KARAKTERISTIK TRANSMISI PADA SERAT OPTIK

KARAKTERISTIK TRANSMISI PADA SERAT OPTIK

Muhammad Nasir (T851908006)

Pendahuluan

Serat optik merupakan media penyampaian informasi dari satu titik ke titik lainnya dalam bentuk cahaya. Sistem serat optik dasar terdiri dari perangkat pemancar yang mengubah sinyal listrik menjadi sinyal cahaya, kabel serat optik yang membawa cahaya, dan penerima yang menerima sinyal cahaya dan mengubahnya kembali menjadi sinyal listrik (Agrawal, 2010). Sumber optik yang menyediakan konversi listrik-optik dapat berupa laser semikonduktor atau light-emitting diode (LED), sementara media transmisi terdiri dari kabel serat optik dan penerima terdiri dari detektor optik biasanya berupa fotodioda, fototransistor atau fotokonduktor (Senior, 2009).

Serat optik yang digunakan dalam komunikasi terdiri dari dua bagian yaitu inti kaca (core) dan lapisan kelongsong (caldding). Inti dan kelongsong memiliki indeks bias yang berbeda, yang mana indeks bias inti (𝑛₁) lebih besar daripada indeks bias kelongsong (𝑛₂).

Perbedaan indeks bias inilah yang memungkinkan serat memandu cahaya melalui peristiwa pemantulan internal total di dalam serat (Barnoski, 2012; Hill, 2012). Lapisan paling luar dikenal sebagai kelongsong sekunder yang tidak berpartisipasi dalam perambatan cahaya namun sebagai pelindung serat (coating).

Fiber optik yang tersusun dari inti padat dan kelongsong disebut sebagai serat optik konvensional. Pada pertengahan 1990-an, telah mulai muncul kelas baru serat optik terstruktur mikro yang disebut serat kristal fotonik, hal tersebut imlementasi dari hasil percobaan Knight, Birks, Russell, & Atkin(1996) dan percobaan Knight, Birks, Cregan, Russell, & De Sandro (1999) yang menunjukkan bahwa struktur mikro kristal fotonik berpotensi untuk transmisi cahaya jarak jauh dan diimplementasikan pada perangkat optik.

Serat optik berstruktur mikro yang biasanya berisi serangkaian lubang udara yang membentang di sepanjang sumbu longitudinal daripada terdiri dari struktur batang silika padat. Keberadaan lubang-lubang ini memberikan dimensi tambahan pada desain serat yang telah menghasilkan perkembangan baru untuk memandu dan mengendalikan cahaya (Senior, 2009).

Orientasi pengembangan materi ini adalah untuk menyajikan konsep pemantulan, pembiasan, dan attenuasi gelombang cahaya dalam konteks isu science, technology, engginering, and mathematics (STEM). Isu STEM yang diusung dalam kajian ini adalah fiber optik. Kajian materi tentang fiber optik akan dibahas mulai dari teori perambatan cahaya pada fiber optik, jenis fiber optik, pelemahan daya (attenuation), dan upaya yang telah dilakukan untuk meningkatkan efesiensi transmisi cahaya pada fiber optik.

Perambatan cahaya pada Fiber Optik

Perambatan cahaya di sepanjang serat optik terjadi karena pemantulan internal cahaya yang terjadi pada perbatasan core dan pembungkusnya. Pemantulan ini disebabkan oleh indeks is yang tidak sama antara core dan cladding. Jika seberkas cahaya memasuki medium dengan indeks bias yang berbeda, proses pembiasan atau pemantulan cahaya yang terjadi dapat dijelaskan menggunakan hukum Snellius sebagai berikut (Luetjen, Hallsted, & Kleinert, 2013; Hasbun, 2018):

Indeks bias suatu medium didefinisikan sebagai rasio kecepatan cahaya dalam ruang hampa dengan kecepatan cahaya dalam medium. Ketika sinar datang pada antarmuka antara dua dielektrik indeks bias berbeda seperti yang diilustrasikan pada Gambar 1 (a) bahwa sinar yang mendekati antarmuka merambat dalam dielektrik indeks bias 𝑛1 dan berada pada sudut Φ1 ke normal pada permukaan antarmuka. Jika dielektrik di sisi lain antarmuka memiliki indeks bias 𝑛₂ yang lebih kecil dari 𝑛₁, maka sudut refraksi yang terjadi berada pada sudut Φ₂ ke normal, di mana φ2 lebih besar dari φ1. Hubungan antara sudut datang φ1, sudut refraksi φ2 dan indeks bias dielektrik dapat dinyatakan dalam hukum bias Snell, yaitu.

𝑛₁sin Φ₁= 𝑛₂sin Φ₂ Atau

sin Φ₁ sin Φ₂=^𝑛2

𝑛₁ (1)

Dari Persamaan. (1) nilai sudut kritis diberikan oleh sin Φ𝑐=^𝑛_𝑛²

1 (2)

Gambar 1. (a) Proses pemantulan dan pembiasan cahaya, (b) Sudut kritis (c) Pemantulan internal total (Senior, 2009)

.

Pada gambar 1 (b) menunjukan terbantuknya sudut kritis, terjadi ketika sinar bias sejajar dengan bidang batas medium, maka sudut Φ1 tersebut dinamakan sudut kritis.

Gambar 1(c) dinamakan pemantulan internal total, apabila sudut sinar datang terus diperbesar melampaui besarnya sudut kritis Φ1 > Φc, maka sinar datang akan dipantulkan selruhnya. Konsep pemantulan internal total ini yang digunakan sebagai landasan pemandu gelombang optik yang ditujukan untuk mentrasnmisikan gelombang cahaya melalui medium optik.

Efektivitas perambatan cahaya pada fiber optik tergantung pada kemampuan fiber untuk memandu cahaya pada jarak yang jauh dengan sedikit hamburan atau penyerapan cahaya. Hal ini dapat dilakukan dengan cara mengatur agar terjadi peristiwa pemantulan internal total di dalam fiber optik. Parameter yang perlu diperhitungkan agara terjadinya pemantulan internal total pada fiber optik adalah nilai apertur numerik (AN) dan profil indeks bias dari jenis serat optik yang digunakan.

Aperatur Numerik

Aparatur Numerik adalah parameter yang nilainya ditentukan oleh indeks bias core dan cladding. Bersama dengan ukuran core dan panjang gelombang, apertur numerik menentukan jumlah mode cahaya yang diterima pada core serat optik.

Gambar 2 Geometri untuk menurunkan acceptance angle

Gambar 2 mengilustrasikan geometri untuk penurunan sudut penerimaan (𝜃_𝑎𝑐𝑐). Untuk memenuhi kondisi untuk refleksi internal total, sinar yang tiba di antarmuka, antara serat dan media luar, katakanlah udara, harus memiliki sudut datang kurang dari 𝜃_𝑎𝑐𝑐, jika tidak sudut internal tidak akan memenuhi kondisi untuk refleksi total, dan energi sinar akan hilang di kelongsong. Pertimbangkan bahwa sinar dengan sudut datang kurang dari 𝜃_𝑎𝑐𝑐, katakanlah 𝜃₁, memasuki serat pada antarmuka inti (𝑛₁) dan media luar, katakanlah udara (𝑛₀), dan sinar terletak pada bidang meridional. Dari hukum Snell diperoleh.

𝑛₀sin 𝜃₁= 𝑛₁sin 𝜃₂ (3)

Dari segitiga siku-siku ABC (Gambar 2), sudut 𝜱 diberikan oleh 𝛷 =^𝜋

2− 𝜃₂ (4)

Dimana sudut 𝛷 lebih besar dari sudut kritis, dengan mensubstitusikan persamaan 4 ke persamaan 3 diperoleh

𝑛₀sin 𝜃₁= 𝑛₁cos 𝛷 (5)

Saat sudut datang (𝜃₁) mendekati 𝜃_𝑎𝑐𝑐 dan sudut dalam (𝛷 ) mendekati sudut kritis 𝛷_{𝑐𝑟𝑖𝑡} untuk refleksi total. Dengan menggunakan hubungan trigonometri 𝑠𝑖𝑛²𝛷 + 𝑐𝑜𝑠 ²𝛷 = 1, lalu disubtitusikan ke persamaan 5 diperoleh

𝑛₀sin 𝜃₁= 𝑛₁cos 𝛷 = 𝑛₁(1 − 𝑠𝑖𝑛²𝛷)¹²= 𝑛₁(1 − (^𝑛2

𝑛₁)²)

1

2= (𝑛₁²− 𝑛₂²)¹²

Persamaan ini mendefinisikan sudut di mana serat dapat menerima dan menyebarkan cahaya dan disebut sebagai "Apertur Numerik" (AN).

𝐴𝑁 = 𝑛₀sin 𝜃_𝑎𝑐𝑐 = (𝑛₁²− 𝑛₂²)¹²

Ketika medium dengan indeks bias 𝑛₀ adalah udara, persamaan AN serat kaca disederhanakan menjadi

𝐴𝑁 = sin 𝜃_𝑎𝑐𝑐= (𝑛₁²− 𝑛₂²)¹²

Persamaan ini menyatakan bahwa untuk semua sudut datang di mana ketidaksamaan 0 ≤ 𝜃₁ ≤ 𝜃_𝑎𝑐𝑐 terpenuhi, sinar datang akan merambat di dalam serat. Parameter AN mengungkapkan kecenderungan serat untuk menerima dan menyebarkan cahaya dalam kerucut padat yang didefinisikan dengan sudut 2𝜃_𝑎𝑐𝑐. Persamaan untuk AN juga dapat dinyatakan dalam perbedaan antara indeks bias inti dan kelongsong, yaitu

∆=𝑛₁²− 𝑛₂²

2𝑛₁² ≈𝑛1− 𝑛2

𝑛₁

Dengan penyederhanaan ini, AN sekarang dapat ditulis sebagai (Senior, 2009).

𝐴𝑁 = 𝑛₁(2∆)¹² (6)

Karena aperture numerik bersangkutan dengan sudut datang maksimum (yaitu sudut penerimaan) maka persamaan (6) dipakai sebagai ukuran kemampuan serat untuk menerima cahaya yang akan dipandu.

Jenis Mode Fiber Optik

Serat yang memungkinkan perambatan satu mode saja disebut serat mode tunggal.

Serat dapat berupa multimode atau mode tunggal, dan perilakunya tergantung pada dimensi relatif inti dan panjang gelombang cahaya yang merambat. Serat dengan diameter inti yang jauh lebih besar dari panjang gelombang cahaya yang diluncurkan akan mendukung banyak mode perambatan, dan kondisi perambatan dapat dianalisis dengan optik geometris. Serat dengan diameter inti serupa dengan panjang gelombang cahaya hanya mendukung satu mode perambatan. Gambar 3 mengilustrasikan konsep ini.

Gambar 3 Step index fiber, (a) multimode dan (b) single-mode

Serat mode tunggal memiliki diameter inti 8 hingga 9 mikron, yang hanya memungkinkan satu jalur cahaya atau mode. Serat multimode memiliki diameter inti 50 atau 62,5 mikron (terkadang bahkan lebih besar) yang memungkinkan beberapa jalur cahaya atau mode. Hal ini menyebabkan penyebaran modal (modal dispersion) beberapa mode memerlukan waktu lebih lama untuk melewati serat daripada yang lain karena menempuh jarak yang lebih jauh.

Indeks bertingkat (Graded-index) mengacu pada fakta bahwa indeks bias inti secara bertahap menurun lebih jauh dari pusat inti. Pembiasan yang meningkat di tengah inti memperlambat kecepatan beberapa sinar cahaya, memungkinkan semua sinar cahaya mencapai ujung penerima pada waktu yang kira-kira bersamaan, sehingga mengurangi penyebaran (dispersion).

Gambar 4 Multimode Graded-Index Fiber

Multimode Graded-Index Fiber seperti Gambar 4 menunjukkan bahwa sinar cahaya tidak lagi mengikuti garis lurus melainkan mengikuti jalur berkelok-kelok yang secara bertahap dibengkokkan kembali ke tengah oleh indeks bias yang terus menurun. Hal ini mengurangi perbedaan waktu kedatangan karena semua mode tiba pada waktu yang hampir bersamaan. Mode yang bergerak dalam garis lurus memiliki indeks bias yang lebih tinggi, sehingga mode tersebut bergerak lebih lambat daripada mode berkelok-kelok (serpentine modes). Multimode Graded-Index Fiber bergerak lebih jauh tetapi bergerak lebih cepat di indeks bias yang lebih rendah dari wilayah inti luar.

Pelemahan Daya Optis (Atenuasi)

Pelemahan daya. atau biasa disebut juga rugi serat (fiber loss) atau rugi sinyal (signal loss) merupakan sifat yang sangat penting dari serat optik karena menentukan seberapa sinyal optis dapat ditransmisikan dalam serat. Dasar dari mekanisme pelemahan ada tiga macam, yakni absorbsi, hamburan, dan rugi-rugi radiasi akibat pelengkungan serat. Pelemahan sinyal (rugi serat) didefinisikan sebagai berikut :

𝛼 =^{10𝑙𝑜𝑔(𝑃𝑖𝑛/𝑃𝑜𝑢𝑡)}

𝐿 (7)

Dengan 𝑃_𝑖𝑛 dan 𝑃_𝑜𝑢𝑡 masing-masing daya masukan dan daya keluaran dari serat optik, 𝐿 pajang serat (km), dan α adalah koefisien pelemahan (dB/km) (Senior, 2009).

Serat optik multimode memungkinkan pengiriman sinar laser fleksibel yang efisien tetapi kehilangan kualitas sinar yang dikirim. Sinar laser yang akan dikirim harus diluncurkan dengan benar ke dalam serat, jika tidak, kerusakan dapat terjadi. Serat yang lebih kecil cenderung menghasilkan degradasi yang lebih sedikit pada kualitas berkas sinar tetapi ukuran titik berkas sinar yang difokuskan ke serat dibatasi oleh kualitas berkas laser, ruang fokus dan bukaan numerik serat. Tekukan pada kabel serat optik cenderung menghasilkan mode tatanan lebih tinggi yang memodifikasi profil berkas sinar (Hunter et al., 1996)

Upaya Peningkatan Daya Transmisi Fiber Optik

Ada dua teknik yang sangat penting dipertimbangkan saat membuat serat optik dengan pelemahan tertentu. Teknik pertama melibatkan pemurnian komposisi material, yang mengurangi penyerapan material dan hamburan Rayleigh dari sinar cahaya di dalam serat (Todoroki, Sakaguchi, & Sugii, 1995). Kedua adalah metode preparasi serat yang harus dilakukan secara terkontrol seperti penarikan serat untuk mengurangi terjadinya variasi mikroskopis pada densitas bahan dan fluktuasi komposisi yang akan mengakibatkan hamburan cahaya pada serat optik (Yoshida & Morikawa, 1997).

Dispersi cahaya pada fiber optik ditandai dengan adanya pasangan cahaya dari mode fundamental ke mode orde tinggi yang menyebar pada kecepatan grup yang berbeda dari mode fundamental merupakan salah satu faktor penting terjadinya attenuasi dalam fiber optik. Perbedaan kecepatan kelompok (group volecity) dapat dimaksimalkan dengan konstruksi yang tepat dari profil indeks bias dari serat yang diusulkan (Donlagic & Culshaw, 2000). Selain itu juga, untuk memaksimalkan penerimaan daya optik dapat dilakukan dengan pengaturan susunan geometris serat dalam bundel dan penggandengan (pengkopelan) yang memenuhi sudut penerimaan maksimum atau apertur numerik (NA) akan meningkatkan kemampuan bundel menerima daya optik (Retno, 2011).

Sensor serat optik dapat diproduksi dengan menggabungkan metode Transmission–

Reflection Analysis (TRA) yang distabilkan dengan baik dengan serat optik hamburan tinggi.

Pengujian eksperimental telah menunjukkan bahwa sensor yang diusulkan dapat digunakan untuk menentukan kehilangan tekukan dengan resolusi spasial 0,5 m dan 0,15 m (Silveira et al., 2020). Untuk meningkatkan efisiensi sambungan serat optik dan lebih mewujudkan transmisi stabil keadaan polarisasi sirkuler dilakukan dengan mengatur amplitudo osilasi tegangan maksimum dan struktur serat optik dengan distribusi tegangan optimal (Zhan, & Ji, 2020). Kebisingan modal pada multi-mode fiber karena serat yang tidak selaras secara lateral dapat direplikasi menggunakan optik geometris dengan mengkonfigurasi sumber- sumber yang sesuai dengan mode linearly polarized (Floris, de Hon, Bolhaar, & Smink, 2020).

Selama ini, metode deposisi uap telah sangat berhasil dalam memungkinkan serat optik loss ultra-rendah dalam volume yang sangat tinggi. Namun saat ini, telah ditemukan pendekatan untuk komposisi baru dan mikrostruktur bahan serat yaitu menggunakan doping sol-gel dan nano partikeel. Doping sol-gel atau larutan logam-organik dari bentuk awal silika yang diendapkan uap mungkin berguna untuk dopan non-konvensional dan meningkatkan homogenitas doping dopan sebelumnya (Dragic, Cavillon, & Ballato, 2018). Baru-baru ini, laser serat 2 𝜇𝑚 dengan kerugian rendah dan efisien (efisiensi kemiringan 80%) telah direalisasikan menggunakan bentuk doping nanopartikel (Baker, 2017).

Penguat serat yang didoping Erbium dapat dimasukkan langsung ke jalur komunikasi serat optik. Hasil penelitian (Glass, 1993) bahwa laser dioda semikonduktor memompa ion erbium ke keadaan tereksitasi, dimana ion-ion dipompa secara optik dari level 1 ke level 3, dan sinyal diperkuat oleh emisi yang dirangsang dari level 2 ke level 1 serta lebar garis diperluas hingga 1,53-1,56 𝜇𝑚, memungkinkan bandwidth hingga 4 terahertz. Arnaud, Forsyth, Sun, Zhang, & Grattan (2000), telah melakukan eksperimental regangan dan sensitivitas suhu terhadap waktu peluruhan fluoresensi pada serat optik yang didoping

erbium komersial yang hasilnya menunjukkan bahwa efek regangan pada kinerja sensor berbasis suhu yang menggunakan serat tersebut lebih besar daripada efek untuk serat yang didoping neodymium, tetapi sedikit lebih kecil daripada yang terlihat pada bahan yang didoping ytterbium. Selain itu juga bahwa Serat Photonic Band Gap merekonsiliasi berkas cahaya terbatas difraksi dan area mode besar dengan kehilangan tekukan rendah dengan efisiensi kemiringan 80% ditunjukkan bersama dengan perambatan yang kuat yang memungkinkan serat ditekuk dengan erat sampai radius luka sekecil 6 cm (Roy et al., 2008).

Dalam hal mempertahankan efesiensi transmisi daya pada fiber optik diperlukan kelongsong yang tahan tahan lama pada keadaan dan situasi yang ektrim perlu diperhatikan. Selama ini, penggunaan serat optik single-crystal sapphire merupakan sebagai alternatif serat optik silika untuk suhu tinggi, tekanan tinggi, dan lingkungan keras yang agresif secara kimiawi telah diakui selama beberapa dekade. Dengan tinjauan stabilitas termodinamika dan kimia dari sistem material yang diusulkan, Chen et al., (2018) telah mengkategorikan tiga strategi untuk pembuatan serat safir dengan kelongsong optik yaitu, pertama melibatkan penyimpanan lapisan material di atas inti serat safir yang sudah ada sebelumnya melalui proses seperti Deposisi Uap Fisik, Deposisi Uap Kimia, dan aplikasi sol- gel serta proses sintering. Kedua berusaha mengubah daerah luar serat menjadi kelongsong dengan cara mengurangi indeks pembiasan secara lokal pada atau di bawah permukaan serat, termasuk implantasi ion dan difusi dopan suhu tinggi. Ketiga berusaha menghilangkan bahan secara selektif melalui proses penataan mikro atau nano untuk mengurangi indeks refraksi yang efektif. Stabilitas termodinamika dan/atau kinetik dari inti yang dihasilkan dan lapisan kelongsong sangat penting untuk penggunaan serat dalam jangka panjang. Untuk kisaran suhu operasi setinggi mungkin, pendekatan yang mengandalkan stabilitas termodinamika akan lebih menguntungkan daripada stabilitas kinetik (yaitu, pendekatan kelongsong berbasis difusi).

DAFTAR PUSTAKA

Agrawal, G.P. (2010). Fiber-optic communication systems. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey.

Arnaud, A., Forsyth, D. I., Sun, T., Zhang, Z. Y., & Grattan, K. T. V. (2000). Strain and temperature effects on erbium-doped fiber for decay-time based sensing. Review of Scientific Instruments, 71(1), 104-108.

Baker, C. C., Friebele, E. J., Burdett, A. A., Rhonehouse, D. L., Fontana, J., Kim, W., ... &

Pattnaik, R. (2017). Nanoparticle doping for high power fiber lasers at eye-safer wavelengths. Optics express, 25(12), 13903-13915.

Barnoski, M. (Ed.). (2012). Fundamentals of optical fiber communications. Elsevier.

Chen, H., Buric, M., Ohodnicki, P. R., Nakano, J., Liu, B., & Chorpening, B. T. (2018).

Review and perspective: Sapphire optical fiber cladding development for harsh environment sensing. Applied Physics Reviews, 5(1), 011102.

Dragic, P. D., Cavillon, M., & Ballato, J. (2018). Materials for optical fiber lasers: A review. Applied Physics Reviews, 5(4), 041301.

Donlagić, D., & Culshaw, B. (2000). Optical fiber for dispersion addressing. Applied Physics Letters, 76(17), 2331-2333.

Floris, S. J., de Hon, B. P., Bolhaar, T., & Smink, R. W. (2020). A geometrical optics approach to encircled-flux compliant source modeling for multi-mode fiber illumination and connection attenuation. Optical Fiber Technology, 54, 102116.

Glass, A. M. (1993). Fiber optics. PhT, 46(10), 34-38.

Hasbun, J. E. (2018). On the optical path length in refracting media. American Journal of Physics, 86(4), 268-274.

Hill, G. (2012). Optical Fibers Takis Hadjifotiou. In The Cable and Telecommunications Professionals' Reference (pp. 129-162). Routledge.

Hunter, B. V., Leong, K. H., Miller, C. B., Golden, J. F., Glesias, R. D., & Laverty, P. J.

(1996). Understanding high‐power fiber‐optic laser beam delivery. Journal of Laser Applications, 8(6), 307-316.

Knight, J. C., Birks, T. A., Russell, P. S. J., & Atkin, D. M. (1996). All-silica single-mode optical fiber with photonic crystal cladding. Optics letters, 21(19), 1547-1549.

Knight, J. C., Birks, T. A., Cregan, R. F., Russell, P. S. J., & De Sandro, J. P. (1999).

Photonic crystals as optical fibres–physics and applications. Optical materials, 11(2-3), 143-151.

Luetjen, C., Hallsted, J., & Kleinert, M. (2013). Measuring the refractive index of thin transparent films using an extended cavity diode laser. American Journal of Physics, 81(12), 929-935.

Retno, S. (2011). Analisis Efisiensi Daya Pada Transmisi Daya Optik Lewat Bundel Serat Optik.

Roy, P., Devautour, M., Lavoute, L., Gaponov, D., Brasse, G., Hautreux, S., ... & Humbert, G. (2008, October). Optical Fiber Design And Fabrication: Discussion On Recent Developments. In AIP Conference Proceedings (Vol. 1055, No. 1, pp. 87-90).

American Institute of Physics.

Senior, J. (2009). Optical Fiber Communications Principles and Practice Third Edition.

Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New Jersey.

Silveira, M., Frizera, A., Leal-Junior, A., Ribeiro, D., Marques, C., Blanc, W., & Díaz, C. A.

(2020). Transmission–Reflection Analysis in high scattering optical fibers: A comparison with single-mode optical fiber. Optical Fiber Technology, 58, 102303.

Todoroki, S. I., Sakaguchi, S., & Sugii, K. (1995). Evaluation of optical glasses for low-loss fibers: Optical attenuation and fiber drawing ability. Japanese journal of applied physics, 34(6R), 3128.

Van Keuren, E. R. (2005). Refractive index measurement using total internal reflection. American journal of physics, 73(7), 611-614.

Yoshida, K., & Morikawa, T. (1997). Optical fibers with polygonal cladding. Optical Fiber Technology, 3(3), 273-277.

Zhan, T., & Ji, M. (2020). Optimization of the optical fiber with triple sector stress elements. Optical Fiber Technology, 57, 102212.