UNIVERSITAS INDONESIA

(1)

UNIVERSITAS INDONESIA

RANCANG BANGUN SISTEM PENGUATAN OPTIK

ERBIUM DOPED FIBER AMPLIFIER (EDFA) PADA RENTANG

PANJANG GELOMBANG L BAND

TESIS

NAMA: ANWAR MUJADIN

NPM: 0906577570

FAKULTAS TEKNIK

PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO

DEPOK

(2)

Universitas Indonesia

UNIVERSITAS INDONESIA

RANCANG BANGUN SISTEM PENGUATAN OPTIK

ERBIUM DOPED FIBER AMPLIFIER (EDFA) PADA RENTANG

PANJANG GELOMBANG L BAND

TESIS

Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Teknik

NAMA: ANWAR MUJADIN

NPM: 0906577570

FAKULTAS TEKNIK

PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO

KEKHUSUSAN OPTOELEKTRONIKA DAN

APLIKASI LASER

DEPOK

(3)

HALAMAN PERNYATAAN ORISINILITAS

Tesis ini adalah hasil karya saya sendiri,

dan semua sumber baik yang dikutip maupun yang dirujuk telah saya nyatakan dengan benar

Nama : Anwar Mujadin

(4)

2

HALAMAN PENGESAHAN

Tesis ini diajukan oleh :

NPM : 0906577570

Program Studi : Teknik Elektro

Judul Tesis : Rancang Bangun Sistem Penguatan Optik

Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA) pada Rentang Panjang Gelombang L Band.

Telah berhasil dipertahankan di hadapan Dewan Penguji dan diterima sebagai bagian persyaratan yang diperlukan untuk memperoleh gelar Magister Teknik pada Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia.

DEWAN PENGUJI

Ditetapkan di : Depok

Tanggal : 28 Juni 2011

(5)

3

KATA PENGANTAR/UCAPAN TERIMAKASIH

Segala puji dan syukur atas kehadirat Allah SWT berkat, rahmat dan hidayah-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan tesis ini dengan judul

Rancang Bangun Sistem Penguatan Optik Erbium Doped Fiber Amplifier

(EDFA) Pada Rentang Panjang Gelombang L Band . Penulisan Tesis ini

merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan strata dua (S2) Jurusan Teknik Elektro pada Fakultas Teknik Universitas Indonesia. Penulis mengucapkan terima kasih sebesar-besarnya atas segala bantuan dan petunjuk yang diberikan selama penyelesaian tesis ini khususnya kepada :

1. Ibu Dr. Ir. Retno Wigajatri P., MT , selaku dosen pembimbing I yang telah dengan sabar menuntun penulis untuk menyelesaikan tesis ini.

2. Bapak Dr. Ary Syahriar, selaku dosen pembimbing II yang telah memberikan kepercayaan untuk menyelesaikan kegiatan penelitian BPPT yang sinergi dengan tesis penulis.

3. Kepada kedua orang tua penulis, yang selalu mendoakan keselamatan dan kesejahteraan kami sekeluarga semua.

4. Kepada istri dan ke-tiga anak penulis, yang selalu pengertian walaupun waktu keluarga telah habis selama kuliah.

5. Pihak SDM Universitas Al Azhar, yang telah memberikan kesempatan dan peluang untuk melanjutkan studi kejenjang pendidikan yang lebih tinggi. 6. Kelompok peneliti photonik, direktorat PTIK BPPT yang telah

memberikan kepercayaan dan keleluasaan pemakaian instrumen optik yang canggih dan mahal.

Depok, 28 Juni 2011 Penulis

(6)

4

HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI

TUGAS AKHIR UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

Sebagai sivitas akademik Universitas Indonesia, saya yang bertanda tangan dibawah ini :

NPM : 0906577570

Program Studi : Opto-elektonika dan Aplikasi Laser Departemen : Teknik Elektro

Fakultas : Teknik Jenis Karya : Tesis

demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada Universitas Indonesia Hak Bebas Royalti Noneksklusif (Non-exclusive Royalty Free Right) atas karya ilmiah saya yang berjudul :

Rancang Bangun Sistem Penguatan Optik Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA) pada Rentang Panjang Gelombang L Band

beserta perangkat yang ada (jika diperlukan). Dengan Hak Bebas Royalti Noneksklusif ini Universitas Indonesia berhak menyimpan, mengalihmedia/formatkan, mengelola dalam bentuk pangkalan data (database), merawat, dan mempublikasikan tesis saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis/pencipta dan sebagai hak cipta.

Demikianlah pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya.

Dibuat di : Depok Pada tanggal : 28 Juni 2011

(7)

5

ABSTRAK

Program Studi : Opto-elektonika dan Aplikasi Laser Departemen : Teknik Elektro

Judul : Rancang Bangun Sistem Penguatan Optik

Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA) pada

Rentang Panjang Gelombang L Band.

Erbium doped fiber amplifier (EDFA) menjadi kunci utama komponen dense wavelength division multiplexing (DWDM) dalam sistem komunikasi fiber

optik.

EDFA L band relatif bekerja pada inversi populasi rendah dimana energi

absorpsi dan emisi bekerja pada level energi konvensional dengan menghasilkan penguatan positip. Pola daya laser diode pumping (LDP) menjadi bagian terpenting dalam pengaturan EDFA L band, khususnya untuk menentukan penguatan tinggi dengan noise yang rendah. Dalam penelitian ini dikembangkan sebuah rangkaian elektronika menggunakan komponen high end technology dengan stabilitas dan akurasi tinggi dengan fitur: laser diode pumping (LDP),

termo electric cooler (TEC) dan power meter diatas sebuah rangkaian kompak printed circuit board (PCB) terintegrasi.

EDFA diatur pada forward pumping dengan satu buah LDP 980 nm.

Panjang EDFA yang digunakan berukuran 13.5 meter, nilai ini dipilih untuk mengefisienkan daya LDP agar didapat daya keluaran penguatan yang maksimum terhadap daya sinyal masukan minimum. Prototipe dikarakterisasi kemudian diverifikasi menggunakan analisa numerik Matlab untuk menentukan performa sistem penguatan optik EDFA secara keseluruhan.

Parameter unjuk kerja seperti gain dan noise figure (NF) dapat diperoleh dengan mengubah daya laser pompa berturut-turut 53.6 mW, 61.1 mW, 64.83 mW dan 68.25 mW dengan sinyal masukan berturut-turut -20 dBm, -15 dBm, -10 dBm dan -5 dBm. Hasil eksperimen menunjukan bahwa sinyal masukan terkecil -20 dBm dapat dikuatkan hingga diatas 3 dB dengan noise figure (NF) rata-rata dibawah 4 dB.

Kata kunci :

Rangkaian high stability laser diode pumping, penguatan optik, noise figure (NF),

EDFA L Band.

(8)

6

ABSTRACT

Name : Anwar Mujadin

Study Program : Opto-electronic and Laser Aplications Department : Electrical Engineering

Title : The Development of Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA) at L Band Region.

Erbium doped fiber amplifiers (EDFA) have become major key components for dense wavelength division multiplexing (DWDM) optical fiber communication systems.

An L-band EDFA operates in a relatively low population inversion that a positive net gain is produced for L-band signals while energy absorption occurs at the conventional band. Therefore, pumping scheme has become major issues in L band EDFA to obtain high gain and low noise figure (NF) as well as pump power efficiency. In this research we have developed a high stability and accuracy circuit using high end technology components, the feature such as: laser diode pumping, thermo electric cooler and power meter on a compact printed circuit board (PCB). EDFA was regulated at forward pumping using simple single pump structure with 980 nm pump laser and short L band EDFA. Length of EDFA is 13.5 meters were used, the purpose is to get short L band length but with efficient pumping power to get good gain output at several pumping and signal power. Prototype has characterized and verified using numerical analysis Matlab to determine performance of EDFA system overall.

The performance parameter such as gain, NF and output power was taken at L band ITU wavelength standard with four different laser diode pumping powers of 53.6 mW, 61.1 mW, 64.83 mW and 68.25 mW respectively. A range of different input signal power ranging was used of -20 dBm, -15dBm, -10 dBm and -5 dBm respectively. Experimentally, the lowest power at -20 dBm can be amplified up to 3 dB within lowest noise figure bellow 4 dB.

Key Words :

High stability laser diode pumping circuitry, optical amplified, noise figure, EDFA L Band.

(9)

7

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL... i

HALAMAN PERNYATAAN ORSINALITAS... ii

HALAMAN PENGESAHAN... iii

KATA PENGANTAR/UCAPAN TERIMAKASIH... iv

HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI TUGAS... v

AKHIR UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS ABSTRAK... vi

ABSTRACT... vii

DAFTAR ISI... viii

DAFTAR TABEL... xi

DAFTAR GAMBAR... xii

DAFTAR SINGKATAN... xv

DAFTAR SIMBOL ... xvi

DAFTAR LAMPIRAN... xvii

1. PENDAHULUAN... 1 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Perumusan Masalah... 3 1.3 Tujuan Penelitian... 3 1.4 Manfaat Penelitian... 4 1.5 Batasan Penelitian... 4 1.6 Sistimatika Pembahasan... 5 2. TINJAUAN TEORI... 6

2.1 Parameter dan Karakterisasi Fiber yang di-Doping Erbium 6 2.1.1 Level Energi Erbium ... 6

2.1.2 Absorpsi dan Emisi Cross Section... 7

2.1.3 Amplifikasi Sistem Atomik Tiga Tingkat EDFA... 8

2.1.4 Inversi populasi dan Waktu Tinggal ... 9

2.1.5 Parameter Overlap .. 11

2.1.6 Amplified Spontaneous Emission (ASE), Gain dan 12 Noise Figure (NF) 2.1.7 Simulasi Matlab .. 15

2.2 Konfigurasi Setup Sistem Penguatan Optik Erbium Doped .. 17

Fiber Amplifier 2.2.1 Pemilihan laser pemompa ... 19

2.2.2 Fused Fiber Coupler (FFC) ... 21

2.2.3 Wave Length Division Multiplexing Fused Fiber Coupler 23 2.3.3 Isolator Optik ... 24

(10)

8

2.3 Parameter Pengukuran dan Perhitungan Besaran Optik ... 25

2.3.1 Daya dalam Sitem Optik 25 2.3.2 Perhitungan Losses dan Attenuation . 26 2.3.3 Perhitungan Signal to Noise Ratio (SNR) .. 26

2.3.4 Perhitungan Optical Return Loss (ORL) 27 3. METODE PENELITIAN... 3.1 Pencarian Referensi ... 28

3.2 Waktu dan Tempat Penelitian ... 28

3.3 Mekanisme Pengumpulan Data ... 29

3.3.1 Pengambilan Data Pengujian Sistem Integrasi Elektronika... 29

3.3.2 Pengambilan Data Karakterisasi Komponen Optik ... 29

3.3.3 Pengambilan Data Hasil Pengujian Karakterisasi Performa . 29 Penguatan Optik Erbium Doped Fiber Amplifier L Band 3.4

Analisa Data ... 30

4. RANCANG BANGUN SISTEM PENGUATAN OPTIK ERBIUM . 31 DOPED FIBER AMPLIFIER PADA RENTANG PANJANG GELOMBANG L BAND 4.1 Rancang Bangun Sistem Kontrol Elektronika 31 4.1.1 Uji Coba Rangkaian Elektronika diatas Project Board ... 33

4.1.1.1 Rangkaian Laser Diode Driver ADN2830... 33

4.1.1.2 Potensiometer Digital 1024 posisi AD5231... 35

4.1.1.3 Rangkaian Power Meter AD8304... 37

4.1.2 Rancang Bangun Rangkaian Skematik Elektronika ... 39

4.1.3 Rancang Bangun Layout Printed Circuit Board .. 39

4.2 Rancang Bangun Sistem Dumper Komponen Optik ... 41

4.3 Rancang Bangun Susunan Komponen Optik dalam Dumper . 42 5. PENGUJIAN DAN ANALISA SISTEM PENGUATAN OPTIK . 44 ERBIUM DOPED FIBER AMPLIFIER PADA RENTANG PANJANG GELOMBANG L BAND 5.1 Perhitungan Nilai Seting Komponen Pengendali Laser 980 nm... 44

5.2 Karakterisasi Power Meter ... 45

5.3 Karakterisasi Komponen Optik dalam Penguatan Optik Erbium .. . 47

Doped Fiber Amplifier Pada Rentang Panjang Gelombang L Band 5.3.1 Karakterisasi Laser pemompa 980 nm ... 47

5.3.2 Karakterisasi Isolator Optik L band . 50 5.4 Karakterisasi Sistem Penguatan Optik Erbium Doped Fiber ... 52

Amplifier Pada Rentang Panjang Gelombang L Band

5.4.1 Karakterisasi Gain Penguatan Optik Erbium Doped Fiber 54 Amplifier dengan Variasi Daya Pompa

(11)

9

5.4.2 Karakterisasi Gain Penguatan Optik Erbium Doped Fiber 56 Amplifier dengan Variasi Daya Sinyal

5.4.3 Karakterisasi Gain Erbium Doped Fiber Amplifier dengan .. 57 Variasi Panjang gelombang

5.5 Pengukuran Amplified Spontaneous Emission (ASE) ... 60 5.6 Karakterisasi Gain dan Noise Figure Erbium Doped Fiber .. 61

Amplifier L Band

5.7 Analisa Pendahuluan Menggunakan Simulasi Matlab 65

6. KESIMPULAN... 68

DAFTAR ACUAN . 70

Lampiran Hasil Rancang Bangun Sistem Penguatan Optik . 72 Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA) Pada Rentang Panjang Gelombang L Band

Lampiran Hasil Karakterisasi Sistem Penguatan Optik . ... 88 Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA) Pada Rentang Panjang Gelombang L Band

(12)

10

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Absorpsi ( abs) dan emisi ( abs) cross section pada transisi... 4

I13/2 4I15/2 dalam Er3+ untuk berbagai gelas utama

8

Tabel 2.2 Harga parameter EDFA yang digunakan dalam simulasi .. Matlab .

16

Tabel 4.1 Intruksi perintah 24 bit serial data word AD5231... 36

Tabel 4.2 Tabel kebenaran perintah dan operasi AD5231... 37

Tabel 4.3 Variasi parameter nilai untuk metoda intercept... 38

Tabel LR.1 Bill of Material (BOM) skematik sistem hardware EDFA .. 86 Tabel LK.1 Karakterisasi power monitoring AD8304 (VR1 atau VR2) ..

di-set pada 0.001mW/step.

88

Tabel LK.2 Karakterisasi laser dioda pumping (LDP) LU980L .. 89

Tabel LK.3 Karakterisasi isolator optik L band (Opnoti tipe .. 1S-D-15-250-1-1-NE sinyal masukan -20 dBm pengujian pada rentang L band.

90

Tabel LK.4a Karakterisasi EDFA L band panjang 13.5 meter untuk daya sinyal konstan -20 dBm pengujian pada L band ITU.

91

Tabel LK.4b Karakterisasi EDFA L band panjang 13.5 meter untuk daya sinyal konstan -15 dBm pengujian pada L band ITU.

92

Tabel LK.4c Karakterisasi EDFA L band panjang 13.5 meter untuk daya sinyal konstan -10 dBm pengujian pada L band ITU.

93

Tabel LK.4d Karakterisasi EDFA L band panjang 13.5 meter untuk daya sinyal konstan -5 dBm pengujian pada L band ITU.

94

Tabel LK.5a Karakterisasi EDFA L band panjang 13.5 meter untuk daya ... pompa konstan 150 mA (53.6 mW) pengujian pada ITU.

95

Tabel LK.5b Karakterisasi EDFA L band panjang 13.5 meter untuk daya ... pompa konstan 160 mA (61.14 mW) pengujian pada ITU.

96

Tabel LK.5c Karakterisasi EDFA L band panjang 13.5 meter untuk daya ... pompa konstan 170 mA (64.83 mW) pengujian pada ITU.

97

(13)

11

Tabel LK.5d Karakterisasi EDFA L band panjang 13.5 meter untuk

daya pompa konstan 180 mA (68.25 mW) pengujian pada ITU. 98

Tabel LK.6a Karakterisasi EDFA L band panjang 13.5 meter variasi daya... sinyal terhadap daya pompa konstan pada 1580.35 nm

99

Tabel LK.6b Karakterisasi EDFA L band panjang 13.5 meter variasi daya... sinyal terhadap daya pompa konstan pada 1590.41 nm

99

Tabel LK.7a Karakterisasi EDFA L band panjang 13.5 meter daya sinyal konstan terhadap variasi daya pompa pada 1580.35 nm

100

Tabel LK.7b Karakterisasi EDFA L band panjang 13.5 meter daya sinyal konstan terhadap variasi daya pompa pada 1590.41 nm

100

Tabel LK.8 Karakterisasi ASE, gain , dan NF EDFA L band panjang 13.5 meter daya sinyal pada arus LDP tetap 150 mA daya sinyal -20 dBm pengujian pada ITU Grid.

101

Tael LK.9 Spesifikasi kanal frekuensi komunikasi serat optik berdasarkan

ITU Grid

(14)

12

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Struktur level energi Erbium berikut notasi energinya

6

Gambar 2.2 Proses absorpsi, emisi spontan, emisi terangsang . 7

Gambar 2.3 Sistem atomik tiga tingkat untuk model amplifikasi EDFA . 9

Gambar 2.4 Garis melintang mode optis overlap pada sebuah distribusi Ion erbium

12

Gambar 2.5 Konfigurasi setup EDFA dengan cara a) forward pumping .. b) backward pumping c) bidirectional pumping.

18

Gambar 2.6 Pola spektroskopi ASE pada EDFA . . 18

Gambar 2.7 Level eksitasi dan panjang gelombang ion Er3+ ... 19

Gambar 2.8 Performa uncooled 980nm mini DIL .. 20

Gambar 2.9 Fused Fiber Coupler (FFC) .. 21

Gambar 2.10 Distribusi daya fused fiber coupler (FFC) . 22

Gambar 2.11 Daya sebagai fungsi dan panjang tarikan dengan rentang gelombang 980nm dan 1580nm

23

Gambar 2.12 Disain isolator optik untuk lintasan optik yang menjalar . maju (foward) dan balik (backward).

24

Gambar 2.13 Pengukuran power loss pada fiber .. .. 26

Gambar 3.1 Peralatan optik milik lab Photonik PTIK BPPT . ...

28

Gambar 4.1 Diagram blok rangkaian integrasi elektronika

32

Gambar 4.2 Uji coba rangkaian elektronika diatas project board .. 33

Gambar 4.3 Rangkaian laser driver pada current boosting mode untuk . arus injeksi maksimum 40 mA (IBIAS).

34

Gambar 4.4 Diagram blok AD5231 digitas potensiometer [15] . 36

Gambar 4.5 Power meter dengan metoda lowering intercept [16]

38

Gambar 4.6 Screen shoot rangkaian rancang bangun skematik elektronika 39

(15)

13

Gambar 4.7 Screen shoot perancangan layout PCB ..

40

Gambar 4.8 Dumper komponen optik setelah di susun .. .. 41 Gambar 4.9 Konfigurasi komponen optik dalam dumper . 43

Gambar 5.1 Konfigurasi karakterisasi power meter .

45

Gambar 5.2 Grafik hasil karakterisasi power meter daya masukan ... (mW) terhadap tegangan keluaran Vout (mV).

46

Gambar 5.3 Konfigurasi karakterisasi LDP 980 nm

48

Gambar 5.4 Grafik hasil karakterisasi LDP 980 nm (LU980L) arus .. injeksi (mA) terhadap daya keluaran (mW).

49

Gambar 5.5 Screen shoot pola daya LDP pada saat lasing di 26mA . 49 Gambar 5.6 Screen shoot pola daya LDP dengan arus injeksi 150 mA

50

Gambar 5.7 Konfigurasi karakterisasi isolator optik

51

Gambar 5.8 Screen shoot hasil karakterisasi isolator optik dengan . metode synchronize.

52

Gambar 5.9 Konfigurasi karaterisasi EDFA L band dengan konfigurasi

forward pumping.

53

Gambar 5.10 Pola gain EDFA variasi daya pompa terhadap daya sinyal .. konstan -20dBm, -15 dBm, -10 dBm dan -5 dBm.

55

Gambar 5.11 Pola gain EDFA , variasi daya sinyal terhadap daya pompa... konstan 53.6 mW, 61.14 mW, 64.83 mW, 68.25 mW

57

Gambar 5.12 Pola gain EDFA , variasi daya sinyal terhadap daya pompa... konstan pada panjang gelombang 1580.35nm dan 1590.41nm

58

Gambar 5.13 Pola gain EDFA , daya sinyal konstan terhadap variasi daya pompa pada panjang gelombang 1580.35 nm dan 1590.41nm

59

Gambar 5.14 Pola spektrum ASE Lband EDFA 13.5 m daya pompa 53.6.. mw (150 mA arus injeksi)

60

Gambar 5.15 Sinyal penguatan EDFA -2.65 dBm untuk sinyal 1589.52nm... (-20 dBm)

(16)

14

Gambar 5.16 Pola spektrum ASE EDFA L band (13.5 m) dengan daya .. 53.6 mW (tanpa sinyal masukan)

63

Gambar 5.17 Pola spektrum gain dan NF EDFA L band (13.5m) dengan daya pompa 53mW pada daya sinyal -20 dBm konstan

64

Gambar 5.18 Gain terhadap daya sinyal masukan untuk daya daya .. pompa 53.6 mW (dekat daerah saturasi).

66

Gambar 5.19 Gain terhadap daya pompa untuk variasi sinyal masukan . 20dBm, -15 dBm, -10dBm dan -5 dBm

67

Gambar 5.20 ASE terhadap variasi daya pompa .. 67

Gambar L.1 Rangkaian elektronika mikrokontroler dan TEC ..

72

Gambar L.2 Rangkain elektronika power meter dan laser controller .. 73

Gambar L.3 Jalur tembaga PCB bagian atas . 74

Gambar L.4 Jalur tembaga PCB bagian bawah . 75

Gambar L.5 Silkscreen legend PCB jalur atas . 76 Gambar L.6 Silkscreen legend PCB jalur bawah. . 77 Gambar L.7 Solder mask PCB jalur atas

78

Gambar L.8 Solder mask PCB jalur bawah ... 79

Gambar L.9 Bagian tutup dumper komponen optik

80

Gambar L.10 Bagian landasan sparasi dumper komponen optik

81

Gambar L.11 Bagian sparasi dumper komponen optik

82

Gambar L.12 Sistem integrasi elektronika setelah proses solder dan trouble.

shooting.

83

Gambar L.13 Sistem integrasi elektronika dan dumper (komponen optik . terlihat dalam dumper).

84

Gambar L.14 Flow chart dan alur kerja rangkaian elektronika

85

Gambar L.15 Photo percobaan sistem integrasi elektronika dan komponen... optik sistem penguatan optik EDFA L band

103

(17)

15

DAFTAR SINGKATAN

ASE Amplified Spontaneous Emission C-Band Conventional Band

CW Continues Wave

DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier

FBG Fiber Bragg Grating

FFC Fuse Fiber Coupler

FRA Fiber Raman Amplifier

IC Integrated Circuit

IOA Integrated Optical Amplifier

ITU International Telecommunication Union

L-Band Long Band

LDP Laser Diode Pumping

IL Insertion Loss

LD Laser Diode

LED Light Emitting Diode

MPD Monitor Photo Diode

OA Optical Amplifier

OI Optical Isolator

OSA Optical Spectrum Analyzer

PCB Printed Circuit Board

SLA Semiconductor Laser Amplifier

SMF Single Mode Fiber

TLS Tunable Laser Source

TC Tap Coupler

WDM Wavelength Division Multiplexing WSC Wavelength Selector Coupler

(18)

16

DAFTAR SIMBOL

E1,E2,E3 Tingkatan energi (1,2,3) berturut turut

h Konstanta Plank

v Frekuensi sinyal (cahaya) I

Intensitas medan cahaya Fluk photon

abs

I Intensitas cahaya absorpsi

em

I Intensitas cahaya emisi

21 Cross section emisi 12

Cross section absorpsi

4

I15/2 Ground state (tingkatan 1) 4

I13/2 metastable state (tingkatan 2) 4

I11/2 unstable state (tingkatan 3)

A32 A21 Emisi spontan 3 ke 2, Emisi spontan dan 2 ke 1 W12 dan W21 Sinyal datang dan emisi terangsang sinyal

p

v ,vs _{Frekuensi pompa dan frekuensi sinyal}

p, s Fluk photon pompa dan Fluk photon sinyal (a)

p

Laju absorpsi pompa dari tingkat 1 ke tingkat 3

(a)

s Laju absorpsi sinyal dari tingkat 1 ke tingkat 2 (e)

p Laju emisi pompa dari tingkat 3 ke 1 (e)

s Laju emisi sinyal dari tingkat 2 ke 1 32 Probalitas transisi dari tingkat 3 ke 2 21 Probalitas transisi dari tingkat 2 ke 1

32 dan 21 Waktu tinggal tingkat 3 ke 2 dan tingkat 2 ke 1 N1,N2,N3 Laju perubahan populasi ion di tingkat 1, 2, dan 3

Faktor overlap

eff

A Luas efektif cross sectional

w Ukuran spot (Gaussian beam)

(19)

17

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1 Hasil Rancang Bangun .. . 72

Rangkaian elektronika mikrokontroler dan TEC .. .. 72

Rangkain elektronika power meter dan laser controller .. 73

Jalur tembaga PCB bagian atas . 74

Jalur tembaga PCB bagian bawah . 75

Silkscreen legend PCB jalur atas

76

Silkscreen legend PCB jalur bawah.

77

Solder mask PCB jalur atas .. 78

Solder mask PCB jalur bawah .. 79 Bagian tutup dumper komponen optik .. 80

Bagian landasan sparasi dumper komponen optik .. 81

Bagian sparasi dumper komponen optik .. 82

Sistem integrasi elektronika setelah proses solder dan trouble

shooting.

83

Sistem integrasi elektronika dan dumper (komponen optik terlihat dalam dumper).

84

Flow chart dari alur kerja rangkaian elektronika

85

Bill of Material (BOM) skematik . 86 Lampiran 2 Data Hasil Karakterisasi

88

Karakterisasi power monitoring AD8304 (VR1 atau VR2) diatur pada 0.001mW/step.

88

Karakterisasi laser dioda pumping (LDP) LU980L

89

(20)

18

Karakterisasi EDFA L band panjang 13.5 meter daya sinyal (-20 dBm) pengujian pada L band ITU.

91

92

93

94

Karakterisasi EDFA L band panjang 13.5 meter pada .. untuk daya pompa konstan 150 mA (53.6 mW) pengujian pada ITU

95

Karakterisasi EDFA L band panjang 13.5 meter pada .. untuk daya pompa konstan 160 mA (61.14 mW) pengujian pada ITU.

96

Karakterisasi EDFA L band panjang 13.5 meter pada . untuk daya pompa konstan 170 mA (64.83 mW) pengujian pada ITU.

97

Karakterisasi EDFA L band panjang 13.5 meter pada .. untuk daya pompa konstan 180 mA (68.25 mW) pengujian pada ITU.

98

Karakterisasi EDFA L band panjang 13.5, variasi daya sinyal terhadap daya pompa konstan ( 1580.35 nm)

99

Karakterisasi EDFA L band panjang 13.5, variasi daya ... sinyal terhadap daya pompa konstan ( 1590.41 nm)

99

Karakterisasi EDFA L band panjang 13.5, variasi daya . pompa terhadap variasi daya sinyal konstan ( 1580.35 nm)

100

Karakterisasi EDFA L band panjang 13.5, variasi daya pompa terhadap variasi daya sinyal konstan ( 1590.41 nm)

100

Karakterisasi ASE, gain dan NF EDFA L band panjang 13.5 meter pada arus LDP tetap 150 mA daya sinyal -20 dBm Pengujian pada ITU Grid.

101

(21)

1

BAB 1 PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Sistem komunikasi serat optik merupakan jaringan komunikasi yang paling populer saat ini khususnya untuk jaringan komunikasi ring metro. Seiring dengan

kebutuhan informasi yang serba cepat dan akurat, saluran serat optik menjadi pilihan utama bagi para penyedia layanan komunikasi (provider), karena serat optik ini mampu menyalurkan data dalam orde giga bit per second (Gbps) hingga tera bit per second (Tbps) pada frekuensi optik antara 0,3 THz - 30.000 THz. Berdasarkan panjang gelombang optis yang digunakan, komunikasi serat optik dibagi dalam tiga kelompok kanal yaitu S band (1450 nm-1530 nm), C band (1530 nm-1570 nm) dan L band (1570 nm-1620 nm) sesuai badan standarisasi international

telecommunication union (ITU) [1]. Tiga kelompok kanal frekuensi komunikasi

serat optik berdasarkan ITU diperlihatkan pada lampiran [Tabel LK.9].

Sinyal optik dalam saluran transmitter optik akan mengalami pelemahan pada rentang jarak tertentu, sehingga diperlukan repeater untuk memperkuat dan memperbaiki sinyal tersebut. Untuk mengatasi hal ini, banyak usaha telah dilakukan, sehingga diperoleh suatu repeater yang serba optik yaitu sinyal optik yang sudah lemah tidak dikonversi lagi ke listrik melainkan langsung diperkuat secara optical amplifier sehingga diperoleh sinyal yang kuat tanpa mengalami degradasi akibat konversi.

Para ahli telah melakukan penelitian terkait dengan repeater secara optik ini, akhirnya pada dekade 80-an, ditemukan teknologi penguatan optik menggunakan aktif medium doped fiber amplifer (DFA). DFA bekerja berdasarkan pengalihan energi photon konvesional dari tingkatan energi sebuah atom maupun ion (kristalin). Sinyal lemah yang melewati aktif medium kemudian dicampur dengan sinyal photon pemompa, sehingga aktif medium ini akan menghasilkan cahaya emisi terangsang yang koheren dengan panjang gelombang sinyal. Emisi terangsang ini akhirnya akan mengakibatkan amflipikasi sinyal masukan di jalur keluaran DFA ini.

Penelitian para ahli dilanjutkan lagi dengan mencari solusi bahan aktif, media serat (gelas) dan sinyal pemompanya. Akhirnya ditemukanlah aktif medium

(22)

2

Universitas Indonesia .

yang di-doping bahan utama ion kristalin erbium (Er3+) dan beberapa bahan host gelas, termasuk dengan sinyal pemompanya yaitu 980 nm atau 1480 nm. Kemudian DFA ini dikenal dengan nama erbium doped fiber (EDF) [2].

Bahan aktif EDF akan memberikan penguatan sinyal apabila diberi energi photon dengan panjang gelombang 980 nm atau 1480 nm yang dihasilkan laser

diode pumping (LDP), energi tersebut akan menaikkan ion-ion erbium dari tingkat

energi ground state ke tingkat excited state. Ion-ion pada tingkat energi excited

state membentuk inversi populasi kumpulan ion yang siap runtuh kembali ke

tingkat ground state. Ion akan runtuh secara spontan dengan melepaskan cahaya yang mempunyai frekuensi dan fasa yang sama dengan sinyal masukan. Inversi populasi mempunyai masa lifetime tergantung jenis dan bahan doping dan host

glass. Penguatan yang dihasilkan oleh EDF sangat dipengaruhi oleh dua parameter

utama yaitu absorption cross section ( a) sebagai parameter yang menunjukkan tingkat absorpsi EDF terhadap daya pompa yang dikenakannya dan emission cross

section ( e) adalah tingkat penguatan yang dihasilkan oleh medium [3].

Perlu diluruskan presepsi kesalahan publik mengenai kata EDF dan EDFA.

EDF adalah serat optik yang telah di-doping dengan erbium, sedangkan EDFA

adalah sistem penguatan optik berbasis EDF yang di dalamnya terdapat komponen optik pasif dan aktif pendukung, rangkaian elektronika pengendali dan catu daya. Sebagain besar pihak pabrikan yang mengeluarkan data teknis dengan kata EDFA padahal yang mereka jual adalah hanya serat optik EDF saja. Saat ini, EDF tidak hanya digunakan sebagai penguat melainkan banyak digunakan sebagai sensor optik.

Beberapa penelitian telah dilakukan terkait dengan setup sistem penguatan optik EDFA ini terutama dari penempatan LDP. Pada umumnya terdapat tiga konfigurasi setup EDFA yaitu: forward pumping, backward pumping, dan

bidirectional pumping. Ketiga konfigurasi setup EDFA memiliki penggunaan

komponen yang sama seperti: EDF, LDP, wavelength division multiplexing

(WDM), optical isolator (OI), fused coupler (FC), dan sistem integrasi elektronika.

Sistem integrasi elektronika terdiri dari mikrokontroler, adjustable LDP current

(23)

3

setiap kanal sistem penguatan optik EDFA memiliki amplified spontaneous

emission (ASE) yang unik. Gain yang dihasilkan dipengaruhi oleh empat

parameter yaitu: panjang EDF, panjang gelombang sinyal masukan, daya sinyal masukan, dan daya sinyal pompa [4].

Rancang bangun sistem penguatan optik EDFA perlu biaya yang sangat mahal, termasuk pengadaan tools dan optical instrument yang digunakan. Untuk melengkapi sistem integrasi elektronika pada sistem komunikasi optik EDFA, di pasaran lepas tersedia hardware elektronika berupa Evaluation Board (EB) yang dijual terpisah-pisah yang dijual dengan harga yang mahal juga.

Di Indonesia, selama ini sistem penguatan optik EDFA dilakukan hanya sebatas simulasi, walaupun ada hanya sebatas pengaturan LDP saja. Rancang bangun sistem penguatan optik EDFA dibutuhkan pemikiran yang matang dalam pengadaan barang dan pengerjaan (hemat biaya). Pengadaan EB hanya membuang biaya, karena setelah penelitian selesai EB ini tidak bisa dijadikan prototipe. Pengadaan EB dapat dieliminasi, namun demikian dibutuhkan persiapan yang relatif lama, pertama manual book EB harus dibongkar untuk meneliti kelayakan rangkaian elektronik, fitur teknologi, ketersediaan komponen di pasaran lepas, dan kecocokan dengan komponen aktif optik pendukungnya.

Rancang bangun sistem penguatan optik EDFA dalam penelitian ini, seluruhnya tanpa pembelian EB khususnya pada bagian: pengendalian LDP, TEC, potensiometer digital, dan power meter monitoring. Urutan penelitian rancang bangun sistem penguatan optik EDFA pada rentang panjang gelombang L band ini terdiri dari tiga bagian utama yaitu: rancang bangun sistem kontrol elektronik, rancang bangun sistem dumper optik dan rancang bangun konfigurasi komponen optik EDFA dalam dumper optik. Penelitian diakhiri dengan karakterisasi performa EDFA untuk EDF jenis L band panjang 13.5 meter. Performa utama

EDFA adalah menentukan gain dan noise figure (NF) yang diuji pada variasi

panjang gelombang sinyal masukan, variasi daya sinyal masukan, dan variasi daya pompa.

1.2Perumusan Masalah

(24)

4

Universitas Indonesia adalah:

a. Rancang bangun sistem pendukung EDFA terdiri dari rancang bangun kontrol elektronik, rancang bangun sistem dumper optik dan rancang bangun konfigurasi komponen optik EDFA dalam dumper optik.

b. Karakterisasi: LDP 980 nm, power meter, dan komponen optik pasif. c. Hubungan gain dan NF terhadap panjang EDF yang telah ditentukan

untuk komposisi: panjang gelombang sinyal masukan (L band ITU grid), panjang gelombang dominan, daya masukan dan daya sinyal pemompa.

1.3 Tujuan Penelitian

Tujuan yang hendak dicapai dalam penelitian ini adalah :

a. Mempelajari rancang bangun sistem penguatan optik EDFA berbasis mikrokontroler.

b. Mempelajari karakterisasi komponen pendukung sistem penguatan optik

EDFA termasuk komponen optik pasif, komponen optik aktif, dan

komponen elektronika pengendali.

d. Mempelajari karakterisasi gain, noise figure (NF), dari panjang EDF yang telah ditentukan, terhadap komposisi panjang gelombang sinyal masukan, daya masukan dan daya sinyal pemompa.

e. Membuat prototipe sistem penguatan optik EDFA kedalam kemasan berorientasi produk.

1.4 Manfaat Penelitian

Manfaat penelitian yang hendak dicapai dalam penelitian ini adalah sebagai berikut:

a. Memahami optimasi sistem EDFA pada panjang EDF yang telah ditentukan terhadap variasi: panjang gelombang sinyal masukan, daya sinyal masukan, dan daya sinyal pompa.

b. Didapatkan daya kualitatif gain dan noise figure (NF) sesuai standar yang ditetapkan ITU.

c. Hasil penelitian mempunyai nilai jual kompetitif dengan divais yang sama yang ada di pasaran pada saat ini.

(25)

5

1.5 Batasan Penelitian

Penelitian dibatasi dalam beberapa aspek utama yaitu:

a. Rancang bangun sistem penguatan optik EDFA menggunakan: 13.5 meter panjang EDF jenis L band, konfigurasi dibangun secara forward

pumping dengan satu jenis laser pemompa yaitu laser dioda 980 nm.

b. Menggunakan mikrokontroler ATMega8535, komponen elektronik pengendali optik menggunakan komponen pabrikan Analog Device.

c. Analisa pendahuluan disimulasikan menggunakan Matlab pada panjang gelombang sinyal masukan dominan 1580.35 nm, daya sinyal dan pompa divariasikan untuk mencari optimasi besaran gain .

d. Teknik pengendalian daya laser pemompa dilakukan dengan mengatur arus injeksi berturut-turut dari 150 mA, 160 mA, 170 mA dan 180 mA, sehingga menghasilkan daya pompa berturut-turut 53.6 mW, 61.14 mW , 64.83 mW dan 68.25 mW .

e. Sinyal masukan L band pada rentang ITU grid L band 1570 nm sampai 1610 nm disimulasikan dengan satu instumen tunenable laser source (TLS), dengan sinyal masukan simulasi berturut-turut -20 dBm, -15 dBm, -10 dBm dan -5 dBm. Sinyal keluaran dimonitor oleh satu instrumen optical spectrum analyzer (OSA).

1.6 Sismatika Pembahasan

Sistimatika pembahasan dalam penelitian ini dibagi dalam 6 bab. Pada Bab 1 akan diterangkan uraian dan latar belakang melakukan penelitian, masalah dan perumusannya, tujuan dan manfaat penelitian, batasan penelitian, dan sistimatika pembahasan. Bab 2 berisikan tinjauan pustaka mengenai karakteristik serat optik yang di-doping erbium dengan model matematisnya, komponen pasif optik pendukung EDFA dan teknik pembacaan daya dalam sistem optik. Pada Bab 3 dibahas metode penelitian mengenai pencarian referensi, tempat penelitian, mekanisme pengumpulan data, dan pengambilan data hasil pengujian. Bab 4 berisi rancang bangun sistem penguatan optik EDFA terutama dalam menjelaskan sistem optik dan elektronik. Pada Bab 5 dibahas karakterisasi dan pembahasan hasil

(26)

6

Universitas Indonesia eksperimen. Bab 6 sebagai penutup berisikan kesimpulan.

BAB 2

TINJAUAN TEORI

Dalam tinjauan teori ini akan dibahas mengenai landasan teori komponen yang digunakan dalam merancang bangun rangkaian sistem penguat optik EDFA, secara garis besar tinjauan teori dibagi dalam empat yaitu: teori dasar karakteristik dan parameter fiber yang di-doping Erbium, komponen optik pasif pendukung

EDFA, teknik pengukuran dan tatacara pembacaan daya optik, dan terakhir adalah

pengukuran dan perhitungan parameter penguatan EDFA seperti ASE, gain, dan

noise figure (NF).

2.1 Parameter dan Karakteristik Fiber yang di-Doping Erbium

Dalam subbab ini akan dibahas mengenai sifat fiber yang di-doping erbium terutama mengenai absorpsi dan emisi cross section, life time, gain, ASE dan

noise figure (NF).

2.1.1 Level Energi Ion Erbium

Struktur level energi ion Erbium berikut notasinya ditunjukan pada Gambar 2.1 berikut [6].

(27)

7

Gambar 2.1 Struktur level energi Erbium berikut notasi energinya [6].

2.1.2 Absorpsi dan Emisi Cross Section

Cross section merupakan parameter yang menyatakan kemampuan suatu

ion untuk mengabsorpsi atau mengemisi cahaya, dua keadaan tersebut mempunyai hubungan dengan energi El dan E2 (El<E2). Probabilitas transisi untuk mengabsorpsi suatu photon dari energi E2E1 adalah sebanding dengan cross

sectio n absorpsi 12 dan untuk emisi photon adalah sebanding dengan cross

section emisi 21. Diantara 2 tingkat energi tersebut memiliki perbedaan energi E_g

= E2-E1. Bila ada energi photon sebesar hv (dimana h = konstanta planck, v = frekuensi cahaya) diserap oleh ion Er3+ (terangsang), ion akan dieksitasi kedalam energi tingkat tertinggi E2, proses ini didefinisikan sebagai absorpsi terangsang. Eksitasi ion tidak berlangsung lama dan akan kembali ke tingkat normal E1, dengan mengemisi energi yang sama dengan frekuensi photon, proses ini didefinisikan sebagai emisi terangsang. Proses absorpsi dan emisi dapat menghasilkan transisi ion dari satu tingkat ke tingkat lain. Adapun hubungan transisi ion-ion tersebut ditunjukan dalam Gambar 2.2 [6].

Gambar 2.2 (a) Proses absorpsi. (b) Proses emisi spontan. (c) Emisi terangsang [6].

Intensitas cahaya dari energi photon per unit area per unit waktu, untuk flux photon , didefinisikan oleh:

I=hv

(2.1) Probalitas transisi untuk absorpsi dan emisi dari energi photon secara proposonal terdapat dalam absorpsi 12 dan emisi 21 cross section. intensitas cahaya absorpsi

dan emisi ion dengan intensitas cahaya datang I didefinisikan sebagai: E2 E1 E2 E1 hv hv (a) (b) E2 E1 hv (c) hv hv 6

(28)

8 Universitas Indonesia abs 12 I = I

(2.2) em 21 I = I

(2.3)

laju absorpsi dan emisi dalam sejumlah photon didefinisikan sebagai :

abs ₁₂

N =

(2.4)

N = em 21 (2.5)

Kemudian untuk koleksi ion yang telah diidentifikasi dengan population N1 dan N2, total perubahan intensitas cahaya adalah [6]:

em abs 2 21 1 12

I=I -I =(N -N )I

(2.6)

Absorpsi ( ₁₂) dan emisi ( ₂₁) cross section pada transisi 4I13/2 4I15/2 dalam Er3+ untuk berbagai gelas utama ditunjukan pada Tabel 2.1 [6].

Tabel 2.1. Absorpsi ( 12) dan emisi ( 21) cross section pada transisi 4

I13/2 4I15/2 dalam Er3+ untuk berbagai gelas utama [6].

Host Glass (Gelas Utama) Wavelength ₁₂ ₂₁

(nm) x10-21cm2 x10-211cm2 Al-P silica 1531 6,60 5,70 Silicate L-22 1536 5,80 7,27 F1uorophosphate L11 1533 6,99 7,16 F1uorophosphate L14 1532 5,76 5,79 F1uorozirconate F88 1531 4,98 4,95 GeO2-Si02 1530 7,9±0,3 6,7±0,3 Al2O3-SiO2

1530 5,1±0,6 4,4±0,6 GeO2-Al2O3-SiO2

1530 4,7±1,0 4,4±1,0

2.1.3 Amplifikasi Sistem Atomik Tiga Tingkat Erbium Doped Fiber

Sistem atomik tiga tingkat amplifikasi dari erbium doped fiber (EDF) ditentukan oleh struktur tiga tingkat energi dari ion Er3+. Gambar 2.3 diperlihatkan sistem atomik tiga tingkat untuk model amplifikasi EDF [6]. Jumlah populasi dalam masing-masing tingkat diberi label N1, N2, dan N3. Tiap tingkat sesungguhnya adalah kumpulan space energi yang dinamakan multiplet [6]. Tiga tingkat energi dari ion Er3+ adalah: 4I15/2 ground state diberi label 1, 4I13/2

(29)

9

metastable state diberi label 2 dan 4I11/2 unstable state diberi label 3.

Untuk proses amplifikasi, beberapa populasi dari ion erbium pada tingkat 1 perlu di eksitasi ke tingkat tinggi ( tingkat 2 dan tingkat 3), diperlukan pompa photon untuk mengeksitasi ion erbium dari tingkat 1 ke tingkat lebih tinggi. Ion erbium dari tingkat 1 akan tereksitasi ke tingkat 3 bila diberi cahaya pemompa 980 nm.

Ion erbium yang dieksitasi ke tingkat atas dapat kembali ke tingkat lebih rendah dengan menghasilkan cahaya emisi. Cahaya emisi dapat terjadi melalui dua proses, dikenal sebagai emisi spontan (A32 , A21 ) dan emisi terangsang (W21 ).

4 I11/2 4 _I 13/2 4 I15/2 1 3 2 R31 A21 A32 W12 W21 R13 Pump 980 nm

Gambar 2.3 Sistem atomik tiga tingkat untuk model amplifikasi EDF [6].

Emisi terangsang (W21) menghasilkan cahaya koheren yang sama dengan frekuensi sinyal photon (W12), photon akan dipancarkan pada arah dan frekuensi yang sama dengan sinyal photon sehingga terjadi amplifikasi sinyal photon.

2.1.4 Inversi Populasi dan Waktu Tinggal

Emisi terangsang dapat melebihi batas serapan hanya ketika N2 >N1. Kondisi ini disebut dengan inversi populasi. Ion yang telah tereksitasi ke tingkat tertinggi, kemudian akan saling berinteraksi dengan sinyal photon dan dipancarkan sebagai emisi terangsang. Flux photon dari cahaya pompa pada frequency vp pada transisi dari tingkat 1 ke tingkat 3, dinotasikan dengan p.

(30)

10

Universitas Indonesia frekuensi v_s dari transisi tingkat 1 ke tingkat 2 dinotasikan dengan _s. Laju absorpsi adalah kemampuan untuk menyerap photon per unit area cross section. Laju absorpsi pompa dari tingkat 1 ke tingkat 3 dinotasikan dengan (a)_p dan laju

absorpsi dari tingkat 1 ke tingkat 2 dinotasikan sebagai (a)_s . Laju emisi adalah kemampuan untuk memancarkan foton per unit area cross section, terdiri dari emisi pompa (e)p dan emisi sinyal

(e)

s . Probalitas transisi dari tingkat 3 ke tingkat

2 dinotasikan ₃₂, dan juga untuk probalitas transisi dari tingkat 2 ke tingkat 1 dinotasikan sebagai ₂₁, kedua transisi ini tergantung pada waktu tinggal dari tingkat 2 secara relatif ke tingkat1 dinotasikan 21 dan waktu tinggal tingkat 3 secara relatif ke tingkat 2 dinotasikan 32. Transisi probalitas dan waktu tinggal

masing-masing tingkat antara tingkat 1 dan tingkat 2 dinotasikan dengan

21 1 21 sedangkan untuk tingkat 3 dan 2 dinotasikan sebagai 32 1 32. Laju

perubahan populasi ion ditingkat 1,2,3 berturut turut dinotasikan sebagai N1,N2 dan N3. Persamaan laju perubahan populasi dalam sistem atomik tiga tingkat dapat di formulasikan sebagai [6] :

(e) (a) (a) (e) 1 21 2 2 s 1 s s 1 p 3 p p dN = N +(N -N ) -(N -N ) dt

(2.7) (a) (e) 2 21 2 1 s 2 s s 32 3 dN =- N +(N -N ) + N dt (2.8) (a) (e) 3 32 3 1 p 3 p p dN =- N +(N -N ) dt (2.9)

Jumlah populasi dalam tingkat 1 akan dikurangi oleh penyerapan tingkat paling tinggi ( (a)p dan

(a)

s ), dan ditambah oleh emisi dari tingkat tertinggi ( (e) p dan

(e) s ).

Persamaan dapat disederhanakan dengan asumsi bahwa pada tingkat yang sama, laju emisi dan laju absorpsi adalah sama, sehingga persamaan laju populasi emisi untuk sistem tiga tingkat atomik ditulis sebagai:

a a 1 21 2 2 1 s s 1 3 p p dN = N +(N -N ) -(N -N ) dt

(2.10)

(31)

11 a 2 21 2 1 2 s s 32 3 dN =- N +(N -N ) + N dt

(2.11) 3 a 32 3 1 3 p p dN =- N +(N -N ) dt

(2.12)

Agar ditemukan angka dari populasi pada masing-masing tingkat, maka harus diselidiki pada kondisi steady state. Pada keadaan steady state dapat dihitung laju populasi, dimana semua turunan terhadap waktu adalah nol sehingga akan didapat jumlah populasi pada waktu tertentu dengan persamaan:

3 1 2 dN dN dN = = =0 dt dt dt (2.13)

Total populasi N didefinisikan sebagai :

1 2 3

N N N N

(2.14)

Jumlah populasi fluk photon pompa dan medan sinyal di formulasikan berikut:

s p 21 21 s p 21 21 (e) (e) s p

1 (a) (e) (a) (e)

s s p p + +1 N = N ( + ) + ( + ) +1 (2.15) s p 21 21 s p 21 21 (a) (a) s p

2 (a) (e) (a) (e)

s s p p

+

N = N

( + ) + ( + ) +1 (2.16)

2.1.5 Parameter Overlap

Parameter Overlap didefinisikan sebagai mode optis terjadinya tumpang tindih antara distribusi intensitas optis dengan distribusi ion erbium [6]. Parameter ini diperhitungkan karena mode optis ini terlibat dalam merangsang transisi absorpsi dan emisi ion Er3+. Potongan melintang mode optis overlap pada sebuah

(32)

12

Gambar 2.4 Potongan melintang mode optis overlap pada sebuah distribusi ion erbium [6].

Dari Gambar 2.4 terlihat bahwa terjadi perluasan mode optis dari inti serat optis ke dalam cladding. Besaran faktor overlap ditentukan oleh jari-jari inti serat dan ukuran spot w ( berkas Gaussian ). Faktor overlap didefinisikan sebagai:

2 2 R -w =(1-e )

(2.17)

Rata-rata medan intensitas melalui EDFA diformulasikan sebagai:

eff P I= A

(2.18)

Dimana Aeff= R2 adalah derah efektif cross sectional EDFA, I medan

intensitas, dan P adalah medan daya pada sumbu z (panjang EDFA).

2.1.6 Amplified Spontaneous Emission (ASE) Gain, dan Noise Figure (NF). Untuk mode serat tunggal pada potongan melintang dengan dua polarisasi yang berbeda pada frekuensi v, daya noise dalam sebuah bandwidth v sepadan dengan emisi spontan [6], persamaanya adalah :

0 ASE

P =2hv v

(2.19)

Persamaan propagasi daya ASE dalam arah medan ASE adalah:

0 R r Erbium ion distribution Mode field intensity N

(33)

13

(e) (a) 0 (e)

ASE

2 1 ASE ASE 2

dP (v)

=(N (v)-N (v)) P (v) + P (v)N (v)

dz (2.20)

Jumlah populasi dalam tingkat 2 berbanding lurus degan intensitas pompa dan

ASE. Bila diketahui I

hv , mode medan cahaya dan distribusi ion terhadap sinyal, pompa dan ASE diformulasikan sebagai :

21 21 21 s p s vj p 21 21 21 s p s p (a) (a) (a) vj p s ASE j j

2 (a) (e) (a) (e) (a) (e)

vj vj p p s s ASE j j vj I + I (v )+ I hv hv hv N = N ( + ) ( + ) ( + ) I + I (v )+ I +1 hv hv hv (2.21)

Dimana I_ASE(v )_j adalah intensitas sinyal ASE pada frequesi v_j, intensitas sinyal

s

I , intensitas sinyal I_pdan intensitas ASE I_ASE. ASE dibagi ke dalam komponen

daya dalam bandwidth v_j, titik tengah dariv_j. Dimanav_jadalah frekuensi panjang gelombang lain yang juga ikut diamplifikasi pada sinyal ASE. Untuk menentukan populasi tingkat 2 ditinjau dari emisi pompa, emisi sinyal, dan daya ASE dengan mempertimbangkan sebagai faktor overlap, mode medan cahaya dan distribusi ion erbium diformulasikan sebagai:

21 21 21 s j p 21 21 21 s p (a) (a) (a) vj p s s s _j vj ASE j p p

eff eff eff

2 (a) (e) (a) (e) (a) (e)

vj vj p p

s s

s s _j vj ASE j p p

eff eff j eff

P + P (v )+ P A hv A hv A hv N = N ( + ) ( + ) ( + ) P + P (v )+ P +1 A hv A hv A hv (2.22)

Setiap daya ASE P_ASE(v )_j dikomposisikan pada arah perambatan maju P_ASE+(v )_j

dan mundur P_ASE-(v ) dengan persamaan: _j

+

-ASE j ASE j ASE j

P (v )=P (v )+P (v )

(2.23)

Untuk menghasilkan formulasi praktis dengan mempertimbangkan loss yang terjadi dalam erbium doped fiber (disebabkan oleh tidak kesempurnaan bahan serat, terkontaminasi bahan lain) dinotasikan berturut-turut sebagai

(34)

14

s(losses sinyal), p(losses pompa) dan vj(losses ASE). Sinyal, pompa, ASE

arah maju dan ASE arah mundur dalam medan daya cahaya didefinisikan sebagai [6]: s _(e) _(a) 2 _s 1 _s _s _s- _s _s dP =(N -N ) P P dz

(2.24) p (e) (a) -2 p 1 p p p p p dP =(N -N ) P P dz

(2.25) +

ASE j (e) (a) + (e) +

2 _vj 1 _vj _s _ASE _j ₂ _vj _s _{vj ASE} _j

dP (v )

=(N -N ) P (v )+N hv v- P (v )

dz (2.26)

-ASE j (e) (a) - (e) +

2 _vj 1 _vj _s _ASE _j ₂ _vj _s _{vj ASE} _j

dP (v )

=-(N -N ) P (v )-N hv v+ P (v )

dz (2.27)

Parameter overlap digunakan untuk mendapatkan sinyal dan ASE. Daya

ASE dalam kanal titik tengah vj akan diasumsikan menjadi satu sinyal propagasi

dalam arah maju maupun mundur. Kanal frekuensi v_j sangat kecil, sehingga

cross section secara esensial adalah konstan melewati v_j [6].

Karakteristik lain untuk mengukur performa dari EDFA adalah efisiensi daya konversi yaitu menghitung rasio daya sinyal terhadap daya pompa sepanjang serat EDF [6].

Merujuk pada persamaan (2.24) efisiensi daya konversi dihitung dengan:

out in in out s S P P P - P x100% P - P (2.28)

Sumber utama derau (noise) dalam EDFA adalah emisi spontan dari transisi antara tingkatan energi atas (tingkat 2 atau tingkat 3) ke tingkatan energi dasar (ground state). Sepanjang jalur penguatan, emisi spontan akan menjalani penguatan yang sama halnya dengan sinyal yang akan dikuatkan oleh EDFA.

Noise figure (NF) suatu penguat optik adalah mengukur rasio daya sinyal terhadap

daya derau (signal to noise ratio) untuk sinyal yang dilewatkan pada suatu penguat, atau perbandingan antara signal to noise ratio pada sisi masukan (SNRin)

(35)

15

terhadap signal to noise ratio pada sisi keluaran (SNRout) suatu penguat [6].

NF = SNRin/SNRout (2.29)

Noise figure akan selalu lebih besar dari satu, hal ini terjadi karena suatu

kenyataan bahwa penguat selalu memberikan tambahan noise selama proses penguatan dan SNRout selalu lebih kecil dari SNRin. Nilai noise figure biasanya

ditunjukkan dalam satuan dB. Nilai NF yang tinggi menyatakan bahwa signal to

noise ratio mengalami degradasi akibat proses amplifikasi. Gain dan noise figure

dapat juga dinyatakan secara praktis dalam bentuk persamaan (2.30) dan (2.31) [6]

signal out noise out noise out

signal in P P P G dB 10 log P (2.30) NF PASE 1 h.v. v.G G (2.31)

Psignal out+Pnoise out = daya sinyal keluaran terukur pada OSA ( mW) PASE = Pnoise out = daya ASE yang terukur di OSA (mW)

h = konstanta planck = 6,626.10-34 Js vs = frekuensi sinyal masukan (Hz)

v = bandwidth frekuensi sinyal (Hz) = Bo = Hz

s = panjang gelombang sinyal (m); = bandwidth sinyal -3 dB

2.1.7 Simulasi Matlab

Pada penelitian ini, persamaan matematis (2.24) dan (2.25) akan disimulasikan secara analisa numerik menggunakan Matlab untuk mendapatkan analisa pendahuluan dari EDFA L band seperti:

a. Hubungan gain EDFA terhadap variasi daya pompa dengan daya sinyal konstan pada satu panjang gelombang (1580.35 nm).

b. Hubungan gain EDFA terhadap perubahan variasi daya sinyal dengan daya pompa konstan pada satu panjang gelombang (1580.35 nm) c. Hubungan gain EDFA terhadap perubahan daya sinyal keluaran dan

(36)

16

Universitas Indonesia Simulasi Matlab digunakan sebagai tools verifikasi dan investigasi untuk menentukan kesimpulan tingkat keberhasilan hasil percobaan dalam penelitian sistem penguatan optik EDFA pada rentang panjang gelombang L band ini.

Beberapa harga parameter dalam simulasi Matlab EDFA diperlihatkan pada Tabel 2.2 berikut [6][19].

Tabel 2.2 Harga parameter EDFA yang digunakan dalam simulasi Matlab [6][19]

Parameter Harga/ukuran/keterangan

Bahan dan tipe mode serat GeO2-SiO2 fiber, single mode

step index fiber

Sinyal masukan ( ) 1580.35 nm

Diameter inti serat 7 micrometer Diameter cladding 125 micrometer Indek bias inti serat (n1) 1,47

Numerical aperture (NA) 0.39 Perbedaan Refraktif indek ( n) 0.05

Background Loss 0.014 dB/km

Overlap factor

puntuk 980nm = 0.6365

suntuk 1580.35nm = 0.4039

Kosentrasi ion erbium 19.8x1023(m-3) Waktu tinggal ( 21) 10 ms

Absorpsi dan emisi cross section transisi dari erbium

untuk sinyal pompa 980 nm p(a)=: 4.5x1025 m2;

p(e) = 0

untuk sinyal sumber 1580.35 nm s(a)= 1.69x1024 m2;

s(e) = 1.77x1024m2

(37)

17

2.2 Konfigurasi Setup Sistem Penguatan Optik Erbium Doped Fiber Amplifier

Bagian besar dari setup penguatan optik erbium doped fiber amplifier (EDFA) terdiri dari: erbium doped fiber (EDF), satu atau lebih laser diode

pumping (LDP), wave length division multiplexing (WDM), optical isolator (OI), fused coupler (FC), dan sistem integrasi elektronika controller berikut driver. WDM berfungsi untuk memasukkan kombinasi laser pemompa 980 nm dan sinyal

masukan ke dalam EDF untuk dikuatkan. FC berfungsi sebagai pembagi sinyal, sedangkan OI berfungsi untuk mencegah pemantulan sinyal yang telah diperkuat kembali ke dalam divais yang akan menambah noise dan menurunkan efesiensi.

Secara umum konfigurasi setup sistem penguatan optik EDFA terdiri dari tiga model. Cahaya laser pemompa diinjeksikan ke fiber dalam arah yang sama dengan arah sinyal masuk, maka model ini disebut dengan forward pumping yang ditunjukkan oleh Gambar 2.5a. Bila arah cahaya laser pemompa berlawanan dengan arah sinyal masuk seperti dalam Gambar 2.5b, maka model ini disebut dengan backward pumping. Bila kombinasi keduanya diatas diaplikasikan bersama-sama, maka model ini disebut dengan bidirectional pumping, yang ditunjukkan oleh Gambar 2.5c [6].

(a)

(b)

EDF

(38)

18

Universitas Indonesia (c)

Gambar 2.5 Konfigurasi setup EDFA dengan cara, (a) forward pumping, (b)

backward pumping, (c) bidirectional pumping [7].

Bidirectional pumping memiliki gain resultan yang lebih besar diantara

ketiganya. Forward pumping memiliki noise performance yang baik namun memiliki gain yang paling kecil. Disamping itu pumping dengan 980 nm lebih baik dibandingkan dengan pumping 1480 nm, karena pumping ini memiliki noise yang lebih kecil dan dapat mencapai populasi inversi yang lebih besar [6].

Bila sinyal keluaran dimonitor oleh optical spectrum analyzer (OSA), pola spektroskopi amplified spontaneous emission (ASE) akan muncul sesuai dengan tipe erbium doped fiber (EDF) yang digunakan. Pola spektroskopi gain ASE pada

EDFA diperlihatkan pada Gambar 2.6 berikut [7].

Gambar 2.6 Pola spektroskopi ASE pada EDFA [7].

(39)

19

2.2.1 Pemilihan Laser Pemompa

Komponen penting yang paling diperlukan dalam setup sistem EDFA adalah sumber pompa untuk menyediakan enegi eksitasi pada panjang gelombang yang bersesuaian, pompa ini dikenal juga dengan erbium pump band. Pada awalnya laser pemompa EDFA adalah sebuah dye laser pump ion Argon pada panjang gelombang 514 nm dan 670 nm, laser ini berukuran besar, komplek, mahal dan memiliki practial optical bench yang sangat besar. Teknologi semakin maju dan akhirnya kini laser pemompa EDFA beralih ke laser diode pumping (LDP) yang memiliki: efisiensi tinggi, kompak, daya tahan lama dan harganya cukup murah dibandingkan teknologi laser pemompa ion Argon. Laser saat ini

compatible dengan semiconductor diode laser technology, dengan panjang

gelombang 980nm dan 1480 nm yang cocok digunakan untuk setup sistem EDFA dalam komunikasi optik. Pada dasarnya Erbium memiliki panjang gelombang eksitasi 514.5 nm, 532 nm, 650 nm, 800 nm, 980 nm dan 1480 nm kesemua panjang gelombang berhubungan dengan perbedaan energi antara antara ground state ( 4I15/2 ) dengan ke enam level eksitasi dari ion Er3+. Pada Gambar 2.7 diperlihatkan level eksitasi dan panjang gelombang ion Er3+ [7].

Gambar 2.7 Level eksitasi dan panjang gelombang ion Er3+ [7].

Laser pemompa 980 nm memiliki inversi populasi yang lebih banyak sehingga memiliki NF yang kecil, sedangkan laser pemompa 1480 nm memiliki

(40)

20

Universitas Indonesia inversi populasi yang lebih sedikit tetapi lebih efisien dalam menkonversi photon. Sehingga penguatan EDFA akan lebih besar bila menggunakan laser pemompa 980 nm daripada laser pemompa 1480 nm [7].

Dalam penelitian ini laser pemompa yang dipilih adalah laser pemompa

uncooled LU980L 980 nm mini DIL 8 pin dengan karakteristik diperlihatkan pada

Gambar 2.8 [7].

Gambar 2.8 Performa uncooled 980nm mini DIL [7].

Laser pemompa ini memiliki arus threshold pada arus 26 mA. Rangkaian integrasi elektonika akan mengatur arus yang masuk ke laser pemompa ini, dimana arus injeksi diatur dibawah atau di atas arus lasing. Laser pemompa akan bekerja pada tegangan antara 0.9 Volt sampai dengan 1.2 Volt dengan kebutuhan arus ±500 mA [7].

(41)

21

2.2.2 Fused Fiber Coupler

Fused fiber coupler (FFC) adalah proses teknologi penyatuan dua (couple)

serat optik yang mengalami pemanasan dan penarikan (fusing) dalam satuan waktu. Pemanasan dua serat optik ini bertujuan untuk mendekatkan kedua inti serat optik agar terjadi perpindahan medan evanescent yang sempurna, sedangkan penarikan bertujuan untuk mendapatkan ukuran nilai coupling yang diinginkan melalui proses wave guide coupler. Seperti yang ditunjukan pada Gambar 2.9, proses pembuatan FFC diawali dengan menggandengkan dan melilitkan dua buah serat optik jenis single mode fiber, yaitu fiber 1 dan fiber 2. Cahaya dengan panjang gelombang dan daya tertentu dimasukan pada masukan 1 sementara masukan 2 dibiarkan terbuka, keluaran 1 dan keluaran 2 dari fiber 1 dan fiber 2 di monitor oleh optical spectrum analyzer (OSA) kemudian dipanaskan sambil ditarik sampai mendapatkan nilai coupling yang diinginkan [8].

Gambar 2.9 Fused fiber coupler (FFC) [8]

Sepanjang perambatan, daya tersebut akan merambat pada cladding dan masuk pada inti fiber 2 yang diakibatkan oleh medan evanescent, dimana daya akan terdistribusi dengan pola seperti yang ditunjukan pada Gambar 2.10 [9]. Pemanasan dan penarikan dihentikan setelah mendapatkan coupling daya yang diinginkan, titik 3 dB adalah titik dimana distribusi daya tepat terbagi dua sama rata sebesar 50% disetiap keluaran. Pada produk sebenarnya, salah satu masukan bisa dipotong (diterminasi) kemudian FFC di kemas dengan selubung logam sepanjang L.

(42)

22

Gambar 2.10 Distribusi daya fused fibre coupler [9].

Di pasaran lepas, FFC banyak di jual dengan beraneka ragam coupling

ratio (spliter), ragam coupling ratio FFC diperlihatkan pada Tabel 2.3 [9]. Pada

penelitian ini FFC yang digunakan adalah FFC dengan rasio 95%-5% dan 99%-1%, FFC 95%-5% digunakan untuk menyalurkan dan mendeteksi sinyal masukan sedangkan FFC 99%-1% digunakan untuk menyalurkan dan mendeteksi sinyal keluaran akhir penguatan EDFA.

Tabel 2.3 FFC dengan berbagai macam prosentasi coupling ratio [9].

Coupling Ratio Keluaran1 Keluaran 2 99% 1% 95% 5% 90% 10% 50% 50% Keluaran 1 Keluaran 2

(43)

23

2.2.3 Wavelength Division Multiplexing Fused Fiber Coupler

Proses pembuatan wavelength division multiplexing fused fiber coupler

(WDM) sama seperti komponen fuse coupler yang telah diterangkan sebelumnya,

perbedaanya hanya terletak pada jenis bahan fiber yang digunakan dan fungsi.

WDM coupler digunakan sebagai penggabung daya dan pemisah panjang

gelombang, diperlukan beberapa parameter yang saling mendukung, yaitu jari-jari inti, perbedaan indeks bias antara inti dan selubung, panjang gelombang, panjang kopling, panjang arah propagasi, dan jarak antara dua inti serat. WDM Coupler pada setup EDFA pada penelitian ini adalah untuk menggabungkan sinyal 980 nm

LDP dengan sinyal input L band ITU.

Pada Gambar 2.11 diperlihatkan perpaduan antara dua rentang panjang gelombang 980 nm dan 1580 nm, dengan parameter indek bias inti 1.458, selisih inti dan selubung 5 m, panjang arah propagasi 10 mm. Hubungan fasa kedua pandu gelombang dipengaruhi oleh arah propagasi z pada jarak nilai kz = /2 dimana semua daya dialirkan dari pandu gelombang pertama ke pandu gelombang kedua, dan sebaliknya hingga pada jarak kz = [10][11]. Aplikasi

WDM terletak pada pemilihan parameter karakteristik pandu gelombang serta

pengaturan koefisien kopling agar diperoleh karakteristik WDM pada rentang panjang gelombang tertentu.

Gambar 2.11 Daya sebagai fungsi dari panjang tarikan dengan rentang panjang gelombang 980 nm dan 1580 nm [10][11]

(44)

24

2.2.4 Isolator Optik

Isolator optik adalah suatu piranti optik yang hanya memperbolehkan

sinyal optik menjalar dalam satu arah [12]. Dalam arah menjalar maju (forward), sinyal optik yang keluar dari fiber disejajarkan (collimated) dengan menggunakan lensa graded index (GRIN) kemudian melewati birefringent rutile (TiD2). berkas sinyal optik ordinary dan extraordinary yang keluar dari material ini diteruskan melalui Faraday rotator yang terdiri atas Yittrium Iron Garnet (YIG) dan kristal

Y3Fe5D12 yang dikelilingi oleh magnit permanen. Polarisasi berkas sinyal optik

yang melewati Faraday rotator sudutnya diputar 45° dari sumbu polarisasi, dan selanjutnya dilewatkan pada piranti birefringent kedua yang menggabungkan berkas tersebut untuk dilewatkan pada ujung keluaran serat optik. Berkas sinyal optik yang menjalar kearah balik (backward) akan dipisahkan menjadi dua berkas, berkas ordinary dan extraordinary. Berkas sinyal optik tersebut akan diputar sudut polarisasinya oleh Faraday rotator menjadi 90° dari polarisasi masukannya, dan selanjutnya dilewatkan pada piranti birefringent kedua. Berkas yang menjalar secara divergen tersebut tidak dapat terfokus pada ujung serat optik masukan, sehingga berkas balik tidak dapat masuk kedalam serat optik. Pada Gambar 2.12 diperlihatkan disain dari sebuah isolator optik [12].

Gambar 2.12 Disain isolator optik untuk lintasan optik yang menjalar maju (Forward) dan balik (Backward) [12].