Karakteristik Serat Optik Degradasi Sinyal Material ... · Untuk membuat dua material yang ......

106
Karakteristik Serat Optik Degradasi Sinyal Material & fabrikasi Serat Optik Fiber Joint

Transcript of Karakteristik Serat Optik Degradasi Sinyal Material ... · Untuk membuat dua material yang ......

Karakteristik Serat OptikDegradasi Sinyal Material & fabrikasi Serat Optik Fiber Joint

Serat Optik (Jenis serat optik)

• Step Index Single Mode

Kelebihan Kekurangan

Dispersi minimum NA Kecil : butuh ILD

BW Lebar Sulit untuk terminasi

Sangat efisien Mahal

Cladding

Core 8-12m

n2 n1

Profil Indeks bias

2

Serat Optik (Jenis serat optik)

• Step Index Multimode

Cladding

Core 50-200m

n2

125-

400m

n1

Profil Indeks

biasKelebihan Kekurangan

Mudah terminasi Dispersi lebar

kopling efisien (NA>>) BW minimum

Tidak mahal

3

Serat Optik (Jenis serat optik)

• Graded Index Multimode

Cladding

Core 50-100m

n2

125-

140m

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 darihigh loss glass fiber dengan radius core yang lebar untuk

komunikasi dengan jarak yang pendeksampai

very transparant (low loss) fiber yang digunakan untukkomunikasi dengan jarak yang lebih jauh (long haul

communication)

Fiber yang terbuat dari bahan plastik jarang digunakankarena redaman-nya yang lebih besar dibandingkan glass fiber. Kegunaan fiber plastik ini biasanya untuk aplikasi

komunikasi dengan jarak yang pendek (ratusan meter) danpada kondisi lingkungan yang ekstrim dimana fiber plastiklebih 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 melelehsampai 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.

1,48

1,46

1,44

Ge2O5

P2O5

B2O3F

0 5 10 15 20

Tambahan dopan

(mol %)

SiO2 = 1,458

Indeks bias

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)

INTI KULIT

GeO2-SiO2 SiO2

P2O2-SiO2 SiO2

SiO2 B2O3-SiO2

GeO2-B2O3-SiO2 B2O3-SiO2

Contoh komposisi fiber

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

16

Ion Common host glassesImportant emission

wavelengths

neodymium (Nd3+) silicate and phosphate glasses1.03–1.1 μm, 0.9–0.95 μm,

1.32–1.35 μm

ytterbium (Yb3+) silicate glass 1.0–1.1 μm

erbium (Er3+)silicate and phosphate glasses,

fluoride glasses1.5–1.6 μm, 2.7 μm, 0.55 μm

thulium (Tm3+)silicate and germanate glasses,

fluoride glasses

1.7–2.1 μm, 1.45–1.53 μm,

0.48 μm, 0.8 μm

praseodymium (Pr3+) silicate and fluoride glasses1.3 μm, 0.635 μm, 0.6 μm,

0.52 μm, 0.49 μm

holmium (Ho3+)silicate glasses, fluorozirconate

glasses2.1 μm, 2.9 μm

[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 besar110 s/d 1400 μm cocok dengan LED

• Hanya cocok untuk komunikasi jarak sangatpendek ±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 melaluiproses 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. OVPO (Outside Vapor Phase Oxidation)

2. VAD (Vapor-phase Axial Deposition)

3. MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition)

4. 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 OVPO2. Perform bisa dibuat lebih panjang tetapi pasti berpengaruh pada cost dan hasilnya3. Posisi reaction chamber dan zone melting (ring heater) yang terhubung satu sama lain

mengurangi kemungkinan terjadinya kontaminasi ekternal dari seperti karena adanya debu atauuap air

[3] MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition)

Pertama dilakukan oleh Bell Laboratories dankemudian diadopsi secara luas yang digunakanuntuk memproduksi very low loss gradded-index fiber. Uap partikel glass didapatkan dari reaksiantara bahan gas logam halida dengan oxigen yang mengalir didalam silica pipe. Kemudian partikelglass tersebut disimpan dan dilakukan proses sintering oleh H2O2 burner (oxyhydrogen) yang berjalan sepanjang silica pipe sehingga diperolehclear glass layer (sintered glass). Ketika ukuran/ ketebalan dari glass sudah sesuai dengan yang diinginkan aliran uap partikel glass tadi dihentikandan kemudian tabung (pipe) dipanaskan sampaisuhu 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 Methodmetode 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

35

Degradasi sinyal :

• Degradasi sinyal dalam fiber :

–Redaman

–Dispersi

Redaman

• Redaman diklasifikasikan :– Absorpsi– Hamburan Raleigh– Efek geometri– Loss inti dan kulit

• Dalam desain sistem komunikasi serat optik, redaman mempunyai peranan yang sangat penting.

• Redaman menentukan jarak transmisi maksimumantara transmitter dan receiver, juga akanmenentukan banyaknya repeater dan margin dayayang dibutuhkan dalam sebuah link.

• Redaman () sinyal atau rugi-rugi serat didefinisikansebagai perbandingan antara daya output optik (Pout) terhadap daya input optik (Pin) sepanjang serat L.

• Redaman dalam serat optik untuk berbagai panjanggelombang tidak selalu sama karena redaman inimerupakan fungsi panjang gelombang (()).

mdB

P

P

L out

in

log

10

Gambar Rugi-Rugi Yang Terjadi Pada Serat Optik

37

Absorpsi

• Absorpsi oleh kerusakan atomik dalam komposisi gelas. Kerusakan ini merupakan ketidaksempurnaan struktur atomikbahan serat, misalnya molekul yang hilang, kerusakan oksigendalam struktur gelas.

• Biasanya redaman absorpsi jenis ini cukup kecil biladibandingkan dengan jenis lain tetapi akan sangat berartiapabila tercemari oleh adanya ledakan nuklir.

• Rugi-rugi absorpsi :– Kerusakan atom– Intrisik– Ekstrinsik

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.

39

• Intrinsic absorption oleh atom unsur pokok bahan serat. Sifat alamiah gelasmenyerap cahaya.

• Hal ini berhubungan dengan bahan serat (misalnya SiO2 murni) dan faktor-faktor prinsip yang menentukan transparency window bahan pada daerahspektrum tertentu. Sangat kuat pada daerah ultra violet tidakberpengaruh pada siskom optik. Pada daerah inframerah terjadi puncakpada 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 panasatom-atom bergerak SiO berkontraksi & meregang/vibrasi.

Rugi-rugi Absorpsi Karena Intrinsik

40

0/ EE

uv CeHukum Urbach :

C dan EO : konstanta empiris

E : energi photon

x : bagian molekul GeO2

63,4

210606,46

2,154e

x

xuv

dB/Km

Absorpsi daerah UV :

Absorpsi daerah IR :

48,48

111081,7

eIRUntuk GeO2-SiO2 : dB/Km

41

• Extrinsic absorption oleh atom pengotoran dalam bahan gelas. Ketidak murnian sumber utama rugi-rugi fiber.

• Hal ini disebabkan oleh adanya pencampuran silika dengan bahan doping dan uap oksihidrogenselama pembuatan serat. Fe, Cu, V, Co, Ni, Mn, Cr menyerap secara kuat pada daerah yang diinginkan. Ketidak lengkapan pengisian sel elektron dalam penyerapan cahaya mengakibatkanelektron 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

Rugi-rugi Absorpsi Karena Ekstrinsik

42

Karakteristik

redaman fiber

silika diberikan

doping GeO2

43

Perbandingan absorbsi inframerah karena bahan doping pada low-loss silica fiber.

44

Hamburan Rayleigh

• Redaman ini timbul dari variasi mikroskopik dalam densitas bahan, dari fluktuasikomposisional dan dari ketidakhomogenan struktur dari kerusakan yang terjadiselama 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.

45

Glory : gejala optik dihasilkan oleh backscattering ke sumber oleh

asap/kabut/butir air berukuran seragam.

46

• Penyebab hamburan lain :

– Bahan fiber terdiri dari lebih dari satu oksida fluktuasikonsentrasi oksida penyusun

– Ketidak homogenan bahan yang dicampurkan dalam gelasselama pabrikasi antar muka inti-kulit kasar, bendahambur > λ optik dapat dikendalikan pada saatpabrikasi.

Raleigh scattering

47

Redaman karena hamburan sebanding dengan λ-4.

Gelas komponen tunggal :

TfBscat

TfBscat

Tkpn

Tkn

28

4

3

22

4

3

3

8

13

8

kB : Konstanta Boltzman = 1,380 x 10-23 J/OK

βT : Isothermal compressibility bahan

Tf : Suhu fictive/lebur

p : koefisien photoelastic

atau

Neper/Km

Neper/Km

48

Utk gelas multi komponen :

m

i

i

i

CC

nnn

Vn

1

2

2

2

2

22

22

4

3

3

8

δρ : fluktuasi kepadatan

δCi : fluktuasi konsentrasi komponen gelas

Neper/Km

Nilai fluktuasi komposisi dan kepadatan umumnya tidak

diketahui dan ditetapkan dr data hamburan percobaan

49

Redaman pada fiber GI-MM tertentu

Redaman pada fiber SM tertentu

50

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

Efek Geometri

• Redaman akibat pembengkokanada dua jenis, yaitu : macrobendingdan microbending.

• Macrobending adalahpembengkokan serat optik denganradius yang panjang biladibandingkan dengan radius seratoptik.

• Redaman ini dapat diketahuidengan menganalisis distribusimodal pada serat optik.

51

52

Mode fundamental dalam fiber lengkung

Jari-jari kritis single mode :

3

2/32

2

2

1

996,0748,220

C

C

nnR

2/32

2

2

1

1

4

3

nn

nRC

Jari-jari kritis multi mode :

53

2

1

3/2

2

2

2

32

2

21

kanM

kRnR

aMM eff

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 :

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.

54

Microbending : fluktuasi jari-jari ukuran

kecil berulang dari lengkungan sumbu fiber

Microbending adalah pembengkokan-

pembengkokan 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.

55

Compressible jacket mengurangi microbending karena tekanan dari luar

56

Loss Inti dan Kulit

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

cladvm

coreclad

cladcorevm

121

21

1

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) :

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

2

2

2

22

121)0(

)()0()(

nn

rnnr

57

Dispersi

• Group velocity : kecepatan energi suatu modus tertentubergerak sepanjang fiber.

• Perbedaan kecepatan grup mengakibatkan perbedaanwaktu tiba energi di tujuan sehingga mengakibatkanterjadinya pelebaran pulsa.

• Gejala yang mengakibatkan terjadinya pelebaran pulsadisebut dispersi.

• Jenis dispersi :

– Intermodal, hanya terjadi pada MM fiber

– Intramodal• Material

• waveguide

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

60

Group delay

Time delay atau Group delay per satuan panjang :

/2

2

11

1

2

k

dk

dcV

d

d

cdk

d

cVL

g

g

g

: kec energi dalam pulsa yang merambat sepanjang fiber

Dimana :

L : jarak yang dicapai oleh pulsa

β : konstanta propagasi sepanjang sumbu fiber

61

d

d g

2

222

2

d

d

d

d

c

L

d

d g

g

Selisih Total delay sepanjang fiber L :

Pelebaran pulsa dapat didekati dengan lebar pulsa rumus :

Dispersi :

d

d

LD

g1

Satuan dispersi : picosecond per kilometer per nanometer

62

Dispersi bahan/kromatis (material/chromatic dispersion)

• Dispersi material terjadi karena indeks bias bervariasi sebagai fungsi panjang gelombangoptik.

• 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 berbedasetiap moda yang tergantung pada panjang gelombang, selanjutnya mengakibatkan terjadinyapelebaran pulsa .

d

dnn

c

L

n

d

d

cdk

d

cL

mat

g

2

2

1 2

Karena

dan

Maka :

63

Pelebaran pulsa dari suatu sumber yang memiliki lebar spektral σλ karena

dispersi material :

2

2

2

2

1

d

nd

cD

LDd

nd

c

L

d

d

mat

matmat

mat

: Dispersi material

64

Variasi indeks bias silika sebagai fungsi panjang gelombang

65

Dispersi material silika

murni dan GeO2-SiO2

sbg fungsi panjang

gelombang

66

Dispersi pandu gelombang

• Terjadi karena tidak semua cahaya yang diterimadetektor melalui inti, tetapi sebagian cahayamerambat melalui kulit.

• Besarnya dispersi pandu gelombang tergantung padarancangan fiber, karena konstanta propagasi βmerupakan fungsi a/λ.

• Untuk penyederhanaan dalam perhitungandiasumsikan bahwa indeks bias material tidaktergantung pada panjang gelombang.

67

Konstanta propagasi normalisasi :

1

/

/

2

21

2

2

2

2

1

2

2

2

bkn

nn

nkb

nn

nkb

Untuk ∆ <<<

atau

Group delay karena dispersi pandu gelombang :

dV

Vbdnn

c

L

kannnkaV

dk

kbdnn

c

L

dk

d

c

L

wg

wg

22

2

2

2

2

1

22

2

maka

Untuk ∆ <<

Untuk fiber MM dispersi PG << dispersi material dispersi PG dapat diabaikan

68

wg

wg

wg

wg

wg

wg

D

dV

VbdV

c

Ln

dV

dV

LDd

d

2

2

2

Pelebaran pulsa karena dispersi pandu gelombang :

: Dispersi pandu gelombang

:

:

22

mod

wg

m

wgmi

Pelebaran pulsa karena dispersi intramodus :

Pelebaran pulsa karena dispersi material

Pelebaran pulsa karena dispersi pandu gelombang

69

Grafik d(Vb)/dV sebagai fungsi V fiber SI untuk berbagai LP moda

70

Parameter b dan turunanannya terhadap V modus LP01 sebagai fungsi V

71

Distorsi sinyal pada fiber SMDispersi 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

72

Dispersi antar modus

• Merupakan hasil dari perbedaan nilai group delay (kecepatan group axial) dari setiap modus individual pada satu frekuensi.

L

Tmax

Tmin

c

LnTTsi

1minmaxmodPelebaran pulsa karena dispersi antar modus :

73

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 akanmerambat lebih cepat di bagian luar inti dari pada di pusat inti. V = c/n

Pelebaran pulsa karena dispersi antar modus (untuk α = 2) :

sigi

gic

Ln

modmod

2

1mod

8

8

atau

74

:

:

mod

mod

2

mod

2

mod

a

i

ai

Pelebaran pulsa pada fiber MM :

Pelebaran pulsa karena dispersi intramodus

Pelebaran pulsa karena dispersi antarmodus

Dispersi total (akibat berbagai sebab di atas) adalah :

222

ntermoda wgbahanlitotal tttt

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.

76

FIBER JOINT

Ref : Keiser, Palais

77

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 :

E

commF

M

M

Mcomm : jumlah common mode

ME : jumlah mode di fiber pengemisi

Loss gandengan : FFL log10

78

Distribusi modus berbeda berkas optik memancar dr fiber

menghasilkan loss gandengan berbeda

79

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

80

Jenis misaligment mekanis

θ

d

a

d

a

(a) Separasi longitudinal

(b) Angular misalignment

(c) Lateral displacement

s

81

Axial/lateral displacement

d

a

d

a

Common core area

2

2

,4

12

arccos2

a

d

a

d

a

d

A

A

F

commstepF

Efisiensi gandengan fiber SI :

82

2

2

2

2

,2

564

12

arccos2

a

d

a

d

a

d

a

d

P

PTgradF

a

dgradF

43

81,

Efisiensi gandengan fiber GI :

Jika d/a < 0,4 :

Efisiensi gandengan SM :

2/

,

Wd

latSM e

W : jari-jari Mode Field

83

Separasi

2

tan

c

Fsa

a

22

2

,424

)14(4

ZZ

ZlongSM

Efek loss jika ujung fiber terpisah sejauh s

Efisiensi gandengan Fiber SI :

θC : sdt kritis fiber

Efisiensi gandengan Fiber SM :

2

22/ WnsZ

84

Angular misalignment

sincossin

sin)cos1(cos

sinsin

)cos1(cos

2

1arcsin

11

1arcsin

11

1

2

1cos

22

22

cc

c

c

c

F

y

p

yyyqppp

322

3

sincos

cos

c

cq

Efisiensi gandengan Fiber SI (mode memancar seragam):

Efisiensi gandengan Fiber SM :2

2

,

Wn

angSM e

85

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

86

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.

87

Loss berkaitan dgn perbedaan fiber

Perbedaan dimensi dan karakteristik fiber yg disambungkan

akan menambah loss gandengan.

utk

Profil indeks bias berbeda :

1

2

2

)( RE

ER

F

ER

ER utk

88

NA berbeda

Fiber (E)

1

0

02

)(E

R

NAF NA

NA

)0()0( ER NANA

)0()0( ER NANA

utk

utk

89

Jari-jari fiber berbeda

1

2

)(E

R

aF a

a ER aa

ER aa utk

utk

90

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.

91

• 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.

92

Prosedur controlled-fracture penyiapan ujung fiber

Contoh ketidak tepatan pemotongan ujung fiber

93

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.

94

Fusion splicing

95

Fused splicer active alignment

96

V-groove splicing

97

Elastic tube splicing

98

3-rods splicing

99

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

100

(c )

(a) Straight sleeve (b) Tapered sleeve (c ) Expanded beam

101

Ferrule connector

102

Biconical connector

103

Expanded beam connector

104

Efisiensi gandengan konektor SM fiber :

qu

ffSM eqnn

nn /

31

2

3

2

1,

416

/2

/

/

/

1

sin1sin21

3

2

12

2

2

2

1

22

2

1

222

nk

WW

kWsG

kWdF

Gq

kW

GFGFu

n1 = indeks bias inti

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

105

Parts of a Fiber Optic Connector

106

Konektor Multimode Konektor Singlemode

Konektor SFF Konektor FC