A.Sejarah Perkembangan Teknologi Serat Optik

Alexander Graham Bell

Alexander Graham Bell

Pada tahun 1880 Alexander Graham Bell menciptakan sebuah sistem komunikasi cahaya yang disebut photo-phone dengan menggunakan cahaya matahari yang dipantulkan dari sebuah cermin suara-termodulasi tipis untuk membawa percakapan. Photo-phone tidak pernah mencapai sukses komersial, walaupun sistem tersebut bekerja cukup baik. Berikut adalah beberapa tahap sejarah perkembangan teknologi serat optik :

1.Generasi Pertama ( mulai tahun 1970)
Sistem masih sederhana dan menjadi dasar bagi sistem generasi berikutnya terdiri dari :
Encoding : Mengubah input (misal suara) menjadi sinyal listrik.
Transmitter : Mengubah sinyal listrik menjadi gelombang cahaya termodulasi, berupa LED dengan panjang gelombang 0,87 µm. Serat Silika : Sebagai pengantar gelombang cahaya.
Repeater : Sebagai penguat gelombang cahaya yang melemah di jalan
Receiver : Mengubah gelombang cahaya termodulasi menjadi sinyal listrik, berupa foto-detektor
Decoding : Mengubah sinyal listrik menjadi ouput (misal suara).
Repeater bekerja dengan merubah gelombang cahaya menjadi sinyal listrik kemudian diperkuat secara elektronik dan diubah kembali menjadi gelombang cahaya.
Pada tahun 1978 dapat mencapai kapasitas transmisi 10 Gb.km/s.

2.Generasi Ke- Dua ( mulai tahun 1981)
Untuk mengurangi efek dispersi, ukuran inti serat diperkecil.
Indeks bias kulit dibuat sedekat-dekatnya dengan indeks bias inti.
Menggunakan diode laser, panjang gelombang yang dipancarkan 1,3 µm.
Kapasitas transmisi menjadi 100 Gb.km/s.

3.Generasi Ke- Tiga ( mulai tahun 1982)
Penyempurnaan pembuatan serat silika.
Pembuatan chip diode laser berpanjang gelombang 1,55 µm.
Kemurniaan bahan silika ditingkatkan sehingga transparansinya dapat dibuat untuk panjang gelombang sekitar 1,2 µm sampai 1,6 µm
Kapasitas transmisi menjadi beberapa ratus Gb.km/s.

4.Generasi Ke- Empat ( mulai tahun 1984)
Dimulainya riset dan pengembangan sistem koheren, modulasinya bukan modulasi intensitas melainkan modulasi frekuensi.
Pada tahun 1984 kapasitasnya sudah dapat menyamai kapasitas sistem deteksi langsung (modulasi intensitas).
Terhambat perkembangannya karena teknologi piranti sumber dan deteksi modulasi frekuensi masih jauh tertinggal.

5.Generasi Ke- Lima ( mulai tahun 1989)
Dikembangkan suatu penguat optik yang menggantikan fungsi repeater pada generasi-generasi sebelumnya.
Pada awal pengembangannya kapasitas transmisi hanya dicapai 400 Gb.km/s tetapi setahun kemudian kapasitas transmisinya sudah menembus 50.000 Gb.km/s !

6.Generasi Ke- Enam ?
Pada tahun 1988 Linn F. Mollenauer mempelopori sistem komunikasi optik soliton. Soliton adalah pulsa gelombang yang terdiri dari banyak komponen 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).
Eksprimen menunjukkan bahwa soliton minimal dapat membawa 5 saluran yang masing-masing membawa informasi dengan laju 5 Gb/s. Kapasitas transmisi yang telah diuji mencapai 35.000 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 melebar pada waktu sampai di receiver. Hal ini sangat menguntungkan karena tingkat kesalahan yang ditimbulkannya amat kecil bahkan dapat diabaikan.

B.Struktur Serat Optik dan Perambatan Cahaya pada Serat Optik

1.Struktur Dasar Sebuah Serat Optik
Gambar (1) di bawah merupakan struktur dasar dari sebuah serat optik yang terdiri dari 3 bagian : core (inti), cladding (kulit), dan coating (mantel) atau buffer (pelindung). Inti adalah sebuah batang silinder terbuat dari bahan dielektrik (bahan silika (SiO2). Inti di selubungi oleh lapisan material, disebut kulit, yang terbuat dari bahan dielektrik (silika tanpa atau sedikit doping), kulit memiliki jari-jari sekitar 125 – 400 µm indeks bias-nya n2, besarnya sedikit lebih rendah dari n1.

coaxial

gambar 1

Walaupun cahaya merambat sepanjang inti serat tanpa lapisan material kulit, namun kulit memiliki beberapa fungsi :
– Mengurangi cahaya yang loss dari inti ke udara sekitar.
– Mengurangi loss hamburan pada permukaan inti.
– Melindungi serat dari kontaminasi penyerapan permukaan.
– Menambah kekuatan mekanis.
Jika perbedaan indeks bias inti dan kulit dibuat drastis disebut serat optik Step Indeks (SI), selisih antara indek bias kulit dan inti disimbolkan dengan , dimana :

formula

Untuk pelindungan tambahan, kulit dibungkus oleh lapisan tambahan (terbuat dari plastik jenis tertentu) yaitu mantel atau buffer untuk melindungi serat optik dari kerusakan fisik. Buffer bersifat elastis, mencegah abrasi dan mencegah loss hamburan akibat microbends.

2.Perambatan Cahaya Di Dalam Serat Optik
Konsep perambatan cahaya di dalam serat optik, dapat ditinjau dengan dua pendekatan/teori yaitu optik geometrik dimana cahaya dipandang sebagai sinar yang memenuhi hukum-hukum geometrik cahaya (pemantulan dan pembiasan) dan optik fisis dimana cahaya dipandang sebagai gelombang elektro-magnetik (teori mode).
Tinjauan Optik Geometrik
Memberikan gambaran yang jelas dari perambatan cahaya sepanjang serat optik.
Dua tipe sinar dapat merambat sepanjang serat optik yaitu sinar meridian dimana sinar merambat memotong sumbu serat optik dan skew ray dimana sinar merambat tidak melalui sumbu serat optik.
Sinar-sinar Meridian dapat diklasifikasikan menjadi bound dan unbound rays.
Bound rays di dalam serat optik disebabkan oleh pemantulan sempurna, dimana agar peristiwa ini terjadi maka sinar yang memasuki serat harus memotong perbatasan inti kulit dengan sudut lebih besar dari sudut kritis, èc, sehingga sinar dapat merambat sepanjang serat.
Tinjauan Optik Fisis
Pendekatan cahaya sebagai sinar hanya menerangkan bagaimana arah dari sebuah gelombang datar merambat di dalam sebuah serat namun tidak meninjau sifat lain dari gelombang datar yaitu interferensi, dimana gelombang datar saling berinterferensi sepanjang perambatan, sehingga hanya tipe-tipe gelombang datar tertentu saja yang dapat merambat sepanjang serat. Maka diperlukan tinjauan optik fisis yaitu memandang cahaya sebagai gelombang elektromagnetik yang disebut teori moda.
Teori mode selain digunakan untuk menerangkan tipe-tipe gelombang datar yang dapat merambat sepanjang serat, juga untuk menerangkan sifat-sifat serat optik seperti absorpsi, attenuasi dan dispersi.
Mode adalah “konfigurasi perambatan cahaya di dalam serat optik yang memberikan distribusi medan listrik dalam transverse yang stabil (tidak berubah sepanjang perambatan cahaya dalam arah sumbu) sehingga cahaya dapat dipandu di dalam serat optik” ( Introduction To Optical Fiber Communication, Yasuharu Suematsu, Ken – Ichi Iga). Kumpulan gelombang-gelombang elektromagnetik yang terpandu di dalam serat optik disebut mode-mode.
Teori mode memandang cahaya sebagai sebuah gelombang datar yang dinyatakan dalam arah, amplitudo dan panjang gelombang dari perambatannya. Gelombang datar adalah sebuah gelombang yang permukaannya (dimana pada permukaan ini fase-nya konstan, disebut muka gelombang) adalah bidang datar tak berhingga tegak lurus dengan arah perambatan. Hubungan panjang gelombang, kecepatan rambat dan frekuensi gelombang dalam suatu medium :

panjang gelombang = c/fn
c = kecepatan cahaya dalam ruang hampa = 3.108 m/det.
f = frekuensicahaya.
n = indeks bias medium.

C.Keuntungan Sistem Serat Optik

Mengapa sistem serat optik dikatakan merevolusi dunia telekomunikiasi? ini karena dibandingkan dengan sistem konvensional menggunakan kabel logam (tembaga) biasa, serat optik memiliki :

Less expensive – Beberapa mil kabel optik dapat dibuat lebih murah dari kabel tembaga dengan panjang yang sama.

Thinner – Serat optik dapat dibuat dengan diameter lebih kecil (ukuran diameter kulit dari serat sekitar 100 µm dan total diameter ditambah dengan jaket pelindung sekitar 1 – 2 mm) daripada kabel tembaga, dan juga karena serat optik membawa light (cahaya) maka tentunya memiliki light weight (berat yang ringan). Maka kabel serat optik mengambil tempat yang lebih kecil di dalam tanah.

Higher carrying capacity – Karena serat optik lebih tipis dari kabel tembaga maka kebanyakan serat optik dapat dibundel ke dalam sebuah kabel dengan diameter tertentu maka beberapa jalur telepon dapat berada pada kabel yang sama atau lebih banyak saluran televisi pada TV cable dapat melalui kabel. Serat optik juga memiliki bandwidth yang besar ( 1 dan 100 GHz, untuk multimode dan single-mode sepanjang 1 Km).

Less signal degradation – Sinyal yang loss pada serat optik lebih kecil ( kurang dari 1 dB/km pada rentang panjang gelombang yang lebar) dibandingkan dengan kabel tembaga.

Light signals – Tidak seperti sinyal listrik pada kabel tembaga, sinyal cahaya dari satu serat optik tidak berinterferensi dengan sinyal cahaya pada serat optik yang lainnya di dalam kabel yang sama, juga tidak ada interferensi elektromagnetik. Ini berarti meningkatkan kualitas percakapan telepon atau penerimaan TV. Juga tidak ada.

Low Power – Karena sinyal pada serat optik mengalami loss yang rendah, transmitter dengan daya yang rendah dapat digunakan dibandingkan dengan sistem kabel tembaga yang membutuhkan tegangan listrik yang tinggi, hal ini jelas dapat mengurangi biaya yang dibutuhkan.

Digital signals – Serat optik secara ideal cocok untuk membawa informasi digital dimana berguna secara khsusus pada jaringan komputer.

Non-flammable – Karena tidak ada arus listrik yang melalui serat optik, maka tidak ada resiko bahaya api.

Flexibile – Karena serat optik sangat fleksibel dan dapat mengirim dan menerima cahaya.

D.Dasar Sistem Komunikasi Serat Optik

Gambar (2) merupakan dasar sistem komunikasi terdiri dari sebuah transmitter, sebuah recevier, dan sebuah information channel. Pada transmitter informasi dihasilkan dan mengolahnya menjadi bentuk yang sesuai untuk di kirimkan sepanjang information channel, informasi ini berjalan dari transmitter ke receiver melalui information channel ini. Information channels dapat dibagi menjadi 2 kategori : Unguided channel dan Guided channel. Atmosphere adalah sebuah contoh Unguided channel, sistem yang menggunakan atmospheric channel adalah radio, televisi dan microwave relay links. Guided channels mencakup berbagai variasi struktur tranmisi konduksi, seperti two-wire line, coaxial cable, twisted–pair.

block

gambar 2

Message Origin
Message origin bisa berupa besaran fisik non-listrik (suara atau gambar), sehingga diperlukan transduser (sensor) yang merubah message dari bentuk non-listrik ke bentuk listrik.
Contoh yang umum adalah microphone merubah gelombang suara menjadi arus listrik dan Video cameras (CCD) merubah gambar menjadi arus listrik.

Modulator dan Carrier Source
Memiliki 2 fungsi utama, pertama merubah message elektrik ke dalam bentuk yang sesuai, kedua menumpangkan sinyal ini pada gelombang yang dibangkitkan oleh carrier source.
Format modulasi dapat dibedakan menjadi modulasi analog dan digital.
Pada modulasi digital untuk menumpangkan sinyal data digital pada gelombang carrier, modulator cukup hanya meng-on kan atau meng-off kan carrier source sesuai dengan sinyal data-nya.
Carrier sourc membangkitkankan gelombang cahaya, yang umum digunakan Laser Diode (LD) atau Light Emitting Diode (LED).

Channel Coupler
Untuk menyalurkan power gelombang cahaya yang telah termodulasi dari carrier source ke information channel (serat optik).
Merupakan bagian penting dari desain sistem komunikasi serat optik sebab kemungkinan loss yang tinggi.

Information Channel (Serat Optik)
Karakteristik yang diinginkan dari serat optik adalah atenuasi yang rendah dan sudut light-acceptance-cone yang besar.
Amplifier dibutuhkan pada sambungan yang sangat panjang (ratusan atau ribuan kilometer) agar didapatkan power yang cukup pada receiver.
Repeater hanya dapat digunakan untuk sistem digital, dimana berfungsi merubah sinyal optik yang lemah ke bentuk listrik kemudian dikuatkan dan dikembalikan ke bentuk sinyal optik untuk transmisi berikutnya.
Waktu perambatan cahaya di dalam serat optik bergantung pada frekuensi cahaya dan pada lintasan yang dilalui, sinyal cahaya yang merambat di dalam serat optik memilki frekuensi berbeda-beda dalam rentang tertentu (lebar spektrum frekuensi) dan powernya terbagi-bagi sepanjang lintasan yang berbeda-berbeda, hal ini menyebabkan distorsi pada sinyal.
Pada sistem digital distorsi ini berupa pelebaran (dispersi) pulsa digital yang merambat di dalam serat optik, pelebaran ini makin bertambah dengan bertambahnya jarak yang ditempuh dan pelebaran ini akan tumpang tindih dengan pulsa-pulsa yang lainnya, hal ini akan menyebabkan kesalahan pada deteksi sinyal. Adanya dispersi membatasi kecepatan informasi (pada sistem digital kecepatan informasi disebut data rate diukur dalam satuan bit per second (bps) ) yang dapat dikirimkan.
Pada fenomena optical soliton, efek dispersi ini diimbangi dengan efek nonlinier dari serat optik sehingga pulsa sinyal dapat merambat tanpa mengalami perubahan bentuk (tidak melebar).

Detector dan Amplifier
Digunakan foto-detektor (photo-diode, photo transistor dsb) yang berfungsi merubah sinyal optik yang diterima menjadi sinyal listrik.

Signal Processor
Untuk transmisi analog, sinyal prosesor terdiri dari penguatan dan filtering sinyal. Filtering bertujuan untuk memaksimalkan rasio dari daya sinyal terhadap power sinyal yang tidak diinginakan. Fluktuasi acak yang ada pada sinyal yang diterima disebut sebagai noise. Bagaimana pengaruh noise ini terhadap sistem komunikasi ditentukan oleh besaran SNR (Signal to Noise Ratio), yaitu perbandingan daya sinyal dengan daya noise, biasanya dinyatakan dalam desi- Bell (dB), makin besar SNR maka makin baik kualitas sistem komunikasi tersebut terhadap gangguan noise.
Untuk sistem digital, sinyal prosesor terdiri dari penguatan dan filtering sinyal serta rangkaian pengambil keputusan .
Rangkaian pengambil keputusan ini memutuskan apakah sebuah bilangan biner 0 atau 1 yang diterima selama slot waktu dari setiap individual bit. Karena adanya noise yang tak dapat dihilangkan maka selalu ada kemungkinan kesalahan dari proses pengambilan keputusan ini, dinyatakan dalam besaran Bit Error Rate (BER ) yang nilai-nya harus kecil pada komunikasi.
Jika data yang dikirim adalah analog (misalnya suara), namun ditransmisikan melalui serat optik secara digital (pada transmitter dibutuhkan Analog to Digital Converter (ADC) sebelum sinyal masuk modulator) maka dibutuhkan juga Digital to Analog Converter (DAC) pada sinyal prosesor, untuk merubah data digital menjadi analog, sebelum dikeluarkan ke output (misalnya speaker).

Message Output
Jika output yang dihasilkan di presentasikan langsung ke manusia, yang mendengar atau melihat informasi tersebut, maka output yang masih dalam bentuk sinyal listrik harus dirubah menjadi gelombang suara atau visual image. Transduser (actuator) untuk hal ini adalah speaker untuk audio message dan tabung sinar katoda (CRT) (atau yang lainnya seperti LCD, OLED dsb) untuk visual image.
Pada beberapa situasi misalnya pada sistem dimana komputer-komputer atau mesin-mesin lainnya dihubungkan bersama-sama melalui sebuah sistem serat optik, maka output dalam bentuk sinyal listrik langsung dapat digunakan. Hal ini juga jika sistem serat optik hanya bagian dari jaringan yang lebih besar, seperti pada sebuah fiber link antara telephone exchange atau sebuah fiber trunk line membawa sejumlah progam televisi, pada kasus ini prosesing mencakup distribusi dari sinyal listrik ke tujuan-tujuan tertentu yang diinginkan. Peralatan pada message ouput secara sederhana hanya berupa sebuah konektor elektrik dari prosesor sinyal ke sistem berikutnya.

E.Kesimpulan

*Teknologi serat optik menawarkan kecepatan data yang lebih besar sepanjang jarak yang lebih jauh dengan harga yang lebih rendah daripada sistem konvensional menggunakan kawat logam (tembaga)
Struktur dasar dari sebuah serat optik yang terdiri dari 3 bagian : core (inti), cladding (kulit), dan coating (mantel) atau buffer (pelindung). Indeks bias kulit, n2 besarnya sedikit lebih rendah dari indek bias inti, n1.

*Untuk menjelaskan bagaimana cahaya merambat sepanjang serat optik digunakan dua pendekatan/teori, yaitu pendekatan cahaya sebagai sinar (optik geometrik) dan cahaya sebagai gelombang elektro-magnetik (optik fisis) / teori mode.

*Pendekatan cahaya sebagai sinar memberikan gambaran yang jelas bagaimana cahaya merambat sepanjang serat optik, namun kurang dalam memberikan penjelasan mengenai sifat lain lain dari cahaya seperti interferensi, dan sifat sera optik seperti absorpsi, atenuasi dan dispersi, oleh karena itu diperlukan pendekatan cahaya sebagai gelombang/ teori mode. Berdasarkan jumlah mode yang merambat maka serat optik terbagi menjadi dua tipe : single-mode dan multi-mode.

*Sistem serat optik memberikan dibandingkan dengan sistem konvensional menggunakan kabel logam (tembaga) memiliki keuntungan dalam hal less expensive, thinner, higher carrying capacity, large-bandwidth, less signal degradation , ligtht signals, low power, non-flammable, flexibile.

*Sistem komunikasi optik secara umum terdiri dari Transmitter (Message origin, Modulator, Carrier Source dan Channel Coupler), Information Channel (Serat Optik) dan Receiver (Detector, Amplifier, Signal Processor and Message Output).