Karakteristik Serat Optik Degradasi Sinyal Material & fabrikasi Serat Optik Fiber Joint
Serat Optik (Jenis serat optik) • Step Index Single Mode
Core 8-12m Cladding n2
n1
Profil Indeks bias Kelebihan
Kekurangan
Dispersi minimum BW Lebar Sangat efisien
NA Kecil : butuh ILD Sulit untuk terminasi Mahal
2
Serat Optik (Jenis serat optik) • Step Index Multimode 12550-200m 400m
Core Cladding n2
n1
Profil Indeks bias Kelebihan
Kekurangan
Mudah terminasi kopling efisien (NA>>) Tidak mahal
Dispersi lebar BW minimum
3
Serat Optik (Jenis serat optik) • Graded Index Multimode
Core
12550-100m140m
Cladding
n2
n1
Profil Indeks bias Serat optik graded indeks merupakan serat yang kelebihan dan kekurangannya berada diantara serat jenis single mode dan multimode step indeks
4
Material Serat Optik • Syarat : – Harus dapat dibuat panjang – Harus tembus pandang efisien – Memungkinkan memiliki beda indeks bias kecil antara inti dan kulit.
• Yg memenuhi syarat : – – – – –
Fiber gelas Fiber gelas halida Fiber gelas aktif Fiber gelas berkulit plastik Fiber plastik
5
Jenis fiber optik bervariasi dari high loss glass fiber dengan radius core yang lebar untuk komunikasi dengan jarak yang pendek sampai very transparant (low loss) fiber yang digunakan untuk komunikasi dengan jarak yang lebih jauh (long haul communication)
Fiber yang terbuat dari bahan plastik jarang digunakan karena redaman-nya yang lebih besar dibandingkan glass fiber. Kegunaan fiber plastik ini biasanya untuk aplikasi komunikasi dengan jarak yang pendek (ratusan meter) dan pada kondisi lingkungan yang ekstrim dimana fiber plastik lebih memiliki keuntungan dalam hal kekuatan mekanik (mechanical strength) daripada glass fiber
[2] Jenis
Serat Optik
Berdasarkan bahan penyusunnya serat optik dibagi menjadi lima: [a] Glass fibers [b] Halide Glass Fibers [c] Active Glass Fibers [d] Chalgenide Glass Fibers [e] Plastic Optical Fibers
[a] Glass
fibers
• Glass fiber dibuat melalui reaksi fusi dari oksida logam, sulfida, atau seleneida • Ketika glass/ kaca dipanaskan dari suhu ruangan kemudian dinaikan temperaturnya secara teratur maka glass tersebut akan berubah wujud dari yang sangat padat kemudian meleleh sampai dengan wujudnya yang sangat cair pada suhu yang sangat tinggi • “melting temperature” adalah parameter penting yang digunakan dalam fabrikasi glass. Parameter tersebut menyatakan rentang nilai temperature dimana glass/ kaca masih memiliki wujud cukup cair (fluid enough/ melt) dan tidak terdapat gelembung udara didalamnya
Fiber gelas Campuran fusi oksida logam, sulfida/selenida. Indeks bias 1,48
Ge2O5
P2O5 1,46
SiO2 = 1,458 B2O3
F 1,44 0
5
10
15
20
Tambahan dopan (mol %)
9
Jenis optical glass yang memiliki tingkat transparansi yang tinggi adalah fiber yang terbuat dari bahan oksida glass. Oksida glass yang paling sering digunakan adalah silica (SiO2) yang memiliki indeks bias 1,458 pada panjang gelombang 850 nm. Untuk membuat dua material yang memiliki perbedaan indeks bias kecil untuk core dan cladding dapat dilakukan dengan memberikan dopant yang bisa berasal dari bahan fluorine atau variasi bahan oksida (B2O3, GeO2, P2O5) yang ditambahkan kedalam silika (SiO2)
Contoh komposisi fiber INTI
KULIT
GeO2-SiO2
SiO2
P2O2-SiO2
SiO2
SiO2
B2O3-SiO2
GeO2-B2O3-SiO2
B2O3-SiO2
11
“contoh komposisi fiber”
[b] Halide • • • • •
Glass Fibers
1975, researcher dari Universite de Rennes menyelidiki mengenai fluoride glasses yang memiliki loss transmisi rendah pada panjang gelombang infrared (0,2 – 8 μm dengan loss terendah pada 2,55 μm) Fluoride glasses termasuk kedalam golongan gelas halida dimana material anion nya adalah elemen dari golongan VIIA dari tabel periodik unsur (F, Cl, Br, I) Material yang diteliti itu adalah heavy metal fluoride glass yang menggunakan ZrF4 sebagai komponen utamanya Selain ZrF4 ada komponen lainnya yang dapat digunakan untuk membuat Halide Glass Fiber yaitu BaF2, LaF3, AlF3, NaF yang semua material itu diistilahkan dengan ZBLAN (ZrF4, BaF2, LaF3, AlF3, NaF) Material ZBLAN tersebut membentuk bagian core dari fiber, sedangkan untuk mendapatkan indek bias yang lebih rendah salah satu bagian dari ZrF4 diganti dengan HaF4 sehingga menjadi ZHBLAN yang digunakan sebagai cladding (kulit)
• Keuntungan, memiliki redaman yang rendah 0,01 – 0,001 dB/km • Kerugian, dalam fabrikasi sulit untuk dibuat panjang karena: – Material harus sangat murni untuk bisa mendapatkan low loss level – Fluoride glass sangat mudah mengalami devitrification yang bisa menyebabkan efek scattering losses “Unsur pokok ZBLAN”
[c]
Active Glass Fiber
• Penambahan elemen yang sangat jarang di bumi yaitu atom nomor 57-71 kedalam passive glass sehingga menghasilkan material serat optik dengan spesifikasi yang baru dan berbeda • Efek dari penambahan elemen tersebut adalah fiber bisa memiliki sifat amplification, attenuation, atau phase retardation ketika cahaya optik ditransmisikan kedalam fiber tersebut • Doping bisa ditambahkan kedalam silica atau halide glasses • Dua elemen yang sering digunakan sebagai doping adalah Erbium dan Neodymium EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) • Konsentrasi dari elemen doping tersebut adalah rendah (0,005 – 0,05 percent mol)
Rare-Earth Doped Fibers Ion
Common host glasses
neodymium (Nd3+)
silicate and phosphate glasses
ytterbium (Yb3+)
silicate glass silicate and phosphate glasses, fluoride glasses silicate and germanate glasses, fluoride glasses
erbium (Er3+) thulium (Tm3+) praseodymium (Pr3+)
silicate and fluoride glasses
holmium (Ho3+)
silicate glasses, fluorozirconate glasses
Important emission wavelengths 1.03–1.1 μm, 0.9–0.95 μm, 1.32–1.35 μm 1.0–1.1 μm 1.5–1.6 μm, 2.7 μm, 0.55 μm 1.7–2.1 μm, 1.45–1.53 μm, 0.48 μm, 0.8 μm 1.3 μm, 0.635 μm, 0.6 μm, 0.52 μm, 0.49 μm 2.1 μm, 2.9 μm
16
[d] Chalgenide
Glass Fibers
• Terbuat dari unsur chalcogen (S, Se, Te) dan elemen lainnya seperti P, I, Cl, Br, Cd, Ba, Si, atau Tl • Diantara banyak variasi chalcogen glass As2S3 adalah salah satu material yang sering digunakan • Single mode fiber telah dibuat menggunakan As40S58Se2 dan As2S3 sebagai bahan penyusun core dan claddingnya, redaman yang muncul sebesar 1 dB/m (cukup besar) • Chalgenide glass memanfaatkan sifat nonlinearitas optik yang tinggi untuk dimanfaatkan pada beberapa aplikasi lainnya seperti optical switch dan fiber laser
[e] Plastic
Optical Fibers
• Menghasilkan fiber optik gradded index dengan bandwidth yang tinggi • Core bisa dibuat dari PMMA (PolyMethylMethacrylAte) atau PFP (PerFluorinated Polymer) • Kelemahan: – Redaman yang lebih besar dibandingkan dengan glass fiber, – Efektif untuk komunikasi jarak pendek
characteristic
PMMA
PFP
Core diameter
0.4 mm
0.125-0.30 mm
Cladding diameter
1.0 mm
0.25-0.60 mm
Numerical aperture
0.25 mm
0.20 mm
Attenuation
150 dB/km at 650 nm
60-80 dB/km at 650-1300 nm
Bandwidth
2.5 Gb/s over 100m
2.5 Gb/s over 300m
Fiber gelas berkulit plastik (PCS) • Inti silika • Kulit plastik/polimer ( n=1,405 pd 850 nm) atau FEP (Fluoride Ethylene Propylene), n=1,338 • NA besar • Hanya fiber step index • Keuntungan murah & kopling dgn sumber baik • Kerugian redaman besar, kualitas rendah • Hanya cocok utk komunikasi jarak pendek
19
Fiber plastik • Inti dan kulit plastik • Contoh : – Inti polisterene (n=1,60), kulit methyl meta crylate (n=1,49) – Inti methyl meta crylate, kulit copolimernya (n=1,40)
• Keuntungan sudut penerimaan besar, murah, mudah dipelihara, fleksibel ukuran inti besar 110 s/d 1400 μm cocok dengan LED • Hanya cocok untuk komunikasi jarak sangat pendek ±100 m
20
Fabrikasi Serat Optik
• Dua teknik dasar pembuatan fiber: vapor phase oxidation & direct melt • Direct Melt – Mengikuti proses pembuatan gelas secara tradisional – Fiber optik dibuat secara langsung dari cairan komponen gelas silika yang murni (from molten state)
• Vapor Phase Oxidation – Uap logam halida sangat murni (SiCl4, GeCl4) bereaksi dengan oxigen untuk membentuk serbuk putih partikel SiO2 – Kemudian serbuk partikel SiO2 tersebut masuk kedalam proses sintering (proses pentranformasian menjadi gelas yang homogen dengan pemanasan tanpa melalui proses melting/ pencairan) – Hasil dari proses sintering adalah clear glass rod/ tube (batangan gelas yang murni) yang disebut sebagai preform – Preform tersebut memiliki diameter 10-25 mm dan panjangnya 60-120 cm
– Fiber dibuat dari preform dengan perlengkapan dan proses seperti gambar berikut: The preform is precision-fed into a circular heater called the drawing furnace. Here, the preform end is softened to the point where it can be drawn into a very thin filament, which becomes the optical fiber. The turning speed of the takeup drum at the bottom of the draw tower determines hiw fast the fiber is drawn. This, in turn, will determine the thicness of the fiberr, so that aprecise rotation rate must be maintained. An optical fiber thickness monitor is used in feedback loop for this speed regulation. To protect the bare glass fiber from external contaminants, such as dust and water vapor, an elastic coating is applied to the fiber immediately after it is drawn.
• Preform dapat dibuat dengan empat macam teknik/ metode yang berbeda yaitu: 1. 2. 3. 4.
OVPO (Outside Vapor Phase Oxidation) VAD (Vapor-phase Axial Deposition) MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition) PCVD (Plasma-activated Chemical Vapor Deposition)
[1] OVPO
(Outside Vapor Phase Oxidation)
Pembuatan fiber pertama yang memiliki loss kurang dari 20 dB/km adalah oleh Corning Glass Works dengan metode OVPO. Sebuah layer partikel SiO2 yang disebut sebagai “soot” disimpan secara bertahap dari burner (pembakar) ke rotating graphite (ceramic mandrel-bait rod). Glass soot tersebut menempel pada mandrel dari layer per layer. Dengan melakukan kontrolling terhadap aliran komponen uap logam halida selama proses pembentukan perform tersebut, komposisi dan dimensi untuk core dan cladding bisa dibuat, selain itu step index ataupun gradded index perform juga bisa dibuat.
Setelah proses pembentukan preform selesai, mandrel kemudian dilepaskan. Selanjutnya pada preform dilakukan proses vitrification/ dipanaskan pada temperatur yang tinggi (> 1400o) untuk menghasilkan clear glass perform (rod/ tube)
[2] VAD
(Vapor-phase Axial Deposition) Pada metode VAD, proses pembentukan partikel SiO2 sama dengan yang terjadi pada OVPO. Partikel-partikel tersebut disatukan oleh torches (suluh/ pemanas) didalam reaction chamber, kemudian disimpan pada ujung permukaan batang glass selika yang telah terbentuk sebelumnya seperti biji/ bibit yang menempel. Porous perform bergerak secara axial keatas dan berputar secara kontinyu untuk memastikan kesimetrian silindris dari proses pembentukan perform tersebut. Seiring dengan pergerakan porous perform yang terus keatas, kemudian akan dilakukan proses pemanasan sampai ke tahap zone melting oleh carbon ring heater sehingga bisa didapatkan transparant rod preform yang kemudian akan dirubah menjadi lebih padat (solid).
Keuntungan: 1. Perform tidak memiliki central hole seperti pada OVPO 2. Perform bisa dibuat lebih panjang tetapi pasti berpengaruh pada cost dan hasilnya 3. Posisi reaction chamber dan zone melting (ring heater) yang terhubung satu sama lain mengurangi kemungkinan terjadinya kontaminasi ekternal dari seperti karena adanya debu atau uap air
[3] MCVD
(Modified Chemical Vapor Deposition) Pertama dilakukan oleh Bell Laboratories dan kemudian diadopsi secara luas yang digunakan untuk memproduksi very low loss gradded-index fiber. Uap partikel glass didapatkan dari reaksi antara bahan gas logam halida dengan oxigen yang mengalir didalam silica pipe. Kemudian partikel glass tersebut disimpan dan dilakukan proses sintering oleh H2O2 burner (oxyhydrogen) yang berjalan sepanjang silica pipe sehingga diperoleh clear glass layer (sintered glass). Ketika ukuran/ ketebalan dari glass sudah sesuai dengan yang diinginkan aliran uap partikel glass tadi dihentikan dan kemudian tabung (pipe) dipanaskan sampai suhu yang tinggi sehingga dihasilkan solid rod preform
Fiber yang dihasilkan dari preform MCVD akan memiliki core yang terdiri dari vapor-deposited material dan cladding yang terbuat dari original silica tube
[4] PCVD
(Plasma-activated Chemical Vapor Deposition)
Metode PCVD ditemukan oleh scientists at Philips Research. PCVD mirip dengan MCVD pada proses pembentukan yang terjadi pada silica tube. Nonisothermal plasma beroperasi pada tekanan yang rendah untuk menginialisasi reaksi kimia. Silica tube berada pada temperatur 1000-1200oC untuk mengurangi tekanan. Microwave resonator yang bekerja pada 2.45 GHz berjalan sepanjang silica tube untuk menghasilkan plasma. Proses pembuatan dengan teknik PCVD ini menghasilkan dan menyimpan clear glass material secara langsung pada dinding tube tanpa melalui soot formation, jadi tidak ada proses sintering didalamnya. Ketika ketebalan/ diameter dari glass sudah sesuai dengan yang diinginkan tube (tabung) berubah membentuk jadi preform seperti yang terjadi pada MCVD.
Double-Crucible Method metode direct melt double crucible dapat digunakan untuk membuat silica, chalgenide, dan halida glass fiber. Pada metode ini, glass rod (batangan glass) untuk core dan cladding dibuat terlebih dahuluisecara terpisah dengan proses pencampuran (melting mixture) dari serbuk murni sampai didapatkan komposisi glass yang sesuai. Batangan glass untuk core dan cladding kemudian dimasukan kedalam crucible secara terpisah (inner dan outer). Fiber terbentuk dari komponen core dan cladding yang berada pada kondisi cair (molten state) yang keluar dan mengalir dari lubang bagian bawah crucible secara kontinyu.
Meskipun metode ini memberikan keuntungan berupa prosesnya yang bisa berlangsung secara kontinyu tetapi harus memperhatikan kemungkinan kontaminasi yang terjadi pada proses melting. Faktor utama sumber munculnya kontaminasi bisa berasal dari lingkungan pemanas (furnace environment) dan dari crucible sendiri.
Karakteristik Serat Optik • Bandwidth-distance product – Sebuah ukuran kapasitas informasi serat optik, dinyatakan dalam MHz.Km Contoh : BW 400 MHz.Km, artinya sinyal 400 MHz dapat dikirim untuk 1 Km, atau dapat berarti pula BW x L 400
30
The electric susceptibility χe of a dielectric material is a measure of how easily it polarizes in response to an electric field. 31
32
33
Degradasi Sinyal Pada Fiber Optik
Redaman Dispersi
Degradasi sinyal :
• Degradasi sinyal dalam fiber : – Redaman – Dispersi
35
Redaman • •
•
Dalam desain sistem komunikasi serat optik, redaman mempunyai peranan yang sangat penting. Redaman menentukan jarak transmisi maksimum antara transmitter dan receiver, juga akan menentukan banyaknya repeater dan margin daya yang dibutuhkan dalam sebuah link. Redaman () sinyal atau rugi-rugi serat didefinisikan sebagai perbandingan antara daya output optik (Pout) terhadap daya input optik (Pin) sepanjang serat L.
•
• Redaman diklasifikasikan : – – – –
Absorpsi Hamburan Raleigh Efek geometri Loss inti dan kulit
P 10 log in dB m L Pout
Redaman dalam serat optik untuk berbagai panjang gelombang tidak selalu sama karena redaman ini merupakan fungsi panjang gelombang (()).
Gambar Rugi-Rugi Yang Terjadi Pada Serat Optik
Absorpsi • Absorpsi oleh kerusakan atomik dalam komposisi gelas. Kerusakan ini merupakan ketidaksempurnaan struktur atomik bahan serat, misalnya molekul yang hilang, kerusakan oksigen dalam struktur gelas. • Biasanya redaman absorpsi jenis ini cukup kecil bila dibandingkan dengan jenis lain tetapi akan sangat berarti apabila tercemari oleh adanya ledakan nuklir.
• Rugi-rugi absorpsi : – Kerusakan atom – Intrisik – Ekstrinsik
37
Rugi-rugi Absorpsi Karena Kerusakan Atom • Kerusakan atom – Ketidak sempurnaan struktur atom seperti kehilangan molekul, cluster kerapatan tinggi grup atom, atau kerusakan oksigen dalam struktur gelas. – Umumnya rugi-rugi ini dapat diabaikan dibandingkan dengan karena intrinsik dan ekstrinsik. – Rugi-rugi ini signifikan jika terjadi radiasi nuklir yang tinggi, misalnya di reaktor nuklir saat terjadi ledakan nuklir.
Rugi-rugi Absorpsi Karena Intrinsik • Intrinsic absorption oleh atom unsur pokok bahan serat. Sifat alamiah gelas menyerap cahaya. • Hal ini berhubungan dengan bahan serat (misalnya SiO2 murni) dan faktorfaktor prinsip yang menentukan transparency window bahan pada daerah spektrum tertentu. Sangat kuat pada daerah ultra violet tidak berpengaruh pada siskom optik. Pada daerah inframerah terjadi puncak pada 7 μm dan 12 μm. • Absorpsi terjadi pada saat foton berinteraksi dengan elektron di pita valensi dan mendorong ke level energi yang lebih tinggi. Energi panas atom-atom bergerak SiO berkontraksi & meregang/vibrasi.
39
Absorpsi daerah UV :
uv CeE / E
Hukum Urbach :
0
C dan EO : konstanta empiris E : energi photon
154,2 x uv 10 2 e 46,6 x 60
4 , 63
dB/Km
x : bagian molekul GeO2 Absorpsi daerah IR :
Untuk GeO2-SiO2 :
IR 7,811011 e
48, 48
dB/Km
40
Rugi-rugi Absorpsi Karena Ekstrinsik • Extrinsic absorption oleh atom pengotoran dalam bahan gelas. Ketidak murnian sumber utama rugirugi fiber. • Hal ini disebabkan oleh adanya pencampuran silika dengan bahan doping dan uap oksihidrogen selama pembuatan serat. Fe, Cu, V, Co, Ni, Mn, Cr menyerap secara kuat pada daerah yang diinginkan. Ketidak lengkapan pengisian sel elektron dalam penyerapan cahaya mengakibatkan elektron bergerak dari level energi rendah ke level lebih tinggi. • Jenis : ion transition metal dan ion OH • Redaman OH paling signifikan pada 1,37 μm, 1,23 μm, 0,95 μm
41
Karakteristik redaman fiber silika diberikan doping GeO2
42
Perbandingan absorbsi inframerah karena bahan doping pada low-loss silica fiber.
43
Hamburan Rayleigh • Redaman ini timbul dari variasi mikroskopik dalam densitas bahan, dari fluktuasi komposisional dan dari ketidakhomogenan struktur dari kerusakan yang terjadi selama manufaktur. • • • •
Terjadi karena gelombang bergerak melalui media yang terdapat benda hambur yang < 1 λ Saat pabrikasi gelas cair panas molekul bebas bergerak Pada saat cairan dingin gerakan berkurang Pada saat padat mol acak membeku variasi kepadatan variasi indeks bias setempat hamburan.
44
Glory : gejala optik dihasilkan oleh backscattering ke sumber oleh asap/kabut/butir air berukuran seragam.
45
• Penyebab hamburan lain : – Bahan fiber terdiri dari lebih dari satu oksida fluktuasi konsentrasi oksida penyusun – Ketidak homogenan bahan yang dicampurkan dalam gelas selama pabrikasi antar muka inti-kulit kasar, benda hambur > λ optik dapat dikendalikan pada saat pabrikasi.
Raleigh scattering
46
Redaman karena hamburan sebanding dengan λ-4.
Gelas komponen tunggal :
scat atau
scat
2 8 3 2 4 n 1 k BT f T 3 8 3 8 2 4 n p k BT f T 3
Neper/Km
Neper/Km
kB : Konstanta Boltzman = 1,380 x 10-23 J/OK βT : Isothermal compressibility bahan Tf : Suhu fictive/lebur p : koefisien photoelastic
47
Utk gelas multi komponen :
8 3 2 2 4 n V 3
n
2 2
2
Neper/Km
2
n n 2 Ci 2 i 1 Ci m
δρ : fluktuasi kepadatan δCi : fluktuasi konsentrasi komponen gelas Nilai fluktuasi komposisi dan kepadatan umumnya tidak diketahui dan ditetapkan dr data hamburan percobaan
48
Redaman pada fiber GI-MM tertentu
Redaman pada fiber SM tertentu
49
Efek Geometri • Bengkokan/lengkungan redaman : – Makroskopi • berukuran besar dibanding diameter fiber • Misalnya fiber dibelokan pojok
– Mikroskopi • • • •
fluktuasi jari-jari ukuran kecil berulang berukuran kecil dibanding diameter fiber Terjadi secara random Dapat bertambah saat pengkabelan
50
Efek Geometri • Redaman akibat pembengkokan ada dua jenis, yaitu : macrobending dan microbending. • Macrobending adalah pembengkokan serat optik dengan radius yang panjang bila dibandingkan dengan radius serat optik. • Redaman ini dapat diketahui dengan menganalisis distribusi modal pada serat optik. 51
Mode fundamental dalam fiber lengkung
Jari-jari kritis single mode :
Jari-jari kritis multi mode :
RC 2 , 748 0 , 996 3/ 2 C n12 n22
RC
20
3n1
4 n n 2 1
3
2 3/ 2 2
52
Pada saat serat optik melengkung, medan pada sisi yang jauh harus bergerak lebih cepat untuk mengimbangi kecepatan medan di inti. Pada saat kritis dengan jarak xc dari pusat serat, medan harus bergerak lebih cepat. Karena tidak bisa, maka energi teradiasi. Banyaknya modal efektif yang masih dapat terbimbing adalah Meff sbb :
M eff
2 2a 3 2 / 3 M 1 2 R 2n2 kR
M
2
n1ka 2
di mana M adalah jumlah total mode yang ada pada serat optik yang tidak melengkung. k = 2/, R adalah radius pembengkokan, adalah profil graded index, adalah perbedaan indeks bias inti-selubung, dan a adalah radius serat optik. 53
Microbending adalah pembengkokanpembengkokan kecil pada serat optik akibat ketidakseragaman dalam pembentukan serat atau akibat adanya tekanan yang tidak seragam pada saat pengkabelan. Salah satu cara untuk menguranginya adalah dengan menggunakan jacket yang tahan terhadap tekanan.
Microbending : fluktuasi jari-jari ukuran kecil berulang dari lengkungan sumbu fiber
54
Compressible jacket mengurangi microbending karena tekanan dari luar
55
Loss Inti dan Kulit Inti dan kulit terbuat dari bahan yang berbeda komposisinya memiliki kofisien redaman berbeda (α1 untuk inti dan α2 untuk kulit). Jika pengaruh kopling moda diabaikan, loss SI fiber mode (v,m) :
Pcore P 2 clad P P Pclad P 1 core P P P vm 1 2 1 clad P
vm 1 karena maka
Loss total dari fiber diperoleh dari penjumlahan semua moda dari tiap bagian daya setiap moda Pada fiber GI, koefisien redaman pada jarak r dari sumbu
n 2 (0) n 2 (r ) (r ) 1 2 1 2 n (0) n22 56
Dispersi • Group velocity : kecepatan energi suatu modus tertentu bergerak sepanjang fiber. • Perbedaan kecepatan grup mengakibatkan perbedaan waktu tiba energi di tujuan sehingga mengakibatkan terjadinya pelebaran pulsa. • Gejala yang mengakibatkan terjadinya pelebaran pulsa disebut dispersi. • Jenis dispersi : – Intermodal, hanya terjadi pada MM fiber – Intramodal • Material • waveguide
57
Dispersi Antar Mode (intermodal dispersion) Cahaya dari sumber masuk ke dalam serat optik multimode dirambatkan dalam beberapa mode. Setiap mode menempuh alur yang berbeda-beda, ada yang merambat sejajar sumbu inti dan ada pula yang merambat zigzag. Dengan demikian Jarak yang ditempuh oleh tiap mode akan berbeda-beda. Jarak terpendek adalah yang sejajar dengan sumbu inti. Karena kecepatan tiap mode sama, maka tiap mode akan mempunyai waktu tempuh yang berbeda.
• Dispersi intermodal disebut juga pelebaran pulsa. Dispersi intermodal bergantung pada panjang gelombang, efeknya pada distorsi sinyal meningkat sebanding dengan lebar spektrum dari sumber optik.
Gambar Pengaruh dispersi pada sinyal
Group delay Time delay atau Group delay per satuan panjang :
g
1 1 d 2 d L Vg c dk 2c d
Dimana :
d Vg c dk k 2 /
1
: kec energi dalam pulsa yang merambat sepanjang fiber
L : jarak yang dicapai oleh pulsa β : konstanta propagasi sepanjang sumbu fiber
60
Selisih Total delay sepanjang fiber L :
d g d
Pelebaran pulsa dapat didekati dengan lebar pulsa rumus :
d g
L g d 2c
Dispersi :
2 d d 2 2 2 d d
1 d g D L d
Satuan dispersi : picosecond per kilometer per nanometer
61
Dispersi bahan/kromatis (material/chromatic dispersion) • • •
Dispersi material terjadi karena indeks bias bervariasi sebagai fungsi panjang gelombang optik. Dikenal juga sebagai dispersi kromatis atau spektral. Terjadi karena variasi indeks bias bahan core yang merupakan fungsi panjang gelombang, serupa dengan efek prisma menguraikan spektrum, akibatnya terjadi kecepatan grup berbeda setiap moda yang tergantung pada panjang gelombang, selanjutnya mengakibatkan terjadinya pelebaran pulsa . Karena dan
Maka :
g
1 d 2 d L c dk 2c d 2n
L dn m at n c d
62
Pelebaran pulsa dari suatu sumber yang memiliki lebar spektral σλ karena dispersi material :
d mat L d 2n mat 2 Dmat L d c d 1 d 2n Dmat : Dispersi material 2 c d
63
Variasi indeks bias silika sebagai fungsi panjang gelombang
64
Dispersi material silika murni dan GeO2-SiO2 sbg fungsi panjang gelombang
65
Dispersi pandu gelombang • Terjadi karena tidak semua cahaya yang diterima detektor melalui inti, tetapi sebagian cahaya merambat melalui kulit. • Besarnya dispersi pandu gelombang tergantung pada rancangan fiber, karena konstanta propagasi β merupakan fungsi a/λ. • Untuk penyederhanaan dalam perhitungan diasumsikan bahwa indeks bias material tidak tergantung pada panjang gelombang.
66
Konstanta propagasi normalisasi :
Untuk ∆ <<<
atau
/ k 2 n22 b n12 n22
/ k n2 b n1 n2
n2 k b 1
Group delay karena dispersi pandu gelombang :
wg Untuk ∆ << maka
L d L d kb n2 n2 c dk c dk
V ka n12 n22 kan2 2
wg
L d Vb n n 2 2 c dV
Untuk fiber MM dispersi PG << dispersi material dispersi PG dapat diabaikan 67
Pelebaran pulsa karena dispersi pandu gelombang :
wg
d wg
V
d
LDwg n2 L d 2 Vb V dV c dV 2
d wg
wg Dwg : Dispersi pandu gelombang
Pelebaran pulsa karena dispersi intramodus : 2 i mod m2 wg
m : wg :
Pelebaran pulsa karena dispersi material Pelebaran pulsa karena dispersi pandu gelombang
68
Grafik d(Vb)/dV sebagai fungsi V fiber SI untuk berbagai LP moda
69
Parameter b dan turunanannya terhadap V modus LP01 sebagai fungsi V
70
Distorsi sinyal pada fiber SM Dispersi pandu gelombang dan dispersi material pada SM memiliki nilai dalam orde yg hampir sama.
Contoh besarnya dispersi material dan PG sebagai fungsi panjang gelombang pada fiber SM silika
71
Dispersi antar modus • Merupakan hasil dari perbedaan nilai group delay (kecepatan group axial) dari setiap modus individual pada satu frekuensi.
Tmax Tmin
L
Pelebaran pulsa karena dispersi antar modus :
modsi Tmax Tmin
n1L c 72
Pelebaran Pulsa pada Fiber GI • Keuntungan profil indeks bias gradual adalah menawarkan propagasi MM pada inti yang relatif besar dan kemungkinan distorsi delay antar modus yang rendah. • Karena indeks bias dibagian luar inti lebih rendah dari pada di pusat inti maka cahaya akan merambat lebih cepat di bagian luar inti dari pada di pusat inti. V = c/n Pelebaran pulsa karena dispersi antar modus (untuk α = 2) :
mod gi atau
mod gi
n12 L 8c mod si 8 73
Pelebaran pulsa pada fiber MM :
i2mod a2mod i mod :
Pelebaran pulsa karena dispersi intramodus
a mod :
Pelebaran pulsa karena dispersi antarmodus
74
Dispersi total (akibat berbagai sebab di atas) adalah :
t total t intermodal t bahan t wg 2
2
2
Pada serat optik mode tunggal yang masih tersisa adalah dispersi material dan dispersi pemandu gelombang. Dispersi intermodal tidak terdapat di serat optik single mode karena mode yang berjalan hanya satu mode yaitu yang sejajar dengan sumbu inti. Karakteristik dispersi ini menentukan batas kapasitas informasi serat optik. Sebuah ukuran kapasitas informasi dari sebuah bumbung gelombang optik biasanya dinyatakan sebagai bandwidth distance product (perkalian antara jarak dan lebar pita) dalam MHz.km. Untuk step index bandwidth distance product-nya 20 MHz.km. Sedangkan serat optik graded index dapat mencapai 2,5 GHz.km.
FIBER JOINT Ref : Keiser, Palais
76
Sambungan • Sambungan fiber dng fiber : – Permanen splice – Tdk permanen konektor
• Parameter redaman sambungan : – – – –
Distribusi daya masukan ke sambungan Jarak sumber optik dan sambungan Ukuran dan karakteristik ke dua ujung fiber Kualitas permukaan ujung fiber
Efisiensi gandengan :
F
M comm ME
Mcomm
: jumlah common mode
ME
: jumlah mode di fiber pengemisi
Loss gandengan :
LF 10 log F 77
Distribusi modus berbeda berkas optik memancar dr fiber menghasilkan loss gandengan berbeda 78
Misalignment mekanis • Jenis misalignment utama : – Separasi longitudinal, terjadi jika fiber memiliki sumbu sama tetapi memiliki celah s – Misalignment sudut (angular), terjadi jika dua sumbu membentuk suatu sudut shg permukaan ujung fiber tidak sejajar – Axial/lateral displacement, terjadi jika kedua sumbu fiber terpisah sejauh d.
• Misaligment paling banyak terjadi : axial displacement
79
(a) Separasi longitudinal s θ (b) Angular misalignment
a
(c) Lateral displacement d
Jenis misaligment mekanis 80
Axial/lateral displacement Common core area
a
d Efisiensi gandengan fiber SI :
F , step
Acomm 2 d d d2 arccos 1 2 AF 2a a 4a 81
Efisiensi gandengan fiber GI :
F , grad
PT 2 d d2 d d 2 5 2 arccos 1 2 P 2a 4a 6 a 2a
Jika d/a < 0,4 :
F , grad
8d 1 3 4a
Efisiensi gandengan SM :
SM ,lat e
d / W 2
W : jari-jari Mode Field 82
Separasi
Efek loss jika ujung fiber terpisah sejauh s Efisiensi gandengan Fiber SI :
a F a s tan c
Efisiensi gandengan Fiber SM :
Z s / 2n2W
2
SM ,long
2
θC : sdt kritis fiber
4(4Z 2 1) 4Z 2 2 4Z 2
83
Angular misalignment Efisiensi gandengan Fiber SI (mode memancar seragam):
1 1 1 1 1 1 2 2 F cos p 1 p arcsin p q y 1 y arcsin y 2 2 cos c (1 cos ) p cos3 c q sin c sin 3 2 2 cos sin c cos2 c (1 cos ) sin 2 y sin c cos c sin Efisiensi gandengan Fiber SM :
SM ,ang e
n W 2
2
84
Perbandingan redaman dr 2 hasil percobaan sumber LED, fiber GI : (1) a = 50 μm, panjang 1,83 m (2) a : 55 μm, panjang 20 m 85
Contoh • Fiber SM memiliki frekwensi normal V = 2,40, indeks bias core/inti n1 = 1,47, indeks bias cladding/kulit n2 = 1,465 dan diameter inti 2a = 9 μm. – Hitung loss sambungan jika terjadi lateral offset 1 μm. – Hitung loss sambungan jika terjadi angular misaligment 1o pd panj gel 1300 nm.
86
Loss berkaitan dgn perbedaan fiber Perbedaan dimensi dan karakteristik fiber yg disambungkan akan menambah loss gandengan.
Profil indeks bias berbeda :
F ( )
R E 2 E R 2 1
utk
R E
utk
R E
87
NA berbeda
Fiber (E)
F ( NA )
NA 0 2 R NA 0 E 1
utk
NAR (0) NAE (0)
utk
NAR (0) NAE (0)
88
Jari-jari fiber berbeda
F (a)
a 2 R a E 1
utk utk
aR aE
aR aE
89
Penyiapan muka ujung fiber • Agar cahaya tidak dihamburkan di sambungan, ujung fiber harus dibuat rata, tegak lurus thd sumbu fiber dan halus. • Teknik Grinding dan polishing: – – – –
dpt menghasilkan permukaan fiber yg halus dan tegak lurus sumbu fiber perlu banyak waktu dan ketrampilan operator. Diaplikasikan di lingkungan terkendali spt laborat, pabrik. Tdk cocok utk di lapangan
• Teknik controlled-fracture : – – – – –
Didasarkan pd cara score-and-break Fiber dibentangkan diatas permukaan lengkung dan ditarik, selanjutnya dipotong dng sejenis pisau. Dihasilkan ujung permukaan yg sangat halus dan tegak lurus sb fiber Perlu pengendalian curvature dr fiber dan besarnya tarikan. Jika tidak tepat beberapa crack.
90
• Akibat ketidak tepatan menghasilkan : – – – – – – –
Lip Rolloff, kondisi sebaliknya dr lip Chip, frakcture setempat Hakle, ketidak teraturan ujung fiber Mist, spt hakle tapi lebih sedikit Spiral/step, abrupt change di ujung fiber Shattering, akibat fracture tak terkendali dan tak dpt didefinisikan karakteristik permukaannya.
91
Prosedur controlled-fracture penyiapan ujung fiber
Contoh ketidak tepatan pemotongan ujung fiber 92
Fiber splicing • Teknik splicing : – – – –
Fusi : menyatukan kedua ujung fiber secara termal (di-las) V-groove : menyatukan kedua ujung fiber dgn lem. Tube mechanical splice : pipa terbuat dr bahan elastis Loose-tube splice : menggunakan pipa segiempat, lengkungan fiber mengakibatkan pipa berputar menempatkan fiber di salah satu ujung. – 3-rod : menggunakan 3 tongkat bulat.
93
Fusion splicing
94
Fused splicer active alignment
95
V-groove splicing
96
Elastic tube splicing
97
3-rods splicing 98
Konektor • Persyaratan konektor yg baik : – – – – – –
Loss gandengan rendah Interchangeability/compatibility Mudah pemasangan pd fiber Sensitifitas lingkungan rendah Murah dan konstruksi andal Mudah penyambungan (buka-sambung)
• Jenis konektor : – Butt-joint • Straight sleeve • Tapered sleeve
– Expanded beam
99
(c )
(a) Straight sleeve (b) Tapered sleeve
(c ) Expanded beam 100
Ferrule connector
101
Biconical connector
102
Expanded beam connector
103
Efisiensi gandengan konektor SM fiber :
SM , ff
16n12 n32 4 u / q e n1 n3 q
u 1F 2 2FG sin G 2 1 sin 2
kW1 2
n1 = indeks bias inti
q G 1 2
F d / kW12 G s / kW22
W2 / W1 2 k 2n3 /
2
n3 = indeks bias media antar fiber λ = panjang gel sumber d = lateral offset s = longitudinal missaligment θ = angular missalignment W1 = 1/e mode-field radius dr fiber kirim W2 = 1/e mode-field radius dr fiber terima 104
Parts of a Fiber Optic Connector 105
Konektor Multimode
Konektor SFF
Konektor Singlemode
Konektor FC 106
