Landasan Teori

BAB II

LANDASAN TEORI

A.     Pengertian Sistem Komunikasi Serat Optik

Sistem komunikasi serat optik adalah suatu sistem komunikasi yang menggunakan kabel serat optik sebagai saluran transmisinya yang dapat  menyalurkan informasi dengan kapasitas besar dan tingkat keandalan yang  tinggi, berbeda dengan media transmisi lainnya serat optik tidak menggunakan gelombang elektromagnetik/listrik sebagai gelombang pembawanya melainkan menggunakan sinar/cahaya laser.

Sistem Komunikasi Fiber optik terdiri dari 3 komponen utama yaitu 

• Transmitter berupa Laser Diode ( LD ) dan Light Emmiting Diode (LED).
• Media transmisi berupa fiber optik.
• Receiver yang merupakan detektor penerima digunakan PIN dan APD.

Dalam perjalanan sinyal optik dari transmitter menuju receiver  akan terjadi redaman cahaya di sepanjang kabel optik,  sambungan-sambungan kabel dan konektor-konektor di perangkatnya. Oleh  karena itu untuk transmisi jarak jauh diperlukan sebuah atau beberapa repeater yang berfungsi untuk memperkuat gelombang cahaya yang telah mengalami redaman sepanjang perjalanannya.

S
       1. Sumber Optik

       Sumber optik merupakan komponen dalam sistem komunikasi serat optik yang mengubah sinyal listrik menjadi sinyal cahaya. Ada dua jenis sumber optik yang sering digunakan, yakni LED (Light Emiting Diode) dan LASER (Light Amplication by Stimulated Emission of Radition).LED memiliki keluaran daya yang lebih sedikit, kecepatan switching yang lebih lambat, dan lebar spektrum yang lebih besar.  Namun demikian LED dipergunakan secara luas untuk aplikasi jarak pendek dan menengah yang menggunakan serat kaca dan plastik karena lebih sederhana, murah, handal, dan tidak terlalu bergantung pada temperatur.

       LASER menghasilkan cahaya dengan panjang gelombang tetap yang dapat berada di dalam wilayah tampak, yaitu sekitar 635 nm . Cahaya tersebut memiliki bandwith yang sangat sempit, umumnya hanya memiliki lebar beberapa nanometer. Hal ini memastikan bahwa dispersi kromatik dapat dipertahankan pada nilai yang kecil dan kondisi ini memungkinkan terjadinya kecepatan transmisi data yang tinggi. LASER dapat menghasilkan cahaya dengan intensitas tinggi sehingga sesuai untuk digunakan pada sistem telekomunikasi optik jarak jauh.

       2. Detektor Optik

       Detektor optik merupakan fungsi dari bagian penerima dalam sistem komunikasi optik. Sebuah detektor optik atau photodetector adalah kebalikan dari apa yang dikerjakan oleh bagian pengirim, yaitu sumber optik. Detektor optik dapat menghasilkan gelombang sesuai aslinya dengan meminimalisasi losses yang timbul selama perambatan sehingga dapat juga menghasilkan sinyal elektrik yang maksimum dengan daya optik yang kecil. Ada dua tipe detektor optik yang sering digunakan yaitu detektor optik PIN (Positive Intrinsic Negative) Photodiode dan detektor optik APD (Avalanche Photodiode). Di dalam PIN diode, serat optik ditempatkan sedemikian sehingga cahaya yang diterima jatuh pada suatu lapisan intrinsik dari material semikonduktor yang diletakkan antara lapisan tipe-n dan tipe-p. Detektor APD (Avalanche Photodiode) mempunyai konstruksi yang mirip dan beroperasi dengan cara yang sama dengan diode PIN. Akan tetapi tidak memerlukan penguat efek medan di dalam modul penerima. Detektor optik terdiri dari bahan semikonduktor GaAS (Gallium Arsenide), serat silica quartz, SiO2 dan

silica (Si )receiver.

B.     Pengertian Serat Optik

       Serat Optik adalah saluran transmisi yang terbuat dari kaca atau plastik yang digunakan untuk mentransmisikan sinyal cahaya dari suatu tempat ke tempat lain. Cahaya yang ada di dalam Serat Optik sulit keluar karena indeks bias dari kaca lebih besar daripada indeks bias dari udara. Sumber cahaya yang digunakan adalah laser karena laser mempunyai spektrum yang sangat sempit. Kecepatan transmisi Serat Optik sangat tinggi sehingga sangat bagus digunakan sebagai saluran komunikasi.

Serat Optik umumnya digunakan dalam sistem telekomunikasi serta dalam pencahayaan, sensor dan Optik pencitraan.

       Serat Optik terdiri dari 2 bagian, yaitu  cladding  dan  core.    Cladding adalah selubung dari core. Cladding mempunyai indek bias lebih rendah dari pada core akan memantulkan kembali cahaya yang mengarah keluar dari core kembali kedalam core lagi. Efisiensi dari Serat Optik ditentukan oleh kemurnian dari bahan penyusun gelas. Semakin murni bahan gelas, semakin sedikit cahaya yang diserap oleh Serat Optik.

 Karakteristik yang membedakan Serat optik dari twisted pair/coaxibel cable:

1. Kapasitas yang lebih besar.
2. Ukuran yang lebih kecil & bobot yang lebih ringan.
3. Atenuasi yang lebih rendah.
4. Isolasi elektromagnetik.
5. Jarak repeater yang lebih besar.

1.      Struktur Serat Optik

a.       Bagian yang paling utama dinamakan bagian inti (core), dimana gelombang cahaya yang dikirimkan akan merambat dan mempunyai indeks bias lebih besar dari lapisan kedua. Terbuat dari kaca (glass) yang berdiameter yang bervariasi antara 8 – 62,5 mikron tergantung jenis serat optiknya.

b.     Bagian yang kedua di namakan lapisan selimut (Cladding), dimana bagian ini mengelilingi bagian inti dan mempunyai indeks bias lebih kecil dibandingkan dengan bagian inti. Terbuat dari kaca yang berdiameter yang bervariasi antara 125 mm (untuk singlemode dan multimode step index) dan 250 mm (untuk multimode grade index), juga tergantung dari jenis Serat optiknya.

c.   Bagian yang ketiga dinamakan lapisan jaket (Coating), dimana bagian ini merupakan pelindung lapisan inti dan selimut yang terbuat dari bahan plastik yang elastic (PVC).

Gambar 2. 1 Struktur Kabel Serat Optik

Walaupun pada dasarnya cahaya merambat sepanjang inti serat, namun kulit memiliki beberapa fungsi :

a.       Mengurangi loss hamburan pada permukaan inti.

b.      Melindungi serat dari kontaminasi penyerapan permukaan.

c.       Mengurangi cahaya yang loss dari inti ke udara sekitar.

d.      Menambah kekuatan mekanis.

2.      Karakteristik Serat Optik

a.       Numerical Aperture (NA)

       Numerical Aperture merupakan parameter yang merepresentasikan sudut penerimaan maksimum dimana berkas cahaya masih bisa diterima dan merambat didalam inti Serat. Sudut penerimaan ini dapat beraneka macam tergantung kepada karakteristik indeks bias inti dan selubung Serat Optik.

Jika sudut datang berkas cahaya lebih besar dari NA atau sudut kritis maka berkas tidak akan dipantulkan kembali ke dalam Serat melainkan akan menembus cladding dan akan keluar dari Serat. Semakin besar NA maka semakin banyak jumlah cahaya yang diterima oleh Serat. Akan tetapi sebanding dengan kenaikan NA menyebabkan lebar pita berkurang, dan rugi penyebaran serta penyerapan akan bertambah. Oleh karena itu, nilai NA besar hanya baik untuk aplikasi jarak-pendek dengan kecepatan rendah.

b.      Redaman

Redaman/atenuasi Serat Optik merupakan karakteristik penting yang harus diperhatikan mengingat kaitannya dalam menentukan jarak pengulang (repeater), jenis pemancar dan penerima optik yang harus digunakan.

Redaman serat biasanya disebabkan oleh karena penyerapan/absorpsi energi sinyal oleh bahan, efek scattering/penghamburan dan pengaruh radiasi/pembengkokan. Semakin besar atenuasi berarti semakin sedikit cahaya yang dapat mencapai detektor dan dengan demikian semakin pendek kemungkinan jarak span antar pengulang.

c.       Dispersi

Dispersi adalah pelebaran pulsa yang terjadi ketika sinyal merambat melalui sepanjang serat optik. Dispersi akan membatasi lebar pita (bandwidth) dari Serat. Dispersi yang terjadi pada Serat secara garis besar ada dua yaitu dispersi intermodal dan dispersi intramodal dikenal dengan nama lain dispersi kromatik disebabkan oleh dispersi material dan dispersi wavegiude.

Serat optic terbuat dari bahan dielektrik berbentuk seperti kaca (glass). Di dalam Serat inilah energi cahaya yang dibangkitkan oleh sumber cahaya disalurkan (ditransmisikan) sehingga dapat diterima di ujung unit penerima (receiver).

C.      Jenis Kabel Serat Optik

1           1.Jenis – Jenis Kabel Serat Optik

Menurut jenisnya, kabel serat optik dibedakan menjadi 3 macam :

a.       Single Mode Fiber

Pada single mode fiber, terlihat pada gambar bahwa index bias akan berubah dengan segera pada batas antara core dan cladding (step index). Bahannya terbuat dari silica glass baik untuk cladding maupun corenya. Diameter core jauh lebih kecil (10 mm) dibandingkan dengan diameter cladding, konstruksi demikian dibuat untuk mengurangi rugi-rugi transmisi akibat adanya fading. Single mode fiber sangat baik digunakan untuk menyalurkan informasi jarak jauh karena di samping rugi-rugi transmisi yang kecil juga mempunyai band frekuensi yang lebar. Misalnya untuk ukuran 10/125 mm, pada panjang gelombang cahaya 1300 nm, redaman maksimumnya 0,4 – 0,5 dB/km dan lebar band frekuensi minimum untuk 1 km sebesar 10 GHz. Perambatan cahaya dalam single mode fiber adalah sebagai berikut :

Gambar 2. 2 Perambatan cahaya dalam single mode fiber

Single mode fiber dapat juga dibuat dengan index bias yang berubah secara perlahan-lahan (graded index).

b.      Multimode Step Index Fiber

Serat optik ini pada dasarnya mempunyai diameter core yang besar (50 – 400 um) dibandingkan dengan diameter cladding (125 – 500 um). Sama halnya dengan single mode fiber, pada serat optik ini terjadi perubahan index bias dengan segera  (step index) pada batas antara core dan cladding. Diameter core yang besar (50 – 400 um) digunakan untuk menaikkan efisiensi coupling pada sumber cahaya yang tidak koheren seperti LED. Karakteristik penampilan serat optik ini sangat bergantung pada macam material/bahan yang digunakan. Berdasarkan hasil penelitian, penambahan prosentase bahan silica pada serat optik ini akan meningkatkan penampilan (performance). Tetapi jenis serat optik ini tidak populer karena meskipun kadar silicanya ditingkatkan, rugi-rugi dispersi sewaktu transmit tetap besar, sehingga hanya baik digunakan untuk menyalurkan data/informasi dengan kecepatan rendah dan jarak relatif dekat. Perambatan gelombang pada multimode step index fiber sebagai berikut :

Gambar 2. 3 Perambatan gelombang pada multimode step index fiber

c.       Multimode Graded index

Multimode graded index dibuat dengan menggunakan bahan multi component glass atau dapat juga dengan silica glass baik untuk core maupun claddingnya. Pada serat optik tipe ini, indeks bias berubah secara perlahan-lahan (graded index multimode). Indeks bias inti berubah mengecil perlahan mulai dari pusat core sampai batas antara core dengan cladding. Makin mengecilnya indeks bias ini menyebabkan kecepatan rambat cahaya akan semakin tinggi dan akan berakibat dispersi waktu antara berbagai mode cahaya yang merambat akan berkurang dan pada akhirnya semua mode cahaya akan tiba pada waktu yang bersamaan dipenerima (ujung serat optik). Diameter core jenis serat optik ini lebih kecil dibandingkan dengan diameter core jenis serat optic Multimode Step Index, yaitu 30 – 60 um untuk core dan 100 – 150 um untuk claddingnya.

       Biaya pembuatan jenis serat optik ini sangat tinggi bila dibandingkan dengan jenis Single mode. Rugi-rugi transmisi minimum adalah sebesar 0,70 dB/km pada panjang gelombang 1,18 um dan lebar band frekwensi 150 MHz sampai dengan 2 GHz. Oleh karenanya jenis serat optik ini sangat ideal untuk menyalurkan informasi pada jarak menengah dengan menggunakan sumber cahaya LED maupun LASER, di samping juga penyambungannya yang relatif mudah. 

Gambar 2. 4 Perambatan gelombang pada multimode graded index fiber

              2. Pembagian Jenis Kabel Serat Optik

Pembagian serat optik dapat dilihat dari 2 macam perbedaan :

a.       Berdasarkan Mode yang dirambatkan :

1).   Single mode : serat optik dengan core yang sangat kecil, diameter mendekati panjang gelombang sehingga cahaya yang masuk ke dalamnya tidak terpantul-pantul ke dinding cladding.

2).   Multi mode : serat optik dengan diameter core yang agak besar yang membuat laser di dalamnya akan terpantul-pantul di dinding cladding yang dapat menyebabkan berkurangnya bandwidth dari serat optik jenis ini.

b.      Berdasarkan indeks bias core :

1).   Step indeks : pada serat optik step indeks, core memiliki indeks bias yang homogen.

2).   Graded indeks : indeks bias core semakin mendekat ke arah cladding semakin kecil. Jadi pada graded indeks, pusat core memiliki nilai indeks bias yang paling besar. Serat graded indeks memungkinkan untuk membawa bandwidth yang lebih besar, karena pelebaran pulsa yang terjadi dapat diminimalkan.

c.       Bagian – bagian Serat Optik Jenis Single Mode

Reliabilitas dari serat optik dapat ditentukan dengan satuan BER (Bit Error Rate). Salah satu ujung serat optik diberi masukan data tertentu dan ujung yang lain mengolah data itu. Dengan intensitas laser yang rendah dan dengan panjang serat mencapai beberapa km, maka akan menghasilkan kesalahan. Jumlah kesalahan persatuan waktu tersebut dinamakan BER. Dengan diketahuinya BER maka, Jumlah kesalahan pada serat optik yang sama dengan panjang yang berbeda dapat diperkirakan besarnya.

   3. Teknik Penyambungan Fiber Optik

Teknik penyambungan serat optik dengan serat optik ada 3, yaitu :

a.      Penyambungan permanen yang disebut splice.

Penyambungan sambungan teknik lebur (fusion) bersifat permanen, artinya tidak dapat dibongkar pasang. Redaman yang dihasilkan menghasilkan redaman paling kecil di antara teknik sambung lain.

b.      Penyambungan tak permanen dengan menggunakan connector.

Penyambungan serat optik menggunakan konektor bersifat tidak permanen, artinya dapat dibongkar pasang. Konektor biasanya digunakan untuk kontak dengan terminal perangkat aktif.

c.      Penyambungan semi permanen dengan teknik mekanik.

       Penyambungan dengan teknik mekanik ini menghasilkan redaman yang bersifat sedang. 

        4. Karakter Transmisi pada Serat Optik

Sistem serat optik beroperasi pada daerah 100.000 - 1.000.000 GHz. Prinsip kerja transmisi serat optik adalah sebagai berikut :

1).   Cahaya dari suatu sumber masuk ke silinder kaca atau plastik core.

2).   Berkas cahaya dipantulkan dan di propagasikan sepanjang serat, sedangkan sebagian lagi diserap oleh material sekitarnya.

Serat optik mentransmisikan berkas cahaya yang ditandai dengan sebuah sinyal dengan memakai total internal reflection. Refleksi jenis ini terjadi pada berbagai media transparan yang memiliki indeks refraksi lebih tinggi dibandingkan media disekelilingnya.

Dampak, serat optic bertindak sebagai pengarah gelombang (waveguide) untuk frekuensi dalam rentang sekitar 100 terra hingga 1000 terra hertz. Hal ini menutupi bagian inframerah dan cahaya tampak.

D.     KONEKTOR SERAT OPTIK

            1. Jenis – jenis Konektor Serat Optik/Fiber Optik

       Jenis-jenis konektor fiber optic ada beberapa yang sering digunakan seperti ST, SC, FC, LC ,SMA dll , konektor yang biasa digunakan untuk koneksi OTB adalah konektor ST atau FC .

Gambar 2. 5 Konektor ST dan FC

          2. Cara Kerja Fiber Optic

      Sinar dalam fiber optik berjalan melalui inti dengan secara memantul dari cladding, dan hal ini disebut total internal reflection, karena cladding sama sekali tidak menyerap sinar dari inti. Akan tetapi dikarenakan ketidakmurnian kaca sinyal cahaya akan terdegradasi, ketahanan sinyal tergantung pada kemurnian kaca dan panjang gelombang sinyal.

Gambar 2. 6 Cara kerja fiber optic

3.      Tempat pemasangan kabel Serat Optik

a.       Di wilayah perkotaan banyak lekukan dansaluran yang sudah dipenuhi oleh kabel lain sehingga pemasangan infrastruktur baru selala dibuat dalam jumlah kecil, dengan radius belokan serat dan kabel diusahakan tetap kecil.

b.      Kabel dalam bermacam – macam kondisi, seperti diluar atau di bawah tanah, di udara atau di dalam ruangan. Konsekuensinya, banyak kondisi termal, mekanikal dan tekanan lain yang harus diterima kabel serat optik tersebut.

c.       Hindari penyambung yang terlalu banyak. Usahakan seminimal mungkin agar tidak perlu menggunakan teknisi yang terlatih dan dapat dipersiapkan dengan mudah.

d.      Jangan sampai teerjadi banyak tekukan dan kebocoran jaket pelindung yang dapat menyebabkan kebocoran cahaya.

e.       Biaya jalur koneksi global harus menjadi lebih murah.

E.      Keuntungan dan Kerugian dari Serat Optik

1           1. Keuntungan serat optik

a.      Mempunyai lebar pita frekuensi (bandwith yang lebar).

Frekuensi pembawa optik bekerja pada daerah frekuensi yang tinggi yaitu sekitar 10^13 Hz sampai dengan 10^16 Hz, sehingga informasi yang dibawa akan menjadi banyak.

b.      Redaman sangat rendah dibandingkan dengan kabel yang terbuat dari tembaga, terutama pada frekuensi yang mempunyai panjang gelombang sekitar 1300 nm yaitu 0,2 dB/km.

c.       Kebal terhadap gangguan gelombang elektromagnet. Fiber optik terbuat dari kaca atau plastik yang merupakan isolator, berarti bebas dari interferensi medan magnet, frekuensi radio dan gangguan listrik.

d.      Dapat menyalurkan informasi digital dengan kecepatan tinggi. Kemampuan fiber optik dalam menyalurkan sinyal frekuensi tinggi, sangat cocok untuk pengiriman sinyal digital pada sistem multipleks digital dengan kecepatan beberapa Mbit/s hingga Gbit/s.

e.       Ukuran dan berat fiber optik kecil dan ringan. Diameter inti fiber optik berukuruan micro sehingga pemakaian ruangan lebih ekonomis. Dan juga tidak mengalirkan arus listrik Terbuat dari kaca atau plastik sehingga tidak dapat dialiri arus listrik (terhindar dari terjadinya hubungan pendek).

             2. Kerugian serat optik

a.      Konstruksi fiber optik lemah sehingga dalam pemakaiannya diperlukan lapisan penguat sebagai proteksi.

b.      Karakteristik transmisi dapat berubah bila terjadi tekanan dari luar yang berlebihan.

c.   Tidak dapat dialiri arus listrik, sehingga tidak dapat memberikan catuan pada pemasangan repeater.