ANALISIS SISTEM KOMUNIKASI FIBER OPTIK
SINGLE MODE
Waluyo
Pengajar Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Malang Email: [email protected]
ABSTRAK
Salah satu media transmisi yang digunakan dalam sistem multimedia adalah fiber atau serat optik. Sistem komunikasi serat optik memanfaatkan gelombang cahaya (ligthwave) sebagai pembawa (carrier), untuk itu diperlukan komponen optik yang mampu mengubah sinyal elektrik menjadi sinyal optik dan sebaliknya. Komponen optik yang dimaksud adalah sumber cahaya dan detektor cahaya.
Sumber cahaya yang banyak digunakan untuk komunikasi serat optik adalah Ligth Emitting Diode (LED) dan Injection Laser Diode (ILD). Sedang serat optik yang lazim digunakan adalah jenis single-mode. Untuk detektor cahaya yang banyak dipakai adalah dioda-foto p-i-n dan dioda-foto avalanche. Komponen-komponen optik tersebut dapat dikombinasikan satu dengan yang lain untuk mendapatkan bandwidth, bit rate, dan jarak jangkau yang diharapkan.
Berdasarkan hasil perhitungan, komponen optik LED-PIN memiliki jarak jangkau maksimum 33,3 km, pada jarak transmisi 5 km mampu menghasilkan bandwidth 43,95 MHz dan bit rate 61,53 Mbps. Sedangkan komponen optik LED-APD memiliki jarak jangkau maksimum 13,3 km, pada jarak transmisi 5 km mampu menghasilkan bandwidth 43,91 MHz dan bit rate 61,48 Mbps. Untuk komponen optik ILD-PIN memiliki jarak jangkau maksimum 51,3 km dan pada jarak transmisi 5 km mampu menghasilkan bandwidth 529,95 MHz dan bit rate 830,13 Mbps. Kombinasi komponen optik ILD-APD memiliki jarak jangkau maksimum 31,3 km, pada jarak transmisi 5 km mampu menghasilkan bandwidth 525,69 MHz dan bit rate 735,96 Mbps. Dari data tersebut dapat disimpulkan bahwa kombinasi komponen optik ILD-PIN memiliki jarak jangkau maksimum paling jauh dan mampu menghasilkan bandwidth dan bit rate terbesar.
Kata kunci : Fiber optik single mode, komponen optik, bandwidth, bit rate
Pendahuluan
Fiber optik sebagai media transmisi untuk mendukung layanan informasi dan system multimedia. Hal ini disebabkan fiber optik mempunyai beberapa keunggulan dibandingkan media transmisi yang lain, antara lain :
1. Mempunyai bandwidth yang lebar, mencapai beberapa orde gigahertz. 2. Memiliki
3. Informasi yang ditransmisikan sulit disadap.
Disamping mempunyai keunggulan, serat optik juga memiliki keterbatasan seperti : adanya rugi-rugi, terjadi pelebaran pulsa optik (dispersi), sulit melakukan penyambungan. Rugi-rugi yang timbul akan menyebabkan penurunan daya, sedangkan pelebaran pulsa optik dapat menimbulkan interferensi antar simbol (Intersymbol Interference, ISI), kesalahan bit (bit
errror) pada deteksi sinyal informasi yang diterima,
serta membatasi bit rate (laju bit) dan bandwidth. Untuk mengantisipasi dan meminimalkan kerugian yang ditimbulkan oleh keterbatasan serat optik, maka sebelum menggunakan serat optik sebagai media transmisi, sebaiknya dibuat suatu perencanaan yang baik terlebih dahulu, terutama dalam memilih komponen optik, sehingga pada akhirnya akan diperoleh informasi sesuai dengan yang diharapkan.
Perkembangan teknologi fiber optic di tunjukkan pada gambar 1
Gambar 1 Perkembangan Teknologi Fiber Optik
Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang yang ada, maka rumusan masalah ditekankan pada :
1. Bagaimana memilih komponen optik yang menunjang sistem komunikasi serat optik single-mode point-to-point kanal tunggal 2. Bagaimana pengaruh komponen optik terhadap kinerja sistem komunikasi serat optik
single-mode point-to-point kanal tunggal, ditinjau
dari :
a. bandwidth dan bit rate untuk jarak tertentu
b. jarak jangkauan maksimum
Tujuan
Mengkaji dan menganalisa kinerja sistem komunikasi serat optik single-mode point-to-point kanal tunggal. Hasil kajian tersebut dapat diharapkan digunakan sebagai bahan pertimbangan dalam perencanaan sistem komunikasi serat optik .
KONFIGURASI SISTEM KOMUNIKASI SERAT
OPTIK
Suatu sistem komunikasi pada umumnya terdiri atas transmitter, media transmisi, dan
receiver. Pada sistem komunikasi serat optik,
komponen utama transmitter adalah sumber cahaya, media transmisi yang digunakan adalah serat optik, dan komponen utama receiver adalah
photodiode. Secara garis besar konfigurasi sistem
komunikasi serat optik ditunjukkan oleh gambar 2
Gambar 2 Konfigurasi Sistem Komunikasi Serat Optik *)
*(Keiser, 1991 : 5)
Jenis-jenis Serat Optik
Ada beberapa cara untuk mengklasifikasikan serat optik, yaitu berdasarkan profil indeks bias inti dan jumlah mode yang ditransmisikan.
Profil indeks bias inti menggambarkan indeks bias inti serat optik. Berdasarkan profil indeks bias inti, serat optik dibedakan menjadi : 1. Serat step-index
Serat optik ini mempunyai indeks bias inti yang seragam (uniform) dan mempunyai profil indeks bias yang menurun secara mendadak pada batas antara inti dan selubung. Hubungan antara indeks bias inti (n1) dan indeks bias selubung
(n2) dinyatakan dalam persamaan berikut (Keiser,
1991) : 1 2 1
n
n
n
Sdimana : S= perbedaan indeks bias relatif
pada serat step-index 2. Serat graded-index
Serat optik ini mempunyai indeks bias inti yang berubah-ubah sebanding dengan bertambahnya jari-jari inti dan mempunyai profil indeks bias yang menurun bertahap secara parabolik pada batas inti dan selubung. Hubungan antara indeks bias inti (n1) dan indeks bias selubung (n2) dinyatakan dalam persamaan berikut (Keiser, 1991) :
2 1 2 2 2 1
2n
n
n
g (2-7)dimana : g= perbedaan indeks bias relatif pada
serat graded-index Berdasarkan jumlah mode yang ditransmisikan, serat optik step-index dan
graded-index dibagi menjadi dua, yaitu :
a) Serat single-mode, yaitu serat optik yang hanya mampu merambatkan satu jenis mode gelombang cahaya.
b) Serat multi-mode, yaitu serat optik yang mampu merambatkan lebih dari satu mode gelombang cahaya.
Dari uraian di atas, maka serat optik diklasifikasikan menjadi 3 jenis seperti terlihat pada gambar 3. Rangkaian Pengendali Sumber Cahaya Detektor Cahaya Pemulih Sinyal Penguat
Keluaran siny al elektrik Serat
Optik Sinyal Optik
Sinyal masukan elektrik
Gambar 3 Jenis-jenis Serat Optik
Dispersi Intramodal
Dispersi intramodal adalah pelebaran pulsa yang terjadi pada masing-masing pulsa (mode) yang ditransmisikan, akibat dari kecepatan grup (group velocity) sebagai fungsi panjang gelombang. Dua penyebab utama dispersi intramodal adalah dispersi bahan (material
dispersion) dan dispersi pandu gelombang
(waveguide dispersion) (Keiser, 1991). a) Dispersi Bahan
Indeks bias bahan serat optik berubah terhadap perubahan panjang gelombang. Berdasarkan hubungan antara kecepatan gelombang (v) dan indeks bias (n) yang dapat ditulis dengan :
n
c
v
maka kecepatan gelombang juga berubah terhadap perubahan panjang gelombang. Sifat perubahan kecepatan yang disebabkan oleh sifat bahan disebut dispersi bahan (Sri Widodo, 1995 : 11). Dispersi bahan mempunyai persamaan sebagai berikut (Freeman, 1993) :
m = . D . M
dengan :
m = dispersi bahan ( ns )
= lebar spektrum sumber cahaya (nm )
D = panjang serat optik ( km ) M = koefisien dispersi bahan(ps/(nm .km ))
b) Dispersi Pandu Gelombang Dispersi pandu gelombang terjadi akibat dari karakteristik perambatan pulsa sebagai fungsi perbandingan antara jari-jari inti serat optik dan struktur pandu gelombang. Dispersi pandu gelombang mempunyai persamaan sebagai berikut (Lee, 1986) :
.
.
W WD
c
D
dengan :W = dispersi pandu gelombang ( ns )
D = panjang serat optik ( km ) c = cepat rambat cahaya ( 3 . 108 m/s )
= panjang gelombang yang ditransmisikan ( nm )
DW = koefisien dispersi pandu
gelombang
4
(
1
2ln
)
v
v
D
W (2-17) v = frekuensi ternormalisasi =2
a
.
n
12
s=lebar spektrum sumber cahaya ( nm )
Dispersi Intermodal
Sumber cahaya memancarkan pulsa cahaya yang berisi sejumlah pulsa identik (mode). Pulsa identik tersebut memiliki panjang gelombang yang berbeda-beda, yang terentang dalam spektrum panjang gelombang. Perbedaan panjang gelombang menunjukkan adanya perbedaan kecepatan, sehingga waktu yang dibutuhkan oleh masing-masing pulsa untuk mencapai ujung serat optik akan berbeda. Bila pulsa-pulsa tersebut dijumlahkan, maka akan dihasilkan pulsa yang melebar. Pelebaran pulsa optik ini disebut dengan dispersi intermodal ( im.
Dispersi intermodal tidak terjadi pada serat
singlemode.
c) Total Dispersi
Pada setiap panjang gelombang, total dispersi adalah kombinasi rms (root mean square) dari ketiga dispersi tersebut di atas, yaitu : dispersi bahan, dispersi pandu gelombang, dan dispersi intermodal. Total dispersi diberikan dengan persamaan (Roddy Coolen, 1990 : 762) im m w f Dengan : f = total dispersi (ns) Profil Indeks Penampang serat dan lintasan sinar Ukuran Khas
Serat M ultimode Graded - index
r = a r = 0 r n1 n2 (Selubung) m 125 (Inti) m 50
Serat M ultimode Step - index
2a n1 n2 (Selubung) m 400 -125 (Inti) m 200 -50
Serat M onomode Step - index
2a n1 n2 (Selubung) m 125 (Inti) m 12 -8
Kinerja Sistem Komunikasi Serat Optik a) Link Bandwidth Budget
Respon dari suatu komponen atau sistem dapat dikarakteristikan dalam domain waktu dengan istilah rise-time atau dalam domain frekuensi dengan istilah bandwidth. Pola rise-time lebih sering digunakan dalam analisis dibandingkan dengan pola bandwidth.
Rise-time dari suatu sistem
adalah waktu yang diperlukan output untuk meningkatkan respon dari 10% menjadi 90% ketika input diubah secara tiba-tiba (Killen, 1991). Total
rise-time pada sistem komunikasi serat optik
meliputi rise-time sumber cahaya, rise-time serat optik, rise-time detektor cahaya. Rise-time sumber cahaya dan rise-time detektor cahaya umumnya telah diketahui dari perencanaan sistem, sedangkan
rise-time serat optik merupakan konstribusi dispersi
yang terjadi pada serat optik tersebut. Total
rise-time dari komponen-komponen sistem komunikasi
serat optik dinyatakan dengan persamaan (Hoss, 1990) : 2 2 2 sis
1
,
1
r s f dengan :sis = total rise-time sistem (ns)
r = rise-time detektor cahaya
(ns)
s = rise-time sumber cahaya
(ns)
f = total dispersi serat optik
(ns)
Hubungan antara total rise-time sistem dengan bandwidth sistem diberikan dengan persamaan (Palais, 1988) : sis sis dB 3
2
1
BW
f
Hubungan antara total rise-time sistem dengan bit rate sistem (BRsis) tergantung
dari format sinyal digital.
1.Format pengkodean Return-to-Zero (RZ)
sis sis
35
,
0
BR
2.Format pengkodean Non Return- to-Zero (NRZ) sis sis
7
,
0
BR
b) Link Power Budget
Analisis daya dimaksudkan untuk mengetahui jarak maksimum antara dua titik terminal pada sistem komunikasi serat optik (sumber cahaya dan detektor cahaya). Jarak jangkau maksimum sumber optik dapat dihitung
dengan mempertimbangkan kemungkinan rugi-rugi yang timbul dalam pentransmisian sinyal. Secara lengkap analisis daya tersebut adalah (Hoss, 1990 : 265) : f s s c c p t
l
l
N
l
N
P
M
MDP
P
D
(2-23) dengan :D = jarak jangkau maksimum
(km) Pt = daya keluaran (dBm)
MDP= daya optik minimum yang terdeteksi (dBm) M = rugi-rugi batas (dB) Pp = kompensasi daya (dB) Nc = jumlah konektor lc = rugi-rugi konektor (dB) Ns = jumlah sambungan ls = rugi-rugi sambungan (dB)
lf = rugi-rugi dalam serat optik
(dB)
Bila jarak pentransmisian sinyal cukup jauh, maka rugi-rugi yang timbul akan semakin besar. Rugi-rugi yang besar akan menyebabkan kebutuhan daya pancar meningkat. Namun terkadang kebutuhan daya pancar tersebut tidak dapat terpenuhi karena keterbatasan sumber cahaya. Untuk itu digunakan penguat optik atau repeater.
c) Rugi-rugi Total
Penjumlahan rugi-rugi yang terjadi sepanjang link transmisi serat optik diberikan oleh (Hoss, 1990) : L = Lpt + Lpr + NcLc + NsLs + DLf dengan : Nc = jumlah konektor Lc = rugi-rugi konektor (dB) Ns = jumlah sambungan Ls = rugi-rugi sambungan (dB)
D = panjang serat optik (km) Lf = rugi-rugi dalam serat optik
(dB)
Untuk analisis system komunikasi serat optik, komponen data yang digunakan sebagai berikut :
Spesifikasi sumber cahaya (Hoss, 1990 : 90)
1). Jenis: Ligth Emitting Diode (LED) Bahan : GaInAsP
Lebar spektrum ( ) :150 nm Daya keluaran (Pt ) :-15 dBm
Waktu jangkit ( s) : 10 ns
2.Jenis : Injection Laser Diode (ILD)
Bahan : GaInAsP
Panjang gelombang ( ) :1,3 m Lebar spektrum ( ) :5 nm Daya keluaran (Pt) :-6 dBm
Waktu jangkit ( s) :0,7 ns
Spesifikasi serat optik (Hoss, 1990 : 106)
Jenis : Single-mode
Indeks bias inti (n1) : 1,465
Indeks bias selubung (n2): 1,46
Jari-jari inti (a) : 4,5 m Rugi-rugi (lf) :0,5 dB/km
Koefisien dispersi bahan (M):3,5 ps/nm/km
Spesifikasi detektor cahaya (Hoss,1990 : 75)
1.Jenis :Positiv Intrinsic Negativ (PIN) Bahan : InGaAS
MDP : -42 dBm
Waktu jangkit ( r) : 0,3 ns
2.Jenis :Avalanche Photodiode (APD) Bahan : InGaAS
MDP : -32 dBm
Waktu jangkit ( r) : 0,5 ns
Spesifikasi konektor (Hoss, 1990 : 120)
Jenis : Biconic
Rugi-rugi konektor (Lc):1,3 dB
Spesifikasi umum
Jarak transmisi : 5 km Jumlah sambungan (Ns) : 5 buah
Rugi-rugi sambungan (ls): 0.15 dB
Rugi-rugi batas (Mb) : 6 dB
Kompensasi daya (Pp ) : 1 dB
Contoh perhitungan waktu jangkit, bandwidth, bit
rate dan jarak jangkau maksimum dari sistem
komunikasi serat optik menggunakan kombinasi komponen LED-PIN.
1. Perhitungan dispersi bahan
m = . D . M
= 150 nm . 5 km . 3,5 ps/nm.km = 2625 ps
= 2,625 ns
2. Perhitungan dispersi pandu gelombang s = 1 2 1
n
n
n
=465
,
1
46
,
1
465
,
1
= 3, 412969283 . 10-3 v =2
a
.
n
12
s= 3
10
.
412969283
,
3
.
2
465
,
1
.
m
5
,
4
m
3
,
1
141592654
,
3
.
2
= 2,632496741 Dw = 2ln
1
4
v
v
= 2632496741
,
2
632496741
,
2
ln
1
4
= 0,018509143 w =n
1n
2D
w.
c
D
=nm
150
.
018509143
,
0
46
,
1
465
,
1
m
3
,
1
.
10
.
3
km
5
8 = 1,779725288.10-10 s = 0,177972529 ns3. Perhitungan total dispersi serat optic
f = 2 2 2 im m w = 2 2
625
,
2
177972529
,
0
= 2,631026268 ns4. Perhitungan waktu jangkit sistem
sis = 2 2 2
1
,
1
r s f = 2 2 2631026268
,
2
10
3
,
0
1
,
1
= 11,37914241 ns5. Perhitungan bandwidth sistem
BWsis= sis
2
1
=2
.
11
,
37914241
ns
1
= 43,940042 MHz6. Perhitungan bit rate sistem
BRsis= sis
7
,
0
=11
,
37914241
ns
7
,
0
= 61,516059 Mbps SD= f s s c c p tl
l
N
l
N
P
M
MDP
P
=km
/
dB
5
,
0
dB
15
,
0
.
5
dB
3
,
1
.
2
dB
1
dB
6
dBm
42
dBm
15
=km
5
,
0
65
,
16
= 33,3 kmAnalisis Sistem
Hasil perhitungan simulasi software untuk beberapa komponen fiber optic sebagai berikut :
Gambar 4 Hasil perhitungan beberapa Komponen Optik
Dari data pada tampilan preview di atas dapat diketahui bahwa sistem komunikasi serat optik single-mode
point-to-point kanal tunggal menggunakan kombinasi
komponen optik ILD-PIN memiliki bandwidth dan
bit-rate paling tinggi dibandingkan dengan sistem
komunikasi serat optik single-mode point-to-point kanal tunggal menggunakan kombinasi komponen optik LED-PIN, LED-APD, dan ILD-APD. Hal ini karena ILD mempunyai daya keluaran yang lebih besar dan waktu jangkit yang lebih kecil dibandingkan LED, serta PIN yang mempunyai waktu jangkit lebih kecil dibandingkan APD.
Gambar 5. Tampilan Preview Untuk Komponen Optik LED-PIN
Gambar 6.Tampilan Preview Untuk Komponen Optik LED-APD
Gambar 7 Tampilan Preview Untuk Komponen Optik ILD-PIN
Gambar 8 Tampilan Preview Untuk Komponen Optik ILD-APD
Kesimpulan
1) Sistem komunikasi serat optik menggunakan komponen optik LED-PIN memiliki jarak jangkau maksimum 33,3 km dan pada jarak transmisi 5 km mampu menghasilkan bandwidth 43,95 MHz dan bit rate 61,53 Mbps. Kombinasi komponen optik LED-APD memiliki jarak jangkau maksimum 13,3 km dan pada jarak transmisi 5 km mampu menghasilkan bandwidth 43,91 MHz dan bit rate 61,48 Mbps.
2) Komponen optik ILD-PIN memiliki jarak jangkau maksimum 51,3 km dan pada jarak transmisi 5 km mampu menghasilkan bandwidth 529,95 MHz dan bit rate 830,13 Mbps. Kombinasi komponen optik ILD-APD memiliki jarak jangkau maksimum 31,3 km dan pada jarak transmisi 5 km mampu menghasilkan bandwidth 525,69 MHz dan bit rate 735,96 Mbps.
3) Dari data tersebut dapat diketahui bahwa komponen optik ILD-PIN memiliki jarak
jangkau maksimum paling jauh dan mampu menghasilkan bandwidth dan bit
rate terbesar.
4) Pertambahan jarak transmisi akan menyebabkan peningkatan nilai dispersi serat optik. Hal ini akan membuat waktu jangkit sistem bertambah sehingga mengakibatkan penurunan bandwidth dan bit rate sistem.
DAFTAR PUSTAKA
Anonymous. tanpa tahun. Pengantar
Teknologi Serat Optik, PT. Rentang
Gunaputra.
Freeman, George L. 1991.
Telecommunication
Transmission Handbook, Third
Edition. New York : John Wiley & Sons, Inc.
Hoss, Robert J. 1990. Fiber Optic
Communication Design Handbook.
Englewood Cliffs : Prentice-Hall International, Inc.
Keiser, Gerd. 1991. Optical Fiber
Communication. New York :
McGraw-Hill Book Company. Killen, Harold B. 1991. Fiber Optic
Communication, Second Edition.
Englewood Cliffs : Prentice-Hall International, Inc.
Ming-Kang Liu, Max. 1996. Principles
and Applications of Optical Communication. New York :
IRWIN McGraw-Hill Book Company.
Palais, Joseph C. 1988. Fiber Optic
Communication, Second Edition.
Englewood Cliffs : Prentice-Hall International, Inc.
Roddy, Dennis. & Coolen, John. 1991. Komunikasi Elektronika, Edisi Kedua. Jakarta : Erlangga. Sri Widodo, Thomas. 1995.
Optoelektronika, Komunikasi Serat
Optik. Yogyakarta : Andy Offset.
Zanger, Henry. & Zanger, Cynthia. 1991. Fiber Optic Communication
and Other Applications. Mac.millan
