BAB 2
LANDASAN TEORI
2.1. Gelombang Elektromagnetik
Gelombang merupakan getaran yang merambat secara kontinu dengan bentuk yang tetap pada kecepatan konstan secara periodik. Dalam gejala penyerapan, gelombang akan mengecil saat bergerak, apabila mediumnya memiliki sifat dispersif atau penghambur, maka frekuensi dan kecepatannya akan berbeda, dalam dua ataupun tiga dimensi dan amplitudo gelombang tersebut juga akan berkurang selama penyebaran (Griffiths, 1999).
Gelombang elektromagnetik tidak memerlukan bahan sebagai medium perambatannya. Spektrum gelombang elektromagnetik dapat digolongkan berdasarkan panjang gelombang atau frekuensinya. Gambar 2.1. memperlihatkan spektrum gelombang elektromagnetik terdiri atas gelombang radio, gelombang mikro, inframerah, cahaya tampak, ultraviolet, sinar X, dan sinar Gamma.
Gambar 2.1. Spektrum Gelombang Elektromagnetik (Young & Freedman, 2008)
Gelombang elektromagnetik memiliki kecepatan perambatan yang sama pada ruang hampa, yakni c = 299.792.458 m/s meskipun banyak perbedaan bentuk maupun sumber penghasilnya. Gelombang elektromagnetik dapat memiliki frekuensi (f) dan panjang gelombang (λ) berbeda, hubungan c = λ.f dalam ruang vakum berlaku untuk seluruhnya (Young & Freedman, 2008).
2.2. Frekuensi Gelombang Mikro
Gelombang mikro adalah gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang berkisar 104 𝝁m sampai 106 𝝁m. Rentang frekuensinya adalah 300 MHz hingga 30 GHz. Gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang berkisar antara 1 sampai 10 mm disebut gelombang milimeter (Collin, 1992). Tabel 2.1. menunjukkan jenis-jenis frekuensi band gelombang mikro berdasarkan nilai frekuensi yang dimiliki.
Tabel 2.1. Frekuensi Band Gelombang Mikro
Frequency
Microwave band designation
Old New 500 – 1000 MHz 1 – 2 GHz 2 – 3 GHz 3 – 4 GHz 4 – 6 GHz 6 – 8 GHz 8 – 10 GHz 10 – 12,4 GHz 12.4 – 18 GHz 18 – 20 GHz 20 – 26,5 GHz 26,5 – 40 GHz VHF L S S G C X X Ku K K Ka C D E F G H I J J J 8 K Sumber: Collin, 1992
Perhatian yang besar pada frekuensi gelombang mikro muncul karena berbagai alasan, diantaranya adalah kebutuhan yang semakin meningkat akan pemanfaatan yang lebih dari spektrum frekuensi radio untuk penggunaaannya dimana frekuensi gelombang mikro dapat diterapkan. Gelombang mikro hampir identik dengan RADAR (Radio Detection and Ranging) karena sistem gelombang mikro digunakan dalam berbagai penggunaan yang bervariasi. (Collin, 1992).
2.3. Superposisi Dua Gelombang, Beats
Misalkan gelombang I memiliki amplitudo A, frekuensi 𝜔1 dan bilangan gelombang k1. Gelombang II dengan amplitudo A, frekuensi 𝜔2, dan bilangan gelombang k2. Kedua gelombang sinusoidal tersebut merambat dalam arah x positif pada medium yang sama, dapat ditemukan jika hubungan antara 𝜔 dan k diketahui. Superposisi atau Penjumlahan dua gelombang tersebut dapat dirumuskan menjadi
f (x,𝑡) =A sin(𝑘1𝑥 − 𝜔1𝑡) + sin(𝑘2𝑥 − 𝜔2𝑡) (2.1)
kita tahu bahwa untuk 𝛼 dan 𝛽
sin 𝛼 + sin 𝛽 = 2 sin𝛼+𝛽2 cos 𝛼−𝛽2 (2.1.a)
f (x,𝑡) = 2A sin 𝒌𝟏 + 𝒌𝟐 𝒙 – 𝝎𝟐 𝟏 + 𝝎𝟐 𝒕
× cos 𝑘1− 𝑘2 𝑥 – 𝜔1 − 𝜔2 𝑡
2 (2.1.b)
Jika 𝜔1 dan 𝜔2 persis sama, kemudian k1 dan k2 juga demikian, sehingga
f (x, 𝑡) = 2A sin(𝑘1𝑥 − 𝜔1𝑡) (2.2)
atau amplitudonya menjadi dua kali lipat. sekarang mari kita pertimbangkan kasus di mana 𝜔1 dan 𝜔2 berbeda, sehingga
𝜔1= 𝜔2 + ∆𝜔, ∆𝜔 kecil. (2.3) Dengan cara yang sama, didapatkan
𝑘1= 𝑘2 + ∆𝑘, ∆𝑘 kecil. (2.4) Kemudian f (x,𝑡) = 2Asin(𝑘1𝑥 − 𝜔1𝑡) cos ∆𝑘2 𝑥 −∆𝜔2 𝑡 (2.5) karena 𝜔1+ 𝜔2 2 = 2𝜔1− ∆𝜔 2 ≅ 𝜔1 Dan 𝑘1 + 𝑘2 2 = 2𝑘1− ∆𝑘 2 ≅ 𝑘1
Pada t = 0, maka persamaan 2.5 akan menjadi
f (x, 0) = 2A sin 𝑘1𝑥 cos∆𝑘
2 𝑥 (2.6)
karena ∆𝑘 ≪ 𝑘, panjang gelombang yang terkait dengan ∆𝑘/2
𝝀 =∆𝒌/𝟐𝟐𝝅 (2.7)
Dihubungkan ke k1 menjadi
𝜆 =2𝜋𝑘
1 (2.7.a)
Sehingga fungsi yang merupakan hasil dari dua fungsi sinusoidal ditunjukkan pada Gambar 2.2
Gambar 2.2. Beats Frequency (terbentuk clumps). (http://www.wonderwhizkids.com)
Riak yang bagus dari propagasi gelombang pendek dengan kecepatan fase.
𝑐𝑝 =
𝜔1 𝑘1 Faktor determinansi dapat ditulis
cos ∆𝑘 2 𝑥 −
∆𝜔 2 𝑡
Merambat dengan kecepatan
∆𝜔 2 ∆𝑘 2 =
∆𝜔 ∆𝑘
dengan membuat ∆𝜔 dan ∆𝑘 cukup kecil, ∆𝜔 ∆𝑘 mendekati kecepatan grup
Clumps dibentuk oleh beberapa gelombang pendek mungkin tepat disebut kelompok gelombang, dan clumps ini merambat dengan kecepatan grup, yang dapat berbeda dari kecepatan fase untuk gelombang dispersif.
Gambar 2.3. Beats yang disebabkan oleh superposisi dari dua gelombang dengan frekuensi yang berbeda
(http://www.a-levelphysicstutor.com)
Superposisi dari dua gelombang dengan frekuensi yang berbeda menghasilkan fenomena penting yang disebut beats. (Gambar 2.3). Koordinat spasial persamaan 2.5 pada x = 0 akan menjadi
f (0, 𝑡) = −2A sin 𝜔1𝑡 cos ∆𝜔2 𝑡 (2.9) yang menunjukkan bahwa osilasi amplitudo dari frekuensi tinggi (𝜔1) dimodulasi yang diatur perlahan (∆𝜔 ≪ 𝜔1) fungsi sinusoidal, cos (∆𝜔𝑡/2). Clumps muncul setiap 2𝜋/∆𝜔 = 1/∆𝑣 sekon. Jadi dalam kasus gelombang suara, misalnya, seseorang mendengar intensitas suara akan naik dan turun dengan frekuensi
∆𝑣 = ∆𝜔2𝜋 = 𝑣1 − 𝑣2 (2.10) Intensitas modulasi dikenal sebagai beats. (Akira Hirose, 1985)
2.4. LASER (Light Amplification by Stimuled Emission of Radiation) 2.4.1. Definisi Umum Laser
Laser merupakan mekanisme suatu alat yang memancarkan radiasi elektromagnetik, biasanya dalam bentuk cahaya yang tidak dapat dilihat maupun dapat lihat dengan mata normal, melalui proses pancaran terstimulasi. Pancaran laser biasanya tunggal, memancarkan foton dalam pancaran koheren. Laser juga
dapat dikatakan efek dari mekanika kuantum. Dalam teknologi laser, cahaya yang koheren menunjukkan suatu sumber cahaya yang memancarkan panjang gelombang yang diidentifikasi dari frekuensi yang sama, beda fase yang konstan dan polarisasinya. (Desy, 2013)
Teori kuantum menyatakan bahwa elektron hanya bisa eksis dalam keadaan energi diskrit ketika penyerapan atau emisi cahaya disebabkan oleh transisi elektron dari satu tingkat energi ke tingkat energi yang lain. Frekuensi yang diserap atau emisi radiasi f berkaitan dengan perbedaan energi antara tingkat energi yang lebih tinggi E2 dan tingkat energi yang lebih rendah E1 dengan persamaan Planck sehingga
𝐸 = 𝐸2− 𝐸1 = 𝑓 (2.11)
dimana h = 6.626 × 10-34 Js adalah konstanta Planck. Dalam sebuah atom, keadaan energi sesuai dengan tingkat energi elektron terhadap inti, yang biasanya ditandai sebagai keadaan dasar. Umumnya, tingkat energi dapat mewakili energi atom eksitasi, molekul (dalam laser gas) atau pembawa seperti elektron atau lubang dalam semikonduktor.
Istilah foton selalu digunakan untuk menggambarkan paket energi diskrit yang dilepaskan atau diserap oleh sistem ketika ada interaksi antara cahaya dan materi. Misalkan sebuah energi foton (𝐸2− 𝐸1) adalah cahaya datang pada sistem atom seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.4 dengan dua tingkat energi sepanjang arah z longitudinal. Elektron ditemukan di tingkat energi yang lebih rendah E1 dapat tereksitasi ke tingkat energi yang lebih tinggi E2 melalui penyerapan foton yang datang. Proses ini disebut penyerapan induksi.
Sistem dua tingkat ini jikalau dianggap sebagai sistem tertutup, hasil proses penyerapan induksi kehilangan energi. Atau, sebuah elektron awalnya ditemukan awalnya tingkat energi yang lebih tinggi E2 dapat dirangsang oleh foton untuk melompat kembali ke tingkat energi yang lebih rendah. Suatu perubahan energi akan menyebabkan pelepasan foton tunggal pada frekuensi f menurut persamaan Planck.
Gambar 2.4. Mekanisme rekombinasi yang berbeda ditemukan dalam sistem dua level energi (H. Ghafouri Shiraz, 2003)
Proses ini disebut emisi terstimulasi. Foton dipancarkan yang dibuat dengan menstimulasi emisi yang memiliki frekuensi sama sebagai inisiator yang datang. Selain itu, cahaya keluaran berhubungan dengan foton yang datang dan stimulasi foton dengan berbagi fase dan keadaan polarisasi yang sama. Dengan cara ini, radiasi koheren dicapai. Bertentangan dengan proses penyerapan, ada kelebihan energi untuk emisi terstimulasi.
Selain penyerapan induksi dan emisi terstimulasi, ada jenis lain dari transisi dalam sistem dua tingkat. Sebuah elektron dapat melompat dari keadaan energi yang lebih tinggi E2 ke keadaan energi yang lebih rendah E1 tanpa adanya foton yang datang. Jenis transisi ini disebut emisi spontan. Sama seperti emisi terstimulasi, akan ada kelebihan energi pada output sistem. Namun, emisi spontan adalah proses acak dan foton keluaran menunjukkan variasi dalam fase dan keadaan polarisasi. Radiasi non koheren ini diciptakan oleh emisi spontan yang penting untuk karakteristik kebisingan (noise) di laser semikonduktor. (H. Ghafouri Shiraz, 2003)
Dalam penelitian skripsi ini, laser yang digunakan adalah laser semikonduktor jenis DFB (Distributed Feedback) yang beroperasi pada panjang gelombang 1550 nm yang berfungsi sebagai sumber pembangkit frekuensi gelombang mikro.
2.4.2. Generasi dan Rekombinasi pada Kesetimbangan Thermal
Eksitasi termal elektron dari pita valensi ke pita konduksi menghasilkan generasi pasangan elektron-lubang (Gambar 2.5). Kesetimbangan termal mengharuskan proses generasi ini disertai dengan proses sebaliknya (de-eksitasi) secara bersamaan. Proses ini disebut rekombinasi elektron-lubang, terjadi ketika sebuah elektron meluruh dari pita konduksi untuk mengisi lubang di pita valensi.
Energi yang dilepaskan oleh elektron berupa foton yang dipancarkan, dalam hal ini disebut rekombinasi radiasi. Rekombinasi non radiasi dapat terjadi melalui sejumlah proses, termasuk transfer energi untuk getaran kisi (menciptakan satu atau lebih fonon) atau elektron bebas lain (proses Auger).
Rekombinasi juga dapat terjadi secara tidak langsung melalui perangkap (traps) atau pusat cacat (defect centers). Ini adalah tingkat energi yang terkait dengan impuriti atau cacat karena dislokasi, atau ketidaksempurnaan kisi lainnya, yang terletak di dalam celah pita energi. Pengotor atau keadaan cacat dapat bertindak sebagai pusat rekombinasi jika ia mampu menjebak kedua elektron dan lubang, sehingga meningkatkan kemungkinan mereka bergabung kembali. Hasil rekombinasi ini mungkin radiasi atau non radiasi.
(a) (b)
Gambar 2.5. (a) Generasi dan rekombinasi elektron-lubang, (b) Rekombinasi elektron-lubang melalui trap (Bahaa E. A. Saleh, 1991)
2.5. Laser Semikonduktor (Laser Dioda)
Laser semikonduktor, proses lasing terjadi didalam sambungan dioda semikonduktor. Untuk mendapatkan aksi laser, semikonduktor tipe-P sebagai
pembawa muatan positif atau hole dan tipe-N sebagai pembawa muatan negatif atau elektron harus melakukan generasi dan rekombinasi. Pada arus panjar nol, suatu daerah pengosongan (depletion zone) memisahkan kedua bagian. Rekombinasi terjadi secara kontinu dalam semikonduktor jika diberikan tegangan luar dari kristal pembentuk semikonduktor, seperti pada Gambar 2.6.a.
Arus panjar maju (forward panjar) yang cukup diberikan pada sambungan untuk mengatasi potensial batas, daerah pengosongan akan menghilang, dan lubang bebas bergerak melewati sambungan kedalam daerah N, sementara elektron-elekron bebas pula bergerak kedalam daerah P, seperti pada Gambar 2.6.b. Apabila kuat arus yang diinjeksikan atau arus panjar lemah, maka invers population tidak terjadi. Apabila arus panjar maju yang diberikan ditingkatkan maka invers population akan terjadi sehingga emisi terstimulasi pun dapat mendominasi pada arus panjar tertentu, yang disebut arus ambang. (Wildan, 2011)
Gambar 2.6. Level Energi dan pembawa konsentrasi sambungan PN semikonduktor (a) Dioda semikonduktor tanpa tegangan bias, (b) Dioda Semikonduktor dengan
tegangan bias maju (H. Ghafouri Shiraz, 2003)
2.5.1. Panjang Gelombang Bandgap
Penyerapan dan emisi dari band ke band secara langsung dapat terjadi hanya pada frekuensi untuk energi foton hv > 𝐸𝑔. Frekuensi minimum v yang diperlukan adalah 𝑣𝑔 = 𝐸𝑔 , sehingga panjang gelombang maksimum yang sesuai adalah
𝜆𝑔 = 𝑐𝑜 𝑣𝑔 = 𝑐𝑜 𝐸𝑔. Jika energi bandgap diberikan dalam eV, panjang gelombang bandgap 𝜆𝑔 = 𝑐𝑜 𝑒𝐸𝑔 dalam 𝜇m diberikan oleh
𝜆𝑔 =1.24𝐸
𝑔 (2.12)
Panjang gelombang bandgap 𝜆𝑔 (𝜇m) dan 𝐸𝑔 (eV). Kuantitas 𝜆𝑔 disebut panjang gelombang bandgap (atau panjang gelombang cutoff). Kandungan energi dari sebuah foton yang dilepaskan dalam suatu semikonduktor ada hubungannya dengan energi bandgap dari bahan semikonduktor. (Bahaa E. A. Saleh, 1991)
2.5.2. DFB (Distributed Feedback) Laser Dioda
Laser DFB adalah laser semikonduktor yang dapat mencapai operasi single longitudinal mode, yaitu laser dengan mode panjang gelombang puncak tunggal atau dikenal dengan panjang gelombang Bragg λB.
Laser ini didesain dengan struktur yang menggunakan distributed reflector (Bragg gratings) yang ditempatkan berbatasan langsung dengan daerah aktif dengan menggunakan pandu gelombang spasial bergelombang seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.7.a. Akibat adanya distributed reflector, akan menyebabkan terjadinya distributed feedback, dimana struktur periodik ini bertindak sebagai reflector yang terdistribusi pada kisaran panjang gelombang kerja laser. (Sekartedjo, K. 1984)
DFB laser beroperasi dengan lebar spektral sekecil 10 MHz (tanpa modulasi) dan modulasi bandwidth yang baik kisaran GHz. DFB laser digunakan dalam berbagai aplikasi termasuk komunikasi serat optik di kisaran panjang gelombang 1,3 hingga 1,55𝜇m.
Gambar 2.7. DFB laser memiliki lapisan periodik yang bertindak sebagai pemantul terdistribusi. (Bahaa E. A. Saleh, 1991)
2.6. Teknik Heterodyne Optik
Sinyal microwave atau miliwave dapat dihasilkan dalam domain optik berdasarkan heterodyne optik, sinyal yang diperoleh berasal dari pencampuran dua sinyal gelombang elektromagnetik pada frekuensi optik. Sinyal yang dihasilkan merupakan selisih dari dua gelombang optik yang berpadu. Dua sinyal yang berbeda frekuensi tersebut berpadu melalui fiber coupler dan kemudian diproses dalam fotodetektor sehingga kemudian dihasilkan sinyal elektrik.
Gambar 2.8. Heterodyne optis dua gelombang optik (Yao, 2010)
Asumsikan bahwa dua gelombang optik diberikan oleh persamaan
𝐸1 𝑡 = 𝐸01cos 𝜔1𝑡 + 𝜑1 (2.13)
𝐸2 𝑡 = 𝐸02cos 𝜔2𝑡 + 𝜑2 (2.14) di mana 𝐸01 dan 𝐸02 adalah amplitudo sedangkan 𝜑1 dan 𝜑2 adalah fase dari dua gelombang optik.
Mengingat bahwa bandwidth yang terbatas dari fotodetektor, arus pada keluaran fotodetektor diberikan oleh persamaan
𝐼𝑅𝐹 = 𝐴 cos 𝜔1− 𝜔2 + 𝜑1− 𝜑2 (2.15) Persamaan 2.15 menunjukkan bahwa sinyal listrik dengan frekuensi yang sama dengan perbedaan frekuensi dua gelombang optik dapat dihasilkan. Teknik ini mampu menghasilkan sinyal listrik dengan frekuensi sampai band THz, hanya dibatasi oleh bandwidth fotodetektor. (Yao, 2010)
2.7. Serat Optik
Serat optik adalah saluran transmisi atau sejenis kabel yang terbuat dari kaca atau plastik dan dapat digunakan untuk mentransmisikan sinyal cahaya dari suatu tempat ke tempat lain. Efisiensi dari serat optik ditentukan oleh kemurnian dari
bahan penyusun gelas atau kaca. Semakin murni bahan gelas, semakin sedikit cahaya yang diserap oleh serat optik.
Serat optik bekerja berdasarkan hukum snellius tentang pemantulan sempurna. Pemantulan cahaya atau pembiasaan cahaya yang terjadi sangat bergantung pada saat cahaya menyentuh permukaan atau masuk ke inti serat optik. Sebagai sarana transmisi, serat optik berperan sebagai pemandu gelombang cahaya. Menurut ilmu fisika tentang cahaya, jika cahaya jatuh pada medium yang berbeda indeks biasnya, cahaya tersebut akan dibiaskan dan sudut datang dari sinar yang dikirimkan pada serat optik dapat memungkinkan untuk mengatur seberapa efisiensi sinar tersebut sampai pada tujuan.
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.
Serat optik memiliki keunggulan yang signifikan dibandingkan media transmisi kawat konvensional. Keunggulan tersebut antara lain adalah:
1. Rugi transmisi rendah 2. Bandwidth yang lebar 3. Ukuran kecil dan ringan
4. Tahan gangguan elektromagnetik dan elektrik.
Serat optik terdiri dari inti (core), pembungkus (cladding) dan coating ditunjukkan dalam Gambar 2.11.
Gambar 2.9. Struktur dasar serat optik (http://www.newport.com)
1. Core adalah kaca tipis yang merupakan bagian inti dari serat atau inti fisik yang mengirim sinyal data optik dari sumber cahaya ke alat penerima yang berupa untai tunggal kontinyu dari kaca atau plastik. Semakin besar core maka semakin banyak cahaya yang dapat dilewatkan dalam kabel.
2. Cladding adalah materi yang mengelilingi inti yang berfungsi memantulkan sinar kembali ke dalam inti (core), atau layer atau lapisan serat yang berfungsi sebagai pembatas energi elektromagnetik yang terlalu besar, gelombang cahaya dan penyebab pembiasan pada struktur inti. Pembuatan cladding yang cukup tebal memungkinkan medan serat tidak dipengaruhi oleh perambatan disekitar bahan sehingga bentuk fisik serat tidak cacat. 3. Buffer Coating adalah plastik pelapis yang melindungi serat dari kerusakan.
lapisan plastik di sekitar core dan cladding ini juga berfungsi memperkuat inti serat, membantu penyerapan dan sebagai pelindung ekstra pada pembengkokan kabel. (Cindy, 2013)
2.7.1. Propagasi Cahaya pada Serat Optik(Numerical Aperture)
Numerical Aperture merupakan parameter yang merepresentasikan sudut penerimaan maksimum dimana berkas cahaya masih bisa diterima dan merambat di dalam inti serat. Sudut penerimaan ini dapat beraneka macam tergantung kepada karakteristik indeks bias inti dan selubung serat optik.
Gambar 2.10. Proses masuknya cahaya kedalam serat optik
Sudut datang berkas cahaya lebih besar dari NA atau sudut kritis maka berkas tidak akan dipantulkan kembali ke dalam serat melainkan akan menembus cladding dan akan keluar dari serat (loss). Semakin besar NA maka semakin
banyak jumlah cahaya yang diterima oleh serat. Akan tetapi sebanding dengan kenaikan NA menyebabkan lebar pita berkurang, dan rugi penyebaran serta penyerapan akan bertambah. Oleh karena itu, nilai NA besar hanya baik untuk aplikasi jarak pendek dengan kecepatan rendah. Besarnya Numerical Aperture (NA) dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut :
NA = sin 𝜃𝑚𝑎𝑥 = 𝑛12− 𝑛22 = 𝑛1 2∆ (2.16) Dimana 𝑛1 adalah indeks bias inti, 𝑛2 adalah indeks bias cladding, dan ∆ adalah beda indeks bias relatif.
2.7.2. Pembagian Serat Optik
2.7.2.1. Berdasarkan mode yang dirambatkan
Pembagian serat optik dapat dilihat berdasarkan mode yang dirambatkan yaitu sebagai berikut:
1. Single mode : Mempunyai inti yang kecil (berdiameter 0.00035 inch atau 9 micron) dan berfungsi mengirimkan sinar laser inframerah (panjang gelombang 1300-1550 nanometer) diameter mendekati panjang gelombang sehingga cahaya yang masuk ke dalamnya tidak terpantul-pantul ke dinding cladding.
Gambar 2.11. Serat optik single mode (monomode)
2. Multimode : Mempunyai inti yang lebih besar (berdiameter 0.0025 inch atau 62.5 micron) dan berfungsi mengirimkan sinar laser inframerah (panjang gelombang 850-1300 nanometer) serat optik dengan diameter core yang agak besar yang membuat laser di dalamnya akan terpantul-pantul di dinding cladding yang dapat menyebabkan berkurangnya bandwidth dari serat optik jenis ini.
Gambar 2.12. Serat optik grade index multimode
2.7.2.2. Berdasarkan indeks bias core :
Serat optik berdasarkan indeks bias inti dapat dibagi menjadi beberapa macam yaitu:
1. Step indeks : pada serat optik step indeks, core memiliki indeks bias yanghomogen.
Gambar 2.13. Serat optik step index multimode
2. Graded indeks : indeks bias core semakin mendekat ke arah cladding semakin kecil. Jadi pada graded indeks, pusat core memiliki nilai indeks bias yang paling besar. Serat graded indeks memungkinkan untuk membawa bandwidth yang lebih besar, karena pelebaran pulsa yang terjadi dapat diminimalkan. Pada serat optik tipe ini, indeks bias berubah secara perlahan-lahan (graded index multimode). Indeks bias inti berubah mengecil perperlahan-lahan mulai dari pusat core sampai batas antara core dengan cladding. Makin mengecilnya indeks bias ini menyebabkan kecepatan rambat cahaya akan semakin tinggi dan akan berakibat dispersi waktu antara berbagai mode cahaya yang merambat akan berkurang dan pada akhirnya semua mode cahaya akan tiba pada waktu yang bersamaan di ujung serat optik (Depi, 2010).
Dalam penelitian skripsi ini, serat optik yang digunakan adalah jenis single mode dengan panjang ± 1 m yang beroperasi pada panjang gelombang 1310/1550 nm yang berfungsi sebagai media transmisi sinyal optik.
2.8. Pembawa Sifat Cahaya (Fiber Coupler)
Serat optik coupler adalah perangkat optik yang menghubungkan tiga atau lebih ujung serat, membagi satu input antara dua atau lebih output, atau menggabungkan dua atau lebih input menjadi satu output. Optical coupler memiliki fungsi yang sama dengan electronic coupler, yaitu membagi sinyal ke beberapa titik atau perangkat. (http://www.exfiber.com)
Gambar 2.14. Optical coupler (http:// www.thorlabs.com)
Excess loss dalam satuan dB ditentukan oleh perbandingan total daya keluaran dengan daya total masukan:
𝐸𝑥𝑐𝑒𝑠𝑠 𝐿𝑜𝑠𝑠 𝑑𝐵 = −10 log 𝑃𝑃𝑜𝑟𝑡 1 (𝑚𝑊 )
𝑃𝑃𝑜𝑟𝑡 2 𝑚𝑊 +𝑃𝑃𝑜𝑟𝑡 3 (𝑚𝑊 ) (2.17) 𝑃𝑃𝑜𝑟𝑡 1 adalah daya masukan pada Port 1 dan 𝑃𝑃𝑜𝑟𝑡 2+ 𝑃𝑃𝑜𝑟𝑡 3 adalah total daya keluaran dari Port 2 dan 3, dalam satuan mW.
Insertion loss ditentukan oleh perbandingan antara daya masukan dengan daya keluaran dari satu kaki coupler. Hal ini umumnya dapat ditulis sebagai
𝐼𝑛𝑠𝑒𝑟𝑡𝑖𝑜𝑛 𝐿𝑜𝑠𝑠 𝑑𝐵 = 10 log 𝑃𝑖𝑛 (𝑚𝑊 )
𝑃𝑜𝑢𝑡 𝑚𝑊 (2.18)
Untuk contoh yang lebih spesifik, insertion loss sinyal dari Port 1 ke Port 2 dapat ditulis:
𝐼𝑛𝑠𝑒𝑟𝑡𝑖𝑜𝑛 𝐿𝑜𝑠𝑠 𝑑𝐵 = 10 log 𝑃𝑃𝑜𝑟𝑡 1 (𝑚𝑊 )
𝑃𝑃𝑜𝑟𝑡 2 𝑚𝑊 (2.19)
Dan insertion loss dari Port 1 ke Port 3 adalah
𝐼𝑛𝑠𝑒𝑟𝑡𝑖𝑜𝑛 𝐿𝑜𝑠𝑠 𝑑𝐵 = 10 log 𝑃𝑃𝑜𝑟𝑡 1 (𝑚𝑊 )
𝑃𝑃𝑜𝑟𝑡 3 𝑚𝑊 (2.20)
Insertion loss juga bisa dengan mudah dihitung dengan menyatakan daya dalam satuan dBm. Daya di mW memiliki berhubungan dengan daya di dBm menggunakan persamaan: 𝑃 𝑚𝑊 = 10𝑃 (𝑑𝐵𝑚 )10 (2.21) 50 % 50 % 50:50 100 %
Kemudian, insertion loss dalam satuan dB dapat dihitung sebagai berikut:
𝐼𝑛𝑠𝑒𝑟𝑡𝑖𝑜𝑛 𝐿𝑜𝑠𝑠 𝑑𝐵 = 𝑃𝑖𝑛 𝑑𝐵𝑚 − 𝑃𝑜𝑢𝑡 (𝑑𝐵𝑚) (2.22) (http:// www.thorlabs.com)
2.9. Amplifikasi Optik (EDFA)
Amplifier optik digunakan secara ekstensif dalam link data yang berbasis serat optik. Jenis amplifier yang digunakan pada penelitian ini adalah erbium doped fiber amplifier (EDFA). Medium untuk penguatan adalah serat optik kaca yang didoping dengan ion erbium. Erbium dipompa ke keadaan populasi inversi dengan masukan optik yang terpisah.
Medium penguatan optik erbium doped glass menguatkan cahaya pada panjang gelombang yang berada di 1550 nm, karena panjang gelombang optik tersebut yang mengalami pelemahan minimum dalam serat optik. Erbium doped fiber amplifier (EDFA) memiliki kebisingan yang rendah dan dapat menguatkan berbagai panjang gelombang secara bersamaan.
Gambar 2.15. Kofigurasi EDFA
Pump optik dikombinasikan dengan sinyal optis ke dalam serat erbium doped dengan multiplekser divisi panjang gelombang. Sebuah multiplekser kedua menghilangkan cahaya pump residu dari serat. Isolator optik digunakan untuk mencegah cahaya yang dipantulkan dari bagian-bagian lain dari sistem optik memasuki penguat. (http://opti500.cian-erc.org)
Gain dari sebuah penguat dinyatakan sebagai perbandingan antara level sinyal masukan dan level sinyal keluaran, biasanya dinyatakan dalam dB.
𝐺𝑎𝑖𝑛 dB = 10 log10 PP𝑠𝑖𝑔𝑛𝑎𝑙 −𝑜𝑢𝑡
𝑠𝑖𝑔𝑛𝑎𝑙 −𝑖𝑛 2.23
Secara konseptual sederhana, pengukuran gain dari penguat optik dipengaruhi oleh efek polarisasi dan noise optik broadband yang menyertai sinyal pada keluaran penguat. (P. C. Becker, 1997)
2.10. Fotodetektor
Fotodetektor atau detektor cahaya adalah sebagai alat penerima sinyal optik. Fotodetektor mengubah sinyal optik menjadi sinyal elektrik. Keluaran dari penerima adalah sinyal elektrik yang memenuhi spesifikasi dari pengguna kekuatan sinyal, level impedansi, bandwidth, dan parameter lainnya.
Prinsip kerja fotodetektor adalah mendeteksi sinyal cahaya yang datang dan mengubahnya menjadi isyarat listrik yang berisi isyarat informasi yang dikirim. Detektor cahaya menyerap foton cahaya dan menghasilkan elektron, yaitu elektron yang dapat menghasilkan arus listrik. Arus listrik tersebut kemudian diperkuat untuk selanjutnya diolah sehingga dapat ditampilkan atau dikeluarkan pada rangkaian elektronika.
Untuk mendapatkan hasil yang optimum untuk aplikasi sistem komunikasi optik, maka detektor cahaya harus memiliki fitur-fitur sebagai berikut:
1. Sensitivitas, kepekaan terhadap cahaya yang datang. Arus listrik yang dihasilkan harus sebesar mungkin dalam merespon daya optik masukan. Karena detektor cahaya ini selektif terhadap panjang gelombang (responnya terbatasi oleh rentang panjang gelombang), maka sensitivitas ini harus bernilai besar pada daerah panjang gelombang operasi.
2. Responsibilitas, merupakan perbandingan arus keluar dengan cahaya masuk. Waktu respon terhadap sinyal optik masukan harus cepat. Detektor cahaya harus mampu menghasilkan arus listrik meski pulsa optik masukan berlangsung dalam waktu yang cepat. Hal ini akan memungkinkan untuk menerima data dengan laju bit tinggi.
3. Untuk sistem penerimaan data analog, detektor cahaya harus memiliki hubungan masukan-keluaran yang linier. Hal ini diperlukan untuk menghindari distorsi sinyal keluaran.
4. Derau (internal noise) harus sekecil mungkin agar piranti dapat mendeteksi sinyal optik masukan sekecil mungkin.
5. Efisiensi, merupakan perbandingan jumlah lubang elektron yang terjadi terhadap foton yang masuk. Bila jumlah lubang elektron yang terjadi mendekati banyaknya jumlah foton yang masuk maka lebih baik.
6. Waktu respon atau rise time, merupakan kecepatan yang dibutuhkan untuk menghasilkan arus terhadap cahaya yang masuk.
7. Bandwidth, berpengaruh terhadap waktu respon. Dan beberapa karakteristik penting lainnya, misalnya keandalan, stabilitas, dan kekebalan terhadap pengaruh lingkungan. (Cindy, 2013)
