakan untuk transmisi jarak dekat, menengah dan jauh.
Untuk jenis single mode ini ada beberapa spesifikasi yang umum digunakan. Yaitu G652, G653, G665, G662