Kristal no.8/April/1993 1
SERAT OPTIK
oleh : Sugata Pikatan
Sudah sering kita mendengar istilah komunikasi serat optik. Sebetulnya apa serat optik itu? Penggunaanya bahkan sampai ke bidang kedokteran, misalnya pada alat cystoscope yang dipakai para ahli bedah untuk mengamati dan melakukan operasi dengan kendali jarak jauh. Juga bundel serat optik yang terdapat di dalam colonofiberscope dapat dimasukkan ke dalam tubuh manusia (misal usus) sehingga citranya dapat dilihat langsung dari luar tubuh. Aplikasinya di bidang komunikasi sudah tidak perlu diragukan lagi, karena sejak tahun 1975 serat optik ini mulai menggeser peranan kawat-kawat transmisi data yang terbuat dari logam. AT&T Bell Laboratories dan KDD (Kokusai Denshin Denwa) sudah memasang kabel serat optik menyeberangi lautan Pasifik yang mampu menampung 500 ribu pembicaraan telepon sekaligus pada saat yang sama.
Ada beberapa keunggulan serat optik dalam bidang komunikasi dibandingkan dengan kawat logam sebagai alat transmisi. Yang paling jelas terlihat adalah ukurannya yang kecil dan bobotnya yang ringan amat cocok jika dugunakan di tempat seperti pesawat udara. Kerugian selama transmisinya juga rendah karena ia terbuat dari silika (SiO2), suatu
bahan dielektrik yang transparan terhadap sinar, apalagi jika dipakai untuk transmisi data dengan frekuensi tinggi. Hal ini berdampak pada ongkos yang lebih murah, karena sepanjang saluran transmisinya serat optik dengan demikian memerlukan repeater yang lebih sedikit. Repeater adalah suatu alat yang dipasang di beberapa tempat sepanjang saluran transmisi, gunanya untuk mendeteksi, kemudian memperkuat sinyal lemah yang datang dan meneruskannya kembali ke tujuan semula. Sinyal data selalu melemah dalam perjalanannya karena berbagai efek seperti hamburan dan serapan bahan yang dilaluinya. Keunggulan lainnya adalah daya tampungnya yang lebih besar, serat optik mampu membawa informasi yang lebih banyak dibandingkan dengan kawat tembaga.
Komunikasi dengan sinar melalui serat optik bahkan mengungguli komunikasi dengan gelombang mikro. Frekuensi sinar yang digunakan relatif tinggi (berorde 1014 Hz), bandingkan dengan gelombang radio (106 Hz) dan gelombang mikro (109 Hz), mengakibatkan komunikasi sinar melalui serat optik dapat membawa informasi yang lebih banyak.
Serat
Serat yang digunakan berbentuk silinder seperti kawat pada umumnya, terdiri dari dua bagian penting yaitu bagian teras dan kulit (cladding). Penampang lintangnya secara lengkap dapat kita lihat pada gambar 1.
Teras terbuat dari bahan silika (SiO2), biasanya diberi doping dengan GeO2 (germanium dioksida) atau P2O5 (fosfor pentoksida) untuk menaikkan indeks biasnya.
Gambar 1 : Penampang serat optik (ukuran dalam µµm)
Sedangkan kulit juga terbuat dari silika tanpa atau dengan sedikit doping, indeks bias kulit sedikit lebih rendah daripada rendah daripada indeks bias teras. Komposisi teras kulit yang demikian diperlukan agar sinar yang masuk ke dalam dapat terpantul-pantul secara sempurna sepanjang perjalanannya. Pantulan sempurna hanya dapat terjadi jika sinar datang dari medium yang lebih rapat ke medium yang kurang rapat dan sinar datang dengan sudut datang yang melebihi sudut kritiknya, peristiwa fisis semacam ini sering kita lihat di jalanan pada waktu terik matahari sebagai asap (mirage).
Sudut-sudut yang dibuat oleh sinar meridional, yaitu sinar yang memotong sumbu serat dapat dilihat pada gambar 2. Sudut datang θ d harus lebih besar daripada sudut kritik
θc. Dari hukum Snellius tentang pembiasan sinar, sudut kritik di perbatasan antara teras
dan kulit :
θc = sin-1
(nk /nt)
nk dan nt masing-masing adalah indeks bias kulit dan teras serat optik. Jika n adalah
indeks bias medium asal sinar, maka dengan bantuan sedikit geometri dapat dibuktikan bahwa : sin2θ i < n n n t k 2 2 2 −
Kristal no.8/April/1993 3
Sudut masuk θ i adalah sudut masuk sinar ke dalam serat optik. Besaran yang
berkaitan dengan sudut masuk maksimum adalah tingkap numerik (numerical aperture) yang didefinisikan sebagai :
NA = n.sin θ i = n2t −nk2
Untuk sinar-sinar lintir (skew rays), yaitu sinar yang tidak pernah memotong sumbu serat, tingkap numeriknya perlu dimodifikasi sedikit akibat bidang datangnya yang membentuk sudut terhadap bidang diametral serat optik :
NA S = NA/cos ϕ
Fungsi lain dari kulit yang tak kalah pentingnya adalah :
o
melindungi teras dari kotoran-kotoran
o
menaikkan ketahanan serat terhadap usikan-usikan mekanis
o
mengurangi kerugian akibat hamburan oleh diskontinuitas dielektrik di permukaan teras
Pada peristiwa pantulan sempurna oleh kulit, sebetulnya masih disertai juga oleh rembesan sinar ke dalam kulit. Hal ini dapat menyebabkan kerugian transmisi dan menyebabkan sinar yang tak sejajar sumbu serat mencapai ujung seberang lebih dulu, sinar memiliki laju rambat yang lebih besar di dalam kulit daripada di dalam teras.
Sebuah sinar di dalam serat terdiri dari dua komponen, yaitu komponen sejajar sumbu dan komponen tegak lurus sumbu. Komponen yang tegak lurus sumbu berarti tegak lurus pula dengan perbatasan teras kulit. Ternyata hanya sinar yang komponen tegak lurusnya membentuk gelombang diam (stasioner) yang dapat menjalar sepanjang serat, akibatnya sinar yang merambat dalam serat cacahnya terbatas (disebut mode). Di dalam serat yang diameter terasnya kecil (1-2µm) hanya satu mode saja yang dapat merambat, serat ini disebut serat bermode tunggal. Di dalam serat semacam ini pantulan sempurna tidak akan terjadi jika amplitudo sinar melebihi jari-jari teras. Ukuran serat mode tunggal yang kecil itu tidak menguntungkan, karena terdapat kesulitan mengumpan sinar masuk ke dalamnya. Ukurannya dapat diperbesar dengan cara membuat indeks bias terasnya. Serat bermode tunggal biasanya juga dikaitkan dengan panjang gelombang sinar yang lewat, serat ini menggunakan diode laser sebagai pengumpan sinarnya, kita tahu bahwa laser memiliki panjang gelombang tunggal sehingga cocok dengan nama mode tunggal. Penggunaan laser di sini mengakibatkan serat mampu membawa data dengan laju yang amat cepat dan dengan distorsi yang minimal.
Serat yang mengijinkan beberapa mode merambat di dalamnya disebut serat bermode banyak (multimode). Jika indeks bias teras dan kulit berbeda drastis, disebut indeks-langkah (step-index), setiap mode yang lewat memiliki jarak tempuh yang berbeda-beda. Akibatnya mereka tiba di ujung seberang pada seberang pada saat yang tidak sama pula, dikatakan terjadi pelebaran pulsa yang akan menurunkan laju transmisi datanya.
Gambar 3 : Serat multimode dengan step-index (kiri) dan graded-index (kanan) Peristiwa dispersi antar mode ini dapat dikurangi dengan cara membuat indeks bias yang turun sedikit demi sedikit dari teras sampai ke kulit, serat yang demikian ini disebut serat dengan graded-index. Gambar 3 di atas menunjukkan serat multimode baik yang indeks-langkah maupun yang graded-index.
Serat bermode banyak biasanya juga dikaitkan dengan pengumpan sinarnya yang berupa LED (light-emitting-diode). Sinar yang keluar dari LED terdiri dari banyak panjang gelombang, garis spektralnya cukup lebar (10 - 500 nm), bandingkan dengan laser yang cuma 0,001-0,1 nm, sehingga sinar yang diijinkan lewat oleh ukuran serat menjadi lebih dari satu mode. Tentu saja LED ini pemasangnya lebih sederhana dan lebih murah dibandingkan diode laser, tetapi karena intensitasnya tidak begitu terang ia hanya cocok untuk LAN (Local Area Network) saja. Penggunaan LED untuk komunikasi jarak jauh akan menghasilkan tingkat kesalahan yang besar, padahal standar internasional untuk tingkat kesalahan yang masih dapat diterima adalah 0,1 ppb, artinya hanya 1 dari 10 milyar informasi boleh salah.
Sampai saat ini komunikasi serat optik pada umumnya membawa informasi dalam bentuk perubahan-perubahan intensitas sinar yang lewat, disebut modulasi intensitas. Sistem komunikasinya dikatakan memiliki deteksi yang langsung. Pada masa yang akan datang modulasi yang digunakan akan mencakup juga modulasi frekuensi (disebut sistem koheren) dan modulasi fase gelombang. Sistem deteksi langsung ini memiliki hambatan utama yang berasal dari melemahnya intensitas sinar di dalam perjalananya. Beberapa peristiwa yang menyebabkan pelemahan intensitas adalah proses hamburan oleh cacat dan tidak meratanya kerapatan bahan serat, kemudian proses serapan oleh logam-logam transisi (besi, tembaga, khrom) yang menjadi ketidakmurnian dalam silika dan serapan oleh getaran ion-ion (misalnya OH-) yang juga terdapat dalam serat. Oleh sebab itu serat bermutu tinggi haruslah memiliki kadar yang kecil : logam (<1 ppb) dan air (< 1 ppm). Kerugian intensitas dalam transmisi juga dapat disebabkan oleh pengaruh mekanis seperti belokan dan sambungan. Kerugian akan minimal bila jari-jari kelengkungan belokan sekitar 100 kali diameter terasnya.
Kristal no.8/April/1993 5
Suatu hal kebetulan bahwa kerugian intensitas akan sekecil-kecilnya jika kita menggunakan panjang gelombang sekitar 1,3 µm (infra merah), artinya bahan silika paling transparan terhadap panjang gelombang itu, padahal laser semi-konduktor juga menghasilkan sinar infra merah dengan panjang gelombang sebesar itu. Usaha mengatasi masaalah kerugian intensitas inilah yang kemudian menjadi catatan sejarah perkembangan teknologiserat optik. Dari generasi ke generasi masalah ini selalu tetap dominan.
Sejarah perkembangan
Teknologi serat optik selalu berhadapan dengan masalah bagaimana caranya agar lebih banyak informasi yang dibawa, lebih cepat dan lebih jauh penyampaiannya dengan tingkat kesalahan yang sekecil-kecilnya. Informasi yang dibawa berupa sinyal digital, oleh sebab itu besaran yang dipakai untuk mengukur prestasinya, yang disebut kapasitas transmisi, diukur dalam gigabit kilometer per detik (Gb.km/s). Kapasitas transmisi sebesar 1 Gb.km/s berarti 1 milyar bit (data digital) dapat disampaikan tiap detik melalui jarak 1 km. Jadi sejarah perkembangan serat optik selalu diwarnai usaha pemecahan rekor kapasitas transmisi ini. Dari penjelasan-penjelasan di atas, hambatan yang ada pada sistem deteksi langsung adalah kerugian intensitas selama perjalanan, sehingga usaha-usaha yang dilakukan pada umumnya dititikberatkan pada minimisasi kerugian intensitasnya ini.
Dari awal perkembangan tahun 1975 sampai sekarang, sudah terdapat lima generasi teknologi serat optik, yang tentu segera akan disusul oleh generasi-generasi berikutnya. Mari kita ikuti perkembangannya.
Generasi pertama (mulai 1975)
Sistem masih sederhana dan menjadi dasar bagi sistem generasi berikutnya, terdiri dari :
o
alat encoding : mengubah input (misal suara) menjadi sinyal listrik
o
transmitter : mengubah sinyal listrik menjadi sinyal gelombang, berupa LED dengan panjang gelombang 0,87 µm.
o
serat silika : sebagai penghantar sinyal gelombang
o
repeater : sebagai penguat gelombang yang melemah di perjalanan
o
receiver : mengubah sinyal gelombang menjadi sinyal listrik, berupa fotodetektor
o
alat decoding : mengubah sinyal listrik menjadi output (misal suara)
Repeater bekerja melalui beberapa tahap, mula-mula ia mengubah sinyal gelombang yang sudah melemah menjadi sinyal listrik, kemudian diperkuat dan diubah kembali menjadi sinyal gelombang. Generasi pertama ini pada tahun 1978 dapat mencapai kapasitas transmisi sebesar 10 Gb.km/s.
Generasi kedua (mulai 1981)
Untuk mengurangi efek dispersi, ukuran teras serat diperkecil agar menjadi tipe mode tunggal. Indeks bias kulit dibuat sedekat-dekatnya dengan indeks bias teras. Dengan sendirinya transmitter juga diganti dengan diode laser, panjang gelombang yang dipancarkannya 1,3 µm. Dengan modifikasi ini generasi kedua mampu mencapai kapasitas tarnsmisi 100 Gb.km/s, 10 kali lipat lebih besar daripada generasi pertama.
Generasi ketiga (mulai 1982)
Terjadi penyempurnaan pembuatan serat silika dan pembuatan chip diode laser berpanjang gelombang 1,55 µm. Kemurnian bahan silika ditingkatkan sehingga transparansinya dapat dibuat untuk panjang gelombang sekitar 1,2 µm sampai 1,6 µm. Penyempurnaan ini meningkatkan kapasitas transmisi menjadi beberapa ratus Gb.km/s. Generasi keempat (mulai 1984)
Dimulainya riset dan pengembangan sistem koheren, modulasinya yang dipakai bukan modulasi intensitas melainkan modulasi frekuensi, sehingga sinyal yang sudah lemah intensitasnya masih dapat dideteksi. Maka jarak yang dapat ditempuh, juga kapasitas transmisinya, ikut membesar. Pada tahun 1984 kapasitasnya sudah dapat menyamai kapasitas sistem deteksi langsung. Sayang, generasi ini terhambat perkembangannya karena teknologi piranti sumber dan deteksi modulasi frekuensi masih jauh tertinggal. Tetapi tidak dapat disangkal bahwa sistem koheren ini punya potensi untuk maju pesat pada masa-masa yang akan datang.
Generasi kelima (mulai 1989)
Pada generasi ini dikembangkan suatu penguat optik yang menggantikan fungsi repeater pada generasi-generasi sebelumnya. Sebuah penguat optik terdiri dari sebuah diode laser InGaAsP (panjang gelombang 1,48 µm) dan sejumlah serat optik dengan doping erbium (Er) di terasnya. Pada saat serat ini disinari diode lasernya, atom-atom erbium di dalamnya akan tereksitasi dan membuat inversi populasi*, sehingga bila ada sinyal lemah masuk penguat dan lewat di dalam serat, atom-atom itu akan serentak mengadakan deeksitasi yang disebut emisi terangsang (stimulated emission) Einstein. Akibatnya sinyal yang sudah melemah akan diperkuat kembali oleh emisi ini dan diteruskan keluar penguat. Keunggulan penguat optik ini terhadap repeater adalah tidak terjadinya gangguan terhadap perjalanan sinyal gelombang, sinyal gelombang tidak perlu diubah jadi listrik dulu dan seterusnya seperti yang terjadi pada repeater. Dengan adanya penguat optik ini kapasitas transmisi melonjak hebat sekali. Pada awal pengembangannya hanya dicapai 400 Gb.km/s, tetapi setahun kemudian kapasitas transmisi sudah menembus harga 50 ribu Gb.km/s ! Perusahaan Alcatel Submarcom sudah dikontrak untuk menerapkan teknologi generasi kelima ini di teluk Aden, menghubungkan kota Aden di semenanjung Arab dengan kota Djibouti di daratan Afrika sepanjang 270 km lewat dasar laut, sedianya proyek ini akan selesai Juni 1994 yang akan datang.**
Generasi keenam ?
Pada tahun 1988 Linn F. Mollenauer memelopori sistem komunikasi soliton. Soliton adalah pulsa gelombang yang terdiri dari banyak komponen panjang gelombang. Komponen-komponennya memiliki panjang gelombang yang berbeda hanya sedikit, dan juga bervariasi dalam intensitasnya. Panjang soliton hanya 10-12 detik dan dapat dibagi menjadi beberapa komponen yang saling berdekatan, sehingga sinyal-sinyal yang berupa soliton merupakan informasi yang terdiri dari beberapa saluran sekaligus (wavelength
division multiplexing). Eksperimen menunjukkan bahwa soliton minimal dapat membawa
5 saluran yang masing-masing membawa informasi dengan laju 5 Gb/s. Cacah saluran dapat dibuat menjadi dua kali lipat lebih banyak jika dibunakan multiplexing polarisasi,
Kristal no.8/April/1993 7
karena setiap saluran memiliki dua polarisasi yang berbeda. Kapasitas transmisi yang telah diuji mencapai 35 ribu Gb.km/s.
Cara kerja sistem soliton ini adalah efek Kerr, yaitu sinar-sinar yang panjang gelombangnya sama akan merambat dengan laju yang berbeda di dalam suatu bahan jika intensitasnya melebihi suatu harga batas. Efek ini kemudian digunakan untuk menetralisir efek dispersi, sehingga soliton tidak akan melebar pada waktu sampai di receiver. Hal ini sangat menguntungkan karena tingkat kesalahan yang ditimbulkannya amat kecil bahkan dapat diabaikan.
Tampak bahwa penggabungan ciri beberapa generasi teknologi serat optik akan mampu menghasilkan suatu sistem komunikasi yang mendekati ideal, yaitu yang memiliki kapasitas transmisi yang sebesar-besarnya dengan tingkat kesalahan yang sekecil-kecilnya. yang jelas, dunia komunikasi abad 21 mendatang tidak dapat dihindari lagi akan dirajai oleh teknologi serat optik.
Rujukan :
o
Lee, D.L. : Electromagnetic Principles of Integrated Optics, John Wiley & Sons, Inc., 1986
o
Jones, K.A. : Introduction to Optical Electronics, John Wiley & Sons, Inc., 1987
o
Guenther : Modern Optics, John Wiley & Sons, Inc., 1990
o
Desurvire, E.: Lightwave Communications : The Fifth Generation, Scientific American, vol.266. no.1, January 1992
