4. Karakteristik Transmisi pd Fiber Optik

(1)

4.

Karakteristik Transmisi pd

Fiber Optik

Anhar,

MT.

1 Edisi Ganjil 2012/2013

Kompetensi

Mahasiswa dapat menjelaskan rugi-rugi dan dispersi yang terjadi pada fiber optik dan dispersi yang terjadi pada fiber optik dan menghitung besarnya rugi-rugi dan dispersi tsb.

(2)

Outline

:

• Pengantar

• Redaman (Attenuation)

• Penyerapan Material (Absorption)y p ( p )

• Rugi-rugi hamburan (Scattering

Losses)

• Rugi-rugi pembengkokan

• Dispersi

• Efek Non linier

Pengantar

• Cahaya yg merambat di dlam fiber pasti mengalami gangguan.

• Gangguan tsb dpt menurunkan kualitas daya sinyal cahaya di dlm optik

cahaya di dlm optik.

• Dlm perencanaan link, menentukan seberapa banyak repeater hrs dipasang.

• Tiga hal yg perlu diperhatikan :

1. Apa saja rugi-rugi/redaman sinyal pd optik? 2. Mengapa sinyal optik melemah jika merambat

sepanjang fiber?p j g

(3)

Pengantar

Apa

saja??

1. Redaman (Attenuation)

2. Penyerapan Material (Absorption) 3. Rugi-rugi hamburan (Scattering Losses)g g ( g ) 4. Rugi-rugi pembengkokan

(4)

Redaman

• Redaman pada transmisi optik

b h d li k

berpengaruh pd perencanaan link, dibagi menjadi : 1. Penyerapan 2. Rugi-rugi penghamburan 3. Rugi-rugi radiasi. 7 Edisi Ganjil 2012/2013

Satuan

Redaman

• Apa definisi redaman ??

• Perbandingan daya output optik P_outdr fiber dng panjang L terhadap daya input optik P_in.

• Rumusnya : • Rumusnya :

• Idelnya :

• Biasanya : 3 dB/Km, yg artinya :

• Daya sinyal optik menurun 50% sepanjang 1 Km dan akan menurun 75% sepanjang 2 Km.

L P P_in/ _out log 10 =

α

% p j g

(5)

Satuan

Redaman

Fungsi redaman thdp panjang gel dr teknologi fiber awal

yg memiliki kandungan impuritas air yg tinggi

Contoh

1:

Berapakah daya output dari Berapakah daya output dari

(6)

Penyelesaian

:

Dayanya : = (+12) + (-16) + (-6) + (+8) =-2 dB Daya outputnya : 2 log 10 2 log 10 = − = dB out daya in daya out daya Gain 11 Edisi Ganjil 2012/2013 26 , 1 2 63 , 0 2 10 2 log 2 , 0 0,2 = ⇒ = = ⇒ = − − out Daya out daya out daya dB out daya

Contoh

2:

Bila daya optik yg dibangkitkan sepanjang 8

km adlh sebesar 120µW dan daya yg diterima

dlh k k l h

adlh 3µW, maka tentukanlah :

1. Redaman sinyal optik keseluruhan dlm dB 2. Redaman sinyal per km

3. Redaman sinyal keseluruhan utk panjang

link 10 km menggunakan fiber yg sama

dng penyambung/konektor tiap 1 km dng penyambung/konektor tiap 1 km

(7)

Penyelesaian

:

• Redaman sinyal optik keseluruhan dlm dB : =10 Log (Pi/Po) = 10 Log (120/3)

= 16 dB

• Redaman sinyal per km :

α.L = 16 dB >> α= 16 dB/8 km = 2 dB/km

• Redaman utk link 10 Km :

α = 2 dB/km x 10km = 20 dB

Link ini memiliki 9 konektor sehingga total

l j di 9 dB

loss menjadi 9 dB.

Sehingga redaman total adlh : = 20 dB + 9 dB = 29 dB

Penyerapan/Absorption

• Disebabkan zat kotoran yg tersisa didlm inti

yg dpt menyerap sebahagian cahaya.

l dlh

• Kontaminan yg paling serius adlh ion‐ion

hidroksil dan zat‐zat logam.

• Pencegahan dpt dilakukan dng perbaikan

pd proses manufacturing.

• Kandungan kontaminan hrs dpt ditekan

sekecil mungkin sekecil mungkin.

(8)

Hamburan/Scattering

Rayleigh

• Efek terpencarnya cahaya akibat terjadinya perubahan kecil yg

bersifat lokal pd indeks bias bahan inti dan mantel.

• Hanya terjadi di lokasi2 tertentu di dlm bahan.

• Penyebabnya :

– Ketidakmerataan di dalam “adonan” bahan2 pembuat

optik. Sulit dihilangkan.

– Pergeseran2 kecil pd kerapatan bahan yg terjadi saat silika

mulai membeku dan menjadi padat.

Hamburan/Scattering

Rayleigh

• Besarnya hamburan Rayleigh dinyatakan dlm koefisien

redaman rayleigh yg besarnya :

(9)

Pemantulan

Fresnel

• Tdk semua bagian dr cahaya yg dtng dng sudut mendekati

garis normal akan menembus bidang perbatasan.

• Sebahagian dr cahaya tsb akan memantul balik di bidan g

perbatasan perbatasan.

• Daya terpantul tsb dirumuskan : 2

2 1 2 1 ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ + − = n n n n terpantul Daya 17 Edisi Ganjil 2012/2013

Memanfaatkan

pemantulan

fresnel

• Utk

mengukur

panjang

serat

optik.

• Mengirimkan

g

cahaya

y p

pendek,

dan

menunggu

gg

pantulannya.

• Diukur

dng

menghitung

kecepatan

permbatan

cahaya,

interval

waktu

pengiriman...

• Diterapkan

secara

teknis

pd

OTDR

(optical

(10)

Rugi

‐

rugi

lekukan

kabel

Macrobend

• Akibat lekukan tajam..

Rugi

‐

rugi

lekukan

kabel

Macrobend

• Dapat dirumuskan dng koefisien redaman :

) exp( ₂ 1 c R c r = −

α

• Dimana R adlh radius fiber dan C1 serta C2 adlh

konstanta

• Rugi‐rugi yg besar pembengkokan dpt terjadi dng kondisi

radius kritis yg dirumuskan :

2 / 3 2 2 2 1 2 1

)

(

4

3 n

n

R

_c

−

≅

π

λ

• Rugi ini dpt diminimalkan dng :

• Perancangan fiber dng indeks perbendaan pantulan yg

besar

• Beroprasi pd panjang gel yg pendek

2

1

)

(11)

Contoh

:

Sebuah fiber multimode dng indeks bias inti 1,5, perbedaan

indeks bias 3% dan bekerja pada panjang gel 0,82µm.

Tentukan radius maksimum dimana terjadi rugi‐rugi

pembengkokan yg besar dr fiber tsb pembengkokan yg besar dr fiber tsb.

Penyelesaian

:

Rugi

‐

rugi

lekukan

kabel

• Microbend

(lekukan

skala

mikro)

–Permasalahan yg ditimbulkan = makrobend

–Terjadi pd proses manufaktur

–Terjadi krn perbedaan laju pemuaian (dan

penyusutan) antara serat optik dan lapisan

(12)

Latihan

Sebuah link fiber optik dng panjang 15 Km memiliki rugi‐rugi

sebesar 1,5 dB/Km. Fiber disambung setiap 1 km dng

konektor yg memiliki redaman masing‐masing 0,8 dB.

Tentukan daya optik minimum yg hrs diberikan ke fiber

sehingga daya yg diterima pd detektor sebesar 0,3 µW. Fiber step indeks single mode memiliki indeks bias inti 1,49

dan radius pembengkokan minimum sebesar 10,4mm bila

cahaya dng panjang gelombang 1,3µm merambat di

dalamnya Bila panjang gelombang cut off fiber adlh 1 15µm

dalamnya. Bila panjang gelombang cut off fiber adlh 1,15µm

maka tentukanlah perbedaan indeks bias relatifnya.

Dispersi..

• Ketika sinyal optik merambat sepanjang

fib i k l i di t i

fiber, ia akan mengalami distorsi...

• Distorsi ini menyebabkan dispersi optik... • Apa ya dispersi???

• Pelebaran pulsa cahaya...

• Disebut juga efek pemuaian cahaya.. • Atau ISI (Inter Sysmbol Interference) • Atau ISI (Inter Sysmbol Interference)

(13)

Efek

Dispersi

Efek

Dispersi

• Tiap pulsa akan mengalami pelebaran dan akan bertumpangtindih dng pulsa

tetangganya.. tetangganya..

• Menyebabkan jmlh bit yg error dlm transmisi digital bertambah...

• BER bertambah besar dan S/N juga berpengaruh....

(14)

Efek

Dispersi

• Tiap pulsa akan mengalami pelebaran dan akan bertumpangtindih dng pulsa

tetangganya.. tetangganya..

• Pelebaran ini sangat berpengaruh dng bit rate sinyal..dan ukuran kapasitas informasi.. • Menyebabkan jmlh bit yg error dlm transmisi

digital bertambah...

Bagaimana

pengaruh

dispersi

dng

bandwidth?

• Agar pulsa cahaya yg merambat di optik tdk tumpang tindih, bit rate nya hrs lebih kecil dr pulsa yg mengalami pelebaran

pulsa yg mengalami pelebaran

(diasumsikan pelebaran pulsa bs mencapai 2τ) :

τ

.

2

1 ≤

T

B

(15)

Dispersi

menyebabkan

bit

error

rate

meningkat?

Bagaimana

pula

dng

ukuran

kapasitas

informasi?

Ukuran

kapasitas

informasi

dr

fiber

disebut...

bandwidth

‐

distance

product

(MHz Km)

(MHz.Km)

• Utk

fiber

step

‐

index

>>

20 MHz.Km

(16)

Dispersi

pada

semua

jenis

fiber..

Apa

yg

perlu

diketahui....

• Utk analisa dispersi, perlu mengetahui group velocities (kecepatan kumpulan) • Group velocity adlh kecepatan pd manaGroup velocity adlh kecepatan pd mana

energi utk mode tertentu merambat pd fiber

• Dirumuskan : ₋₁

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

=

dk

d

c

V

_g

β

• Dimana : k = 2Π/λ sedangkan β adlh konstanta propagasi

(17)

Jenis

‐

jenis

Dispersi...

Intramodal/Kromatik Material + Waveguide Material + Waveguide Intermodal 33 Edisi Ganjil 2012/2013

Dispersi

Intramodal/Kromatik

• Dpt terjadi pd semua jenis fiber optik tp umumnya terjadi pd SM.

• Akibat dr group velocities sbgi fungsi drAkibat dr group velocities sbgi fungsi dr panjang gelombang.

• Krn tergantung λ, maka dispersi semakin meningkat dng semakin lebarnya spektrum sumber optik.

• Contoh :

LED : λ emisinya 850nm, dng lebar 40nm

(18)

Dispersi

Intramodal/Kromatik

• Dpt terjadi pd semua jenis fiber optik tp umumnya terjadi pd SM.

• Akibat dr group velocities sbgi fungsi drAkibat dr group velocities sbgi fungsi dr panjang gelombang.

• Krn tergantung λ, maka dispersi semakin meningkat dng semakin lebarnya spektrum sumber optik.

• Contoh :

LED : λ emisinya 850nm, dng lebar 40nm

Laser : dng lebar 1-2nm

Dispersi

Intramodal/Kromatik

• Ada 2 jenis : • Material :

disebabkan : perubahan indeks bias inti disebabkan : perubahan indeks bias inti sbg fungsi panjang gel. Panjang gel mempengaruhi group velocities • Waveguide :

disebabkan : konstanta β sbg fungsi dr a/λ

(19)

Dispersi

Material

• Komponen spektral yg berbeda-beda pd sebuah mode akan merambat pd kec yg berbeda, tergantung λ nya.

berbeda, tergantung λ nya.

• Sangat besar pd SM dan sumber LED. • Group delay pd fiber dirumuskan :

(20)

Dispersi

material

• Dispersi

material

dirumuskan

:

• L : panjang serat (Km)

• D_mat(_λ₎: faktor dispersi material

• σ_λ: lebar spektrum cahaya LED (nm)

λ p y ( )

• τ_mat: group delay

• c : kec perambatan cahaya

• n : indeks bias

Dispersi

waveguide

• Menjadi

significance

pd

SMF

yg nilainya

bs

hampir sama dispersi material

hampir

sama dispersi

material.

• Pd

MMF,

dpt

diabaikan

krn

sangat

kecil

(21)

Dispersi

material+waveguide

Dispersi

material

dan

waveguide

sbg

fungsi

dr

panjang

gelombang

pd

SMF

slica

Dispersi

Intermodal

• Akibat

perbedaan

nilai

group

delay

dr

masing

‐

masing

mode

pd

fiber.

• Dispersi

ini

hampir

tdk

ada

pd

SMF

• Dirumuskan

:

L

n

al er

Δ

=

1 mod int

σ

c

al ermod int

(22)

Pelebaran

pulsa

pd

MMF

• Dispersi

yg

dialami

pd

MMF

:

–Dispersi intramodal (dlm hal ini dispermi material)

–Dispersi intermodal

–Dispersi pd SMF hanya intramodal

• Akumulasinya

merupakan

rms

:

Optimasi

Desain

SMF

• SMF

banyak

digunakan

krn

:

–Life time instalasi yg lebih panjang

–Redamana rendah

–Transfer sinyal dng kualitas tinggi krn tdk adanya

dispersi intermodal

• Perlu

dipikirkan

design

yg

optimal

pd

SMF

dng

memperhatikan :

memperhatikan

:

–Dispersi

–Panjang gelombang cutoff

(23)

Optimasi

Desain

SMF

• Dispersinya

harus

dikecilkan...

K

di

i

t i l l bih d

i

d

1. Dispersi

• Krn

dispersi

material

lebih

dominan

dr

pd

dispersi

waveguide...maka

harus

dikecilkan

atau

mendekati

nol...

• Ingat

:

• Berarti

:

₀

2 2

=

λ

d

n

d

Akan didapat λyg meminimalkan dispersi

Optimasi

Desain

SMF

• Panjang

gel

yg

memisahkan

daerah

kerja

SMF

d

MMF

2. Panjang

Gel

dan

MMF.

• Dirumuskan

:

–a : diameter fiber V : 2 405 –V : 2.405

(24)

Optimasi

Desain

SMF

• Idenya

adalh

bgaimana

mengatur

profile

i d k bi

di

i

i i

3. Profile

Indeks

Bias

indeks

bias

agar

dispersi

minimum.

• Salah

satunya

dng

mengubah

desain

indeks

bias

inti

yg

sederhana

menjadi

lebih

rumit.

• Yg

telah

dilakukan

adlh

:

1300 nm optimized single mode fiber

–1300‐nm‐optimized single mode fiber

–Dispersion‐shifted

–Dispersion‐flatteded

(25)

Optimasi

Desain

SMF

(26)

Latihan

• Serat optik single mode mempunyai harga n₁=7,50‐

2λ‐2₊_λ2₍₍_λ_dlm_mikrometer).₎_Buktikan_apakah_p _pd_p _λ₌₂

μm terjadi dispersi material yg bernilai nol. Bila tdk,

pd λbrp terjadi dispersi material nol?

• Serat step indexs dng NA=0,20, n1=1,5 memiliki

faktor dispersi material 0,5 μs/nm.km. Dispersi

waveguide diabaikan. Serat dibentangkan dng jarak

45 km dan LED memiliki lebar spectrum 40 nm. Bila

serat ini beroperasi pd panjang gelombang 1200 nm,