STRUKTUR dan PROFIL INDEKS FIBER OPTIK

STRUKTUR dan PROFIL INDEKS FIBER OPTIK

Serat optik adalah saluran transmisi atau sejenis kabel yang terbuat dari kaca atau plastik yang sangat halus dan lebih kecil dari sehelai rambut, dan dapat digunakan untuk mentransmisikan sinyal cahaya dari suatu tempat ke tempat lain. Sumber cahaya yang digunakan biasanya adalah laser atau LED^[1]. Kabel ini berdiameter lebih kurang 120 mikrometer. Cahaya yang ada di dalam serat optik tidak keluar karena indeks bias dari kaca lebih besar daripada indeks bias dari udara, karena laser mempunyai spektrum yang sangat sempit. Kecepatan transmisi serat optik sangat tinggi sehingga sangat bagus digunakan sebagai saluran komunikasi.

Perkembangan teknologi serat optik saat ini, telah dapat menghasilkan pelemahan (attenuation) kurang dari 20 decibels (dB)/km. Dengan lebar jalur (bandwidth) yang besar sehingga kemampuan dalam mentransmisikan data menjadi lebih banyak dan cepat dibandingan dengan penggunaan kabel konvensional. Dengan demikian serat optik sangat cocok digunakan terutama dalam aplikasi sistem telekomunikasi^[2]. Pada prinsipnya serat optik memantulkan dan membiaskan sejumlah cahaya yang merambat didalamnya.

Efisiensi dari serat optik ditentukan oleh kemurnian dari bahan penyusun gelas/kaca. Semakin murni bahan gelas, semakin sedikit cahaya yang diserap oleh serat optik.

Struktur kabel serat optik terdiri coating, cladding, dan core. Struktur tersebut mamiliki pengertian sebagai berikut:

2.3.1  Inti (Core)

      Bagian yang paling utama dinamakan bagian inti (core), dimana gelombang cahaya yang dikirimkan akan merambat dan mempunyai indeks bias lebih besar dari lapis kedua. Inti (core) terbuat dari bahan kaca (glass) yang berdiameter 2 μm – 50 μm, dalam hal ini tergantung dari jenis serat optiknya. Ukuran core juga dapat mempengaruhi karakteristik serat optik tersebut.

        2.3.2 Jaket (Cladding)

      Cladding berfungsi sebagai cermin yaitu memantulkan cahaya agar dapat merambat ke ujung lainnya. Dengan adanya cladding ini cahaya dapat merambat dalam core serat optik. Cladding terbuat dari bahan gelas dengan indeks bias yang lebih kecil dari core. Cladding merupakan sekubung dari core. Diameter cladding berkisar antara 5 μm – 250 μm. Hubungan indeks bias antara core dan cladding akan mempengaruhi perambatan cahaya pada core (mempengaruhi besarnya sudut kritis).

2.3.3 Mantel (Coating)

      Coating merupakan bagian terluar dari suatu serat optik yang terbuat dari bahan plastik yang berfungsi untuk melindungi serat optik dari kerusakan, pada coating juga terdapat warna yang membedakan urutan core.

Gambar. 2.4 Struktur Kabel Serat Optik

SEJARAH FIBER OPTIK ( SERAT OPTIK )

SEJARAH FIBER OPTIK ( SERAT OPTIK )

Penggunaan cahaya sebagai pembawa informasi sebenarnya sudah banyak digunakan sejak zaman dahulu, baru sekitar tahun 1930-an para ilmuwan Jerman mengawali eksperimen untuk mentransmisikan cahaya melalui bahan yang bernama serat optik. Percobaan ini juga masih tergolong cukup primitif karena hasil yang dicapai tidak bisa langsung dimanfaatkan, namun harus melalui perkembangan dan penyempurnaan lebih lanjut lagi. Perkembangan selanjutnya adalah ketika para ilmuawan Inggris pada tahun 1958 mengusulkan prototipe serat optik yang sampai sekarang dipakai yaitu yang terdiri atas gelas inti yang dibungkus oleh gelas lainnya. Sekitar awal tahun 1960-an perubahan fantastis terjadi di Asia yaitu ketika para ilmuwan Jepang berhasil membuat jenis serat optik yang mampu mentransmisikan gambar.

Di lain pihak para ilmuwan selain mencoba untuk memandu cahaya melewati gelas (serat optik) namun juga mencoba untuk ”menjinakkan” cahaya. Kerja keras itupun berhasil ketika sekitar 1959 laser ditemukan. Laser beroperasi pada daerah frekuensi tampak sekitar 1014 Hertz-15 Hertz atau ratusan ribu kali frekuensi gelombang mikro.

Pada awalnya peralatan penghasil sinar laser masih serba besar dan merepotkan. Selain tidak efisien, ia baru dapat berfungsi pada suhu sangat rendah. Laser juga belum terpancar lurus. Pada kondisi cahaya sangat cerah pun, pancarannya gampang meliuk-liuk mengikuti kepadatan atmosfer. Waktu itu, sebuah pancaran laser dalam jarak 1 km, bisa tiba di tujuan akhir pada banyak titik dengan simpangan jarak hingga hitungan meter.

Sekitar tahun 60-an ditemukan serat optik yang kemurniannya sangat tinggi, kurang dari 1 bagian dalam sejuta. Dalam bahasa sehari-hari artinya serat yang sangat bening dan tidak menghantar listrik ini sedemikian murninya, sehingga konon, seandainya air laut itu semurni serat optik, dengan pencahayaan cukup mata normal akan dapat menonton lalu-lalangnya penghuni dasar Samudera Pasifik.

Seperti halnya laser, serat optik pun harus melalui tahap-tahap pengembangan awal. Sebagaimana medium transmisi cahaya, ia sangat tidak efisien. Hingga tahun 1968 atau berselang dua tahun setelah serat optik pertama kali diramalkan akan menjadi pemandu cahaya, tingkat atenuasi (kehilangan)-nya masih 20 dB/km. Melalui pengembangan dalam teknologi material, serat optik mengalami pemurnian, dehidran dan lain-lain. Secara perlahan tapi pasti atenuasinya mencapai tingkat di bawah 1 dB/km.

PROPAGASI CAHAYA DALAM PANDU GELOMBANG FIBER OPTIK

PROPAGASI CAHAYA DALAM PANDU GELOMBANG FIBER OPTIK

Gelombang-gelombang dalam ruang terbuka (misalnya cahaya) dipropagasikan ke semua arah, seperti gelombang speris (bola). Dengan cara ini, mereka akan kehilangan energinya sebanding dengan kuadrat jaraknya; oleh karena itu pada jarak R dari sumber besar energinya adalah energy sumber dibagi dengan R². Pandu gelombang menahan gelombang untuk dipropagasikan dalam satu dimensi, sehingga dalam kondisi ideal gelombang tidak akan kehilangan energinya selama dipropagasikan.

Gelombang cahaya dalam pandu gelombang tertahan karena total refleksi dari dinding gelombang, sehingga propagasi dalam pandu gelombang kira-kira dapat digambarkan seperti “zigzag” diantara dinding-dinding pandu gelombang. Deskripsi ini tepat untuk gelombang elektromagnetik dalam tabung berongga yang berbentuk persegi atau lingkaran.

Konsep dasar moda terpandu biasanya dijelaskan dengan menggunakan model sinar optik. Moda tersebut dapat digunakan karena proses pemanduan cahaya dalam pandu gelombang erat kaitannya dengan fenomena-fenomena sinar optik pada bidang batas antara dua medium. Gelombang optik yang terpandu dalam pandu gelombang dalam bentuk moda gelombang optik adalah gelombang optik yang mengalami pantulan internal total pada kedua bidang batas film-kover dan film-substrat. Dalam penjabaran mekanisme perambatan cahaya pada serat optik, biasanya dijelaskan berdasarkan teori sinar.

Propagasi cahaya dalam pandu gelombang serat optik terjadi dalam struktur fiber optik, yaitu inti(core), kulit(cladding), dan jaket(coating). Kulit 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).

Fungsi lain dari kulit yang tak kalah pentingnya adalah :

1. melindungi teras dari kotoran-kotoran
2. menaikkan ketahanan serat terhadap usikan-usikan mekanis
3. 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, kibatnya sinar yang merambat dalam serat cacahnya terbatas (disebut mode). Di dalam serat yang diameter terasnya kecil (1-2mm) 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 berbedabeda. Akibatnya mereka tiba di ujung seberang pada seberang pada saat yang tidak sama pula, dikatakan terjadi pelebaran pulsa yang akan menurunkan laju transmisi datanya. 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.

Sistem Penyaluran Gelombang optik

(1) Sistem Propagasi Ruang Bebas

Sistem propagasi ruang secara optik mempunyai keuntungan dari sifat keserdehanaannya dan pengunaan sistem ini dengan kapasitas kecil pada saat ini sudah mungkin untuk dilaksanakan.

Gambar. 9.2.1 Diagram Penyaluran Cahaya Untuk Sistem Gelombang Pembawa.

(2) Sistem Penyaluran Melalui Kabel

Ada suatu media bagi penyaluran gelombang oprik seperti kabel optik yang mempunyai sifat flexibel seperti kabel biasa. Dengan metoda ini maka penyaluranya tidak lagi terpengaruh oleh keadaan cuaca dll, yang selalu mempunyai pengaruh terhadap propagasi ruang. Pada saat ini ada 2 tipe fiber optik bagi pembuatan kabel optik yang mengkin dipergunakan bagi masa mendatang. Jenis ini adalah : tipe focussing dan tipe clad. Pada tipe focussing indek bias menuju pusat dari gelas fiber terbagi secara parabolik (parabolically distributed). Sedangkan untuk tipe clad bagian luar gelas fiber ditutup dengan gelas fiber lain yang mempunyai indek bias kecil, sehingga sinar tidak keluar dari gelas fiber disebabkan refleksi total pada permukaan yang mempunyai indek bias yang tidak merata. Bagi keperluan kabel trunk media penyaluran multimode (misalnya gelas fiber tipe focussing) dianjurkan pemakaiannya, yang dengan mudah dapat dikoplingkan dengan diode luninous, yang sudah agak mudah dapat diperoleh bagi keperluan sumber oscilasi frekwensi optik.
Sedangkan bagi penggunaan penyaluran toll (toll transmission) kabel dengan mode tunggal, tipe clad atau tipe focussing yang mempunyai karekteristik lebar ban yang sangat besar, dianjurkan pemakaiannya demi untuk memperoleh cara penyaluran bebas cacat, pulsa berkecepatan tinggi.

Gambar 9.2.2 Konsep diagram sistem penyaluran cahaya lewat kabel

(3) Sistem penyaluran Optik dengan pancaran terpimpin (Optical beam guide transmission system).
Pancaran optik yang terpimpin (suatu sistem penyaluran optik, dimana lensa-lensa optik atau kaca-kaca cermin diatur pada kedudukan yang teratur bagi keperluan membimbing sinar) mempunyai keuntungan dengan rendahnya redaman penyaluran (mempunyai redaman kira-kira 0,5 dB/Km).

Gambar 9.2.3 Berkas Cahaya dalam tabung penyalur

PANDU GELOMBANG FIBER OPTIK

PANDU GELOMBANG FIBER OPTIK

Pandu gelombang adalah sebuah medium yang digunakan untuk memandu gelombang, seperti gelombang elektromagnetik atau gelombang suara. Pandu gelombang yang digunakan berbeda-beda disesuaikan dengan jenis gelombang yang akan dipandu. Pandu gelombang yang asli dan yang paling umum digunakan adalah pipa berongga yang terbuat dari logam yang konduktif yang digunakan untuk membawa gelombang radio berfrekuensi tinggi khususnya gelombang mikro (microwaves).

Pandu gelombang memiliki bentuk geometri yang berbeda-beda yang dapat menahan energi dalam satu dimensi seperti pandu gelombang yang berbentuk lempeng (slab waveguide) atau dalam dua dimensi seperti dalam fiber atau channel waveguide. Selain itu, pandu gelombang yang berbeda digunakan untuk memandu gelombang dengan frekuensi yang berbeda-beda; contohnya fiber optic digunakan untuk memandu cahaya (frekuensi tinggi) dan tidak memandu gelombang micro yang memiliki frekuensi yang lebih rendah dibandingkan dengan cahaya tampak. Sebuah aturan yang harus diingat adalah lebar dari pandu gelombang harus memiliki orde yang sama dengan besar dari panjang gelombang yang akan dipandu. Terdapat beberapa struktur dialam yang bertindak sebagai pandu gelombang; contohnya sebuah lapisan di lautan yang dapat memandu suara paus dalam jarak yang sangat jauh.

Pandu gelombang optik juga dikenal dengan sebutan pandu gelombang dielektrik, yaitu suatu piranti optik yang dibuat dengan menyisipkan lapisan film diantara lapisan kover dan substrat. Pandu gelombang optik berfungsi untuk menyalurkan energi gelombang optik dalam bentuk buntelan energi atau yang sering disebut dengan moda energi. Struktur geometri pandu gelombang optik dengan indeks bias lapisan kover, film dan substrat berturut-turut adalah n₁, n₂, dan n₃. Pemanduan cahaya dalam pandu gelombang hanya terjadi bila n₂ > n₃ ≥ n₁ dan tebal lapisan filmnya harus lebih besar dari tebal terpancungnya. Hal ini disebabkan karena gelombang optik yang terpandu dalam lapisan film merupakan gelombang optik yang harus mengalami pemantulan internal total setelah menumbuk bidang batas film-substrat dan film-kover.

Berdasarkan struktur geometrisnya pandu gelombang optik dibedakan atas pandu gelombang dua dimensi (2-D) atau pandu gelombang papak bila pembatasan gelombang optik terpandu hanya terjadi dalam arah sumbu x dan pandu gelombang tiga dimensi (3-D) atau disebut dengan pandu gelombang berstruktur kanal bila pembatasan gelombang optik terpandu terjadi dalam arah sumbu x dan sumbu y.

Ditinjau dari bahan dan indeks bias substrat dan kovernya, pandu gelombang papak dibedakan atas struktur semetri yaitu bila lapisan substrat dan konvernya terbuat dari bahan dan indeks bias yang sama, dan struktur asimetris bila terbuat dari bahan dan indeks bias yang berbeda. Sebaliknya bila ditinjau dari keseragaman indeks bias lapisan filmnya, maka pandu gelombang papak dibedakan atas step indek bila indeks bias lapisan filmnya seragam, dan graded indeks. Bila besar indeks bias lapisan filmnya terdistribusi sepanjang tebal lapisan filmnya.

Pandu gelombang optik dapat dibedakan pula berdasarkan ketergantungan indeks bias penyusun lapisan filmnya terhadap intensitas gelombang optik masukan, yaitu pandu gelombang optik linier dan tak linier. Pada pandu gelombang optik linier lapisan film sebagai medium propagansinya terbuat dari bahan yang indeks biasnya tak gayut terhadap intensitas gelombang optik. Sebaliknya pada pandu gelombang optik tak linier medium propagansinya terbuat dari bahan yang indeks biasnya gayut terhadap intensitas gelombang optik.