HYBRID-EDFA / RFA (GABUNGAN PENGUAT OPTIK PADA TRANSMISI SERAT OPTIK)

(1)

JETri,

Volume 8, Nomor 1, Agustus 2008, Halaman 57-68, ISSN 1412-0372

HYBRID-EDFA / RFA (GABUNGAN PENGUAT

OPTIK PADA TRANSMISI SERAT OPTIK)

Harumi Yuniarti* & Bambang Cholis Su’udi**

*

[email protected], **[email protected] Dosen-Dosen Fakultas Teknologi Industri

Universitas Trisakti

Abstract

The increasing demand for telecommunication services nowadays, particularly in optical fiber transmission, has necessitated the optimization of optical amplifying device, such as Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA). The latest development of technology has enabled the implementation of Raman Amplifier in the long haul system (300-800 km) and ultra long haul system (>900 km). The Raman Fiber Amplifier (RFA) is recommended for several advantages, such as flat gain for all wavelengths, low noise figure, and applicable to any kind of optical fibers. It is quite possible that by using C + L Band approach, much higher raise in the band Hybrid EDFA/RFA’s amplification factor can be achieved.

Keywords : Optical Amplifier, EDFA, Raman Fiber Amplifier (RFA), Hybrid amplifier,

Noise Figure, Gain, Optical Communication.

1. Pendahuluan

Regenerasi menggunakan penguat optik adalah cara tradisional untuk mengurangi rugi-rugi dan penurunan daya/degradasi sepanjang media transmisi. Metode konvensional ini menggunakan konversi optik ke elektrik dan elektrik ke optik.

Cara lain untuk melakukan regenerasi daya ialah dengan penguatan secara langsung pada domain optik yang lebih efisien dan menguntungkan, yaitu dengan menguatkan daya yang dimiliki oleh sinyal optik tersebut selama transmisi. Transmisi sinyal optik komunikasi jarak jauh (long-haul / jarak ratusan kilometer) sinyal pada umumnya akan mengalami redaman (atenuasi). Namun dengan cara ini diharapkan transmisi sinyal sampai ditujuan masih memiliki kualitas yang cukup baik (bit error rate <10-11) (Harumi, 2008: E13-1 - E13-9)

Selanjutnya akan diuraikan penguat-penguat optik yaitu EDFA, RFA dan salah satu contoh rancangan hybrid EDFA/RFA yang sederhana. Kombinasi ke dua jenis penguat ini sangat efisien dipasang pada transmisi serat optik dengan rugi-rugi kopling minimum. Pada penguat EDFA dibutuhkan daya pompa lebih kecil untuk pompa (sumber) dibandingkan

(2)

JETri,

dengan RFA, dan kebutuhan daya pompa ini dapat ditemukan pada laser dioda semikonduktor. Pada rancangan ini peletakan penguat dipasang sebelum penerima (pre-amplifier), hal ini dimaksudkan agar daya optik terkirim sesuai dengan sensitifitas penerima, mengingat apabila batas bawah daya penerimaan terlewati akan berakibat sinyal optik tidak terdeteksi.

2. Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA)

EDFA merupakan penguat sinyal yang bekerja pada domain optik, yang berarti menguatkan sinyal optik tanpa merubah kedalam bentuk elektrik. Sehingga transmisi dapat dilakukan untuk jarak jauh (long-haul) dan dapat menghilangkan kebutuhan akan regenerator elektrik yang dapat menyebabkan penurunan lebar pita (band width), kualitas sinyal yang dipancarkan dan pada akhirnya mengakibatkan pembengkakan biaya.

Metode ini telah dikembangkan dan digunakan pada suatu sistem WDM untuk memperoleh penguatan daya dari sinyal optik tersebut. EDFA memiliki penguatan yang cukup stabil dan dalam waktu yang cukup lama untuk mengatasi intermodulation distortion (adanya frekuensi yang tidak diinginkan dalam sinyal output karena adanya sifat non-linieritas pada peralatan yang digunakan) sehingga memiliki noise figure (NF) yang rendah.

NF merupakan perbandingan antara S/N dari sinyal input dengan S/N dari sinyal output). EDFA memiliki gain > 20 dB dan dapat dipertahankan dalam waktu cukup lama, serta dalam rentang panjang gelombang cukup lebar. EDFA merupakan sebagian dari serat optik (diambil beberapa meter) yang didoping dengan unsur erbium dan ditambahkan unsur Al dan Ge sebagai pelengkap. Ion-ion erbium ini akan tereksitasi oleh sumber cahaya dengan panjang gelombang 980 nm atau 1440 nm yang disebut proses pemompaan (Harumi, 2008: E13-1 - E13-9).

Ketika sumber cahaya 980 nm atau 1440 nm merambat melalui serat optik tersebut maka ion-ion erbium akan tereksitasi ketingkat energi lebih tinggi, selanjutnya akan langsung turun ke level energi metastabil, setelah itu ion-ion akan terstimulasi oleh photon yang berasal dari pemompaan energi sehingga akan kembali kelevel energi paling rendah dengan memancarkan energi optik pada range panjang gelombang 1520 – 1620 nm ditunjukkan pada Gambar 1.

(3)

Harumi Yuniarti & Bambang Cholis Su'udi. Hybrid-EDFA/RFA

Gambar 1. Energi Level Atom Erbium

Serat optik akan memiliki kinerja maksimum bila bekerja pada daerah sekitar panjang gelombang 1520 nm -1620 nm. Pada daerah ini serat optik hanya mengalami rugi-rugi sebesar 0,2 dB/km dan EDFA paling tepat untuk bekerja pada daerah panjang gelombang tersebut. Hal ini telah dibuktikan oleh Saito dan kawan-kawan pada tahun 1992, menggunakan EDFA telah diperoleh hasil yang memuaskan, dengan cara menstransmisikan sinyal 2,5 GB/s sejauh 45000 km dan diperoleh kapasitas informasi sebesar 11 Tb.km/s (Walidaini. 2000: np).

Pada EDFA terdapat beberapa peralatan yang diperlukan untuk keperluan coupling (hubungan dengan saluran serat optik biasa). Untuk menghubungkan saluran serat yang membawa sinyal dengan EDFA serat tersebut dibutuhkan isolator, yang berfungsi untuk meredam refleksi cahaya yang berasal dari serat yang dihubungkan. Sedangkan isolator yang dipasang diujung EDFA berguna untuk meredam refleksi cahaya yang berasal dari serat yang akan dihubungkan, pada Gambar 2. merupakan salah satu contoh konfigurasi EDFA.

Selain itu, EDFA juga dapat dihubungkan dengan pompa yang berfungsi sebagai sumber cahaya dengan frekuensi tinggi (980 nm dan 1480 nm) untuk melakukan emisi terstimulasi, sehingga dihasilkan sinyal optik yang telah diperkuat.

(4)

JETri,

Gambar 2. Konfigurasi EDFA

Hasil penguatan EDFA ini dapat dicapai lebih besar dari 20 dB dengan noise rendah (Sholeh. (online) 12 Januari 2009: 11.00 WIB). Untuk mendapatkan penguatan sebesar itu diperlukan pompa (laser) dengan daya 50 s/d 100 mW, dan untuk memasukkan sinyal pompa ke medium penguatan dilakukan proses coupling. Gambar 3. merupakan karakteristik penguatan sinyal (gain spectral) yang dihasilkan pada EDFA dengan prober beam, yang disapu dari 1520 nm sampai 1620 nm.

Gambar 3. Gain spektral EDFA

C+L Band

L Band C Band

1520 1540 1560 1580 1600 1620 Wavelength (nm)

(5)

3. RFA (Raman Fiber Amplifier)

Pemanfaatan Raman Fiber Amplifier (RFA) dapat diperoleh nilai perbesaran bandwidth yang nyata, dan dikenal sebagai teknologi yang memungkinkan untuk sistem DWDM long-haul dan berkapasitas tinggi. RFA dapat digunakan untuk meningkatkan tidak hanya untuk C-band, tetapi juga S, L atau band yang lain, tergantung pada penggunaan panjang gelombang yang dipompakan.

Dari beberapa temuan yang dilakukan disimpulkan bahwa untuk penguat optik L-Band lebih efisien menggunakan RFA dari pada L-band EDFA (Seongtaek Hwang. 2001: np). Rancangan penguat Raman (RFA) lebih sederhana dibandingkan dengan penguat yang menggunakan serat optik dengan dopan (EDFA), namun pemilihan daya pompa dan panjang gelombang, jumlah dan letak pompa sangat berpengaruh pada kinerja penguat dan noise.

Konfigurasi pemompaan RFA paling banyak menggunakan pompa backward (berbalik arah), karena menawarkan banyak keunggulan (noise kecil), dimana pompa cahaya dipasangkan dengan serat transmisi yang arahnya berlawanan dengan arah sinyal. Daya pompa pada RFA lebih tinggi dibandingkan dengan yang dibutuhkan pada EDFA sebesar 500 mW. Kelebihan daya ini dibutuhkan untuk mencapai tingkat gain yang bermanfaat pada penguatan terdistribusi. Gambar 4. memperlihatkan konfigurasi RFA dengan pompa berbalik arah (backward) .

Gambar 4. RFA dengan Pompa Backward

Dapat dipastikan bahwa gain Raman tidak terkunci pada suatu level energi sebagaimana ion Erbium. Proses penguatannya dapat terjadi pada seluruh panjang gelombang didaerah infra-merah sekalipun, selama cahaya pemompa yang dibutuhkan tersedia. Hal ini menjadikan penguatan Raman

Signal Output Transmission Fiber Pump Pump Multiplexer Pump Laser (s) Input

(6)

JETri,

dapat terjadi pada seluruh transmisi serat optik. Bahkan serat transmisipun dapat dijadikan medium untuk menguatkan sinyal (yaitu dengan menginjeksikan cahaya pemompa kedalam serat). Dengan demikian dapat ditunjukkan bahwa performansi sistem komunikasi pada RFA dapat ditingkatkan atau disebut sebagai Amplifier Raman Terdistribusi (DRA).

4. Hybrid EDFA/RFA (C + L Band)

Hybrid EDFA/RFA adalah gabungan penguat sinyal yang dirancang dengan konfigurasi yang bervariasi. Salah satu contoh rancangan sederhana adalah pada hybrid C-band EDFA dan L-band RFA, agar diperoleh keuntungan gabungan masing-masing penguat, yaitu berdasarkan mekanisme penguatan untuk EDFA dan mekanisme penguatan berbalik arah untuk RFA, Pemompaan laser tunggal (1480 nm) pada C- EDFA dan L-RFA (Islam, M. 2001: 1359-1541), ditunjukkan pada Gambar 5.

Gambar 5. Pemompaan laser tunggal (1480 nm) pada C- band EDFA dan L – band RFA.

Berbeda dengan EDFA (yang memiliki problem-problem atenuasi dan panjang gelombang operasi terbatas yaitu pada daerah C-band dan untuk L-band dihasilkan noise figure lebih besar), keuntungan penguat RFA dapat terjadi pada hampir seluruh panjang gelombang pemompa dan noise figure lebih rendah. Prinsip dasar Hamburan Raman adalah suatu

X% + Y% = 100% X% Y% pump LD C-DFA _L-RFA Int ens it y ( dB ) 1480 nm 1530 nm 1580 nm Wavelength (nm)

(7)

mekanisme kehilangan energi saat terjadi penyerapan dari panjang gelombang rendah ke panjang gelombang lebih tinggi, ini berarti bahwa penguatan Raman dapat mengekstrak energi dari berkas cahaya (pompa) untuk menguatkan sinyal optik lemah pada panjang gelombang lain. Jadi Efek Raman adalah suatu interaksi antara cahaya dan material/bahan yang menyebabkan sebagian dari cahaya tersebut bergeser ke panjang gelombang berbeda, biasanya ke panjang gelombang lebih tinggi. Jumlah pergeseran panjang tergantung pada bahan dan energi dari suatu pembangkitan seperti sebuah vibrasi otomatis (Octarina. (online) 20 April 2009: 19.00 WIB).

Gambar 6. menunjukkan skema Hybrid (C+L band) EDFA/RFA untuk pompa tunggal 1480 nm. Pada input penguat optik, coupler WDM C/L band dipakai untuk memisahkan sinyal-sinyal WDM menjadi C dan L band. Sinyal C band diperkuat dengan EDFA sedangkan sinyal-sinyal L band diperkuat dengan RFA dengan perbandingan daya pompa bervariasi.

Gambar 6. Skema Hybrid (C+L band) EDFA/RFA untuk pompa tunggal. Untuk meningkatkan penguatan EDFA dan mengurangi penguatan yang bebas polarisasi dari RFA, dipasang pompa balik dengan cara menyuntikkan pompa sumber dari arah berlawanan dari serat-serat penguat pada Hybrid penguat C + L band, karena EDFA memiliki efisiensi penguatan lebih besar dibandingkan dengan RFA. Perbandingan yang lebih kecil digunakan untuk penguatan pada C-band EDFA. Optimasi perbandingan pemisahan dari laser pompa antara C-band EDFA dengan L-band RFA didasarkan pada karakteristik penguatannya seperti sifat-sifat

(8)

JETri,

fisis EDF dan kompensasi penguraian Fiber (DCF, Dispersion Compensation Fiber) (Shien Kuei L. (Online) 12 Januari 2009: 11.00 WIB). C+L Band EDFA/RFA Berikut dituliskan Gain C band EDFA (Efisiensi pemompaan penguat C band EDFA). Gain EDFA (g) dapat dituliskan seperti persamaan berikut:

g = p eff p abs em

A

hv

F

P

η

τ

σ

(1) dimana:

σem : tampang lintang emisi

τ : waktu hidup pada tingkat tenaga lebih tinggi hνp : energi photon pumping

Aeff : luas penampang inti serat optik

Pabs : daya serap pumping

ηp : fraksi energi dari pumping.

Gain RFA (GA) dapat dilihat seperti pada persamaan berikut:

GA = exp        eff P eff o R A L P g (2) dimana:

gR : koefisien penguatan Raman sebagai fungsi dari perbedaan

panjang gelombang antara signal dan pumping, L peff : panjang efektif pumping

PO : daya pompa pada input amplifier.

Aeff : luas penampang inti serat optik

Nilai dari gain EDFA (g) untuk C-band dalam persamaan (1) dan gain untuk RFA (GA) untuk L-band dalam persamaan (2) diatur sama, sehingga bentuk decibell (dB) dari penguat RFA dapat dinyatakan seperti persamaan berikut: dB A G = 10 log

























×

o eff P eff R

P

A

L

g

exp

(9)

Harumi Yuniarti & Bambang Cholis Su'udi. Hybrid-EDFA/RFA = 10 x _       ×P e A L g o eff P eff R log (3)

Noise Figure (NF) dari EDFA didefinisikan sebagai:

NF(λ) =

_











∆

+

λ

2 3

.

)

(

1

1 c

h

P

G

ASE (4) Dimana : G : gain EDFA h : konstanta Planck

c : kecepatan cahaya dalam vakum (hampa udara).

Untuk menyatakan noise RFA menggunakan ekuivalen noise figure

(NEeq), yang dapat diturunkan dari rumus cascading NF yang dikenal

sebagai rumus Friis sebagai berikut:

NFeq = R G 1 + o R ASE hvB G P 2 (5) dimana:

: pengukuran bandwidth optik. Bo : pengukuran bandwidth optik.

NFeq : mewakili NF yang mengalami pre-amplifier diskrit dari gain GR

dan menghasilkan noise yang sama dengan distribusi RFA.

Pada Gambar 6, ditunjukkan eksperimen rancangan hybrid C+L band EDFA/RFA mengguna-kan 2 buah pompa laser pada 1480 nm dengan total daya 600 mW (Daya pompa dibagi menjadi 20 mW untuk C-band dan 580 mW untuk L-C-band) yang dikombinasikan menggunakan sebuah penggabung berkas terpadu (PBC : polarization beam combiner) sebagai pengganti laser tunggal.

C-band EDFA menggunakan 3,6 m EDF (Erbium Doped Fiber) dan 15 km DCF (Dispersion Compensating Fiber), sedangkan L-band RFA menggunakan 15 km DCF masing-masing untuk kompensasi dispersi dan penguatan Raman. Pada C- band EDFA menggunakan 15 km DCF, dan untuk kompensasi dispersi digunakan 100 km SMF (Single Mode Fiber).

(10)

JETri,

Gambar 6. Skema eksperimen C+L Band EDFA/RFA dengan 2 pompa. Pada Gambar 7.(a). menunjukkan spektrum (terukur) penguatan menyeluruh dari hybrid C+L band EDFA/RFA dengan bermacam-macam perbandingan pemisah daya pompa. Pada Gambar 7.(b). menunjukkan NF terukur hybrid C+L band EDFA/RFA untuk penggunaan pompa dengan perbandingan 20 mW EDFA dan 580 mW RFA dengan menggunakan prober beam dan disapu dari 1530 nm hingga 1600 nm dengan interfal 10 nm untuk pengukuran penguatan noise figure (NF). (Seongtaek. 2001: np).

Pemanfaatan teknologi hybrid EDFA/RFA (C + L) band transmisi serat optik akhir-akhir ini telah dimungkinkan dengan beberapa rancangan konfigurasi bervariasi seperti ditunjukkan pada Gambar 8.

(11)

(a) (b)

Gambar 7.(a). Spektrum penguatan menyeluruh dari hybrid C+L band EDFA/RFA dengan bermacam perbandingan daya pompa. (b). Noise

Figure C- band EDFA dan L- band RFA.

Gambar 8. Konfigurasi Hybrid EDFA/RFA (C + L) band a). Konfigurasi RFA (C+L) band - EDFA (C+L) band.

b). Konfigurasi EDFA (C+L band - RFA (C+L) band.

c). Konvigurasi EDFA (C+L) band -RFA (C+L) band - EDFA (C+L) band. d) Konfigurasi DRA (C+L) band - EDFA (C+L) band - DRA (C+L) band.

1530 1540 1550 1560 1570 1580 1590 1600 Wavelength(nm) 25 20 15 10 5 0 G ai n (d B) C-10mW, L-590mW C-20mW, L-580mW C-30mW, L-570mW C-40mW, L-560mW C-50mW, L-550mW

(12)

JETri,

4. Kesimpulan

Pemanfaatan gabungan penguat optik/hybrid C+L band EDFA/RFA saat ini dimungkinkan dengan megunakan pompa Laser pada panjang gelombang yang disesuaikan. Konsep yang digunakan berdasarkan kombinasi mekanisme penguatan EDFA dan mekanisme penguatan berbalik arah Raman (RFA). Keuntungannya terletak pada rancangan-rancangan sumber yang sederhana, keunggulan dapat diperoleh bandwidth yang cukup lebar, Gain yang rata dan Noise Figure yang rendah dan rancangan ini dapat diterapkan dalam pemakaian yang luas pada sistem DWDM dengan berbagai variasi konfigurasi.

Daftar Pustaka

1. Harumi, Y., Bambang C.S. 2008. EDFA Raman Amplifier, Penguat Optik pada Transmisi Serat Optik. Disertasi. Makalah Seminar Nasional Teknologi, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Trisakti, Jakarta,.

2. Islam, M., N., et.all. Vol.37. 2001. Comparative high power conversion efficiency of C-plus L-Band EDFA. Electron Lett.

3. Octarina N.S. Aplikasi In-line Amplifier EDFA pada sistem Transmisi

Kanal Tunggal dan Trans Berbasis WDM, (online),

(http://www.tpub.com. diakses 20 April 2009, pukul 11.15 WIB).

4. Seongtaek Hwang, et.all. 2001. Broad-Band Erbium Doped Fiber Amplifier With Double Pass Configuration”, IEEE Photonics Tech. Letters, Vol.13, No.12.

5. Shien Kuei Liaw, et.all. Investigate C+L Band EDFA/Raman Amplifiers by Using the Same Pump Laser, (online), (http:// www.atlantis-press.com/php/download_paper.php?id=108, diakses 12 Januari 2009, pukul 13.30. WIB).

6. Sholeh, H.P. Penguat Optik EDFA C-Band pada Daya Pompa yang Berbeda-beda, (online), (http://bppft.brawijaya.ac.id/hlm=bpenelitian &view=full&thnid. diakses 18 Desember 2008: 10.45 WIB).