FIBER OPTIK SEBAGAI MEDIA TRANSMISI DATA

1. PENDAHULUAN

Tiga dekade belakangan ini, telah dikembangkan sebuah teknologi baru yang menawarkan kecepatan data yang lebih besar sepanjang jarak yang lebih jauh dengan harga yang lebih rendah daripada sistem kawat tembaga. Teknologi baru ini adalah serat optik, serat optik menggunakan cahaya untuk mengirimkan informasi (data). Cahaya yang membawa informasi dapat dipandu melalui serat optik berdasarkan fenomena fisika yang disebut total internal reflection (pemantulan sempurna). Secara tinjauan cahaya sebagai gelombang elektromagnetik, informasi dibawa sebagai kumpulan gelombang-gelombang elektro-magnetik terpandu yang disebut mode. Serat optik terbagi menjadi 2 tipe yaitu single mode dan multi mode. Secara umum system komunikasi serat optik terdiri dari : transmitter, serat optik sebagai saluran informasi dan receiver. Pada transmitter terdapat modulator, carrier source dan channel coupler, pada saluran informasi serat optik terdapat repeater dan sambungan sedangkan pada receiver terdapat photo detector, amplifier dan data processing. Sebagai sumber cahaya untuk sistem komunikasi serat optik digunakan LED atau Laser Diode (LD)

2.  Struktur dan Perambatan  Serat Optik

2.1. Bagian Fiber Optik

Fiber optik dibuat dari silikon dan germanium bereaksi dengan oksigen membentuk SiO2 dan GeO2.SiO2 dan GeO2 menyatu dan membentuk kaca Serat optik terdiri dari 3 bagian, yaitu :

2.1.1. Core adalah kaca tipis yang merupakan bagian inti dari fiber optik yang dimana   pengiriman sinar dilakukan

2.1.2 Cladding adalah materi yang mengelilingi inti yang berfungsi memantulkan sinar kembali ke dalam inti(core).

2.1.3 Buffer Coating adalah plastic pelapis yang melindungi fiber dari kerusakan.

Gambar1. Bagian-bagian Fiber Optik

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

2.2. .Tipe Fiber Optik

 Berdasarkan faktor struktur dan properti sistem transmisi yang sekarang banyak diimplementasikan, teknologi fiber optik terbagi atas dua type yaitu:

2.2.1.  Single mode fiber optik

Single mode fiber optik memiliki banyak arti dalam teknologi fiber optik. Dilihat dari faktor properti sistem transmisinya, single mode adalah sebuah sistem transmisi data berwujud cahaya yang didalamnya hanya terdapat satu buah indeks sinar tanpa terpantul yang merambat sepanjang media tersebut dibentang. Satu buah sinar yang tidak terpantul di dalam media optik tersebut membuat teknologi fiber optik yang satu ini hanya sedikit mengalami gangguan dalam perjalanannya. Itu pun lebih banyak gangguan yang berasal dari luar maupun gangguan fisik saja.

Single mode dilihat dari segi strukturalnya merupakan teknologi fiber optik yang bekerja menggunakan inti (core) serat fiber yang berukuran sangat kecil yang diameternya berkisar 8 sampai 10 mikrometer. Single mode dapat membawa data dengan bandwidth yang lebih besar dibandingkan dengan multi mode fiber optiks, tetapi teknologi ini membutuhkan sumber cahaya dengan lebar spektral yang sangat kecil pula dan ini berarti sebuah sistem yang mahal. Single mode dapat membawa data dengan lebih cepat dan 50 kali lebih jauh dibandingkan dengan multi mode.

2. Single mode fiber optik

2.2.2. Multi mode fiber optik

Sesuai dengan nama yang disandangnya, teknologi ini memiliki kelebihan dan kekurangan yang diakibatkan dari banyaknya jumlah sinyal cahaya yang berada di dalam media fiber optik-nya. Sinar yang berada di dalamnya sudah pasti lebih dari satu buah. Multi mode fiber optik merupakan teknologi transmisi data melalui media serat optik dengan menggunakan beberapa buah indeks cahaya di dalamya. Cahaya yang dibawanya tersebut akan mengalami pemantulan berkali-kali hingga sampai di tujuan akhirnya.

Sinyal cahaya dalam teknologi Multi mode fiber optik dapat dihasilkan hingga 100 mode cahaya. Banyaknya mode yang dapat dihasilkan oleh teknologi ini bergantung dari besar kecilnya ukuran core fiber-nya dan sebuah parameter yang diberi nama Numerical Aperture (NA). Seiring dengan semakin besarnya ukuran core dan membesarnya NA, maka jumlah mode di dalam komunikasi ini juga bertambah.

Ukuran core kabel Multi mode secara umum adalah berkisar antara 50 sampai dengan 100 mikrometer. Biasanya ukuran NA yang terdapat di dalam kabel Multi mode pada umumnya adalah berkisar antara 0,20 hingga 0,29. Dengan ukuran yang besar dan NA yang tinggi, maka terciptalah teknologi fiber optik Multi mode ini.

 

Gambar 3. Multi mode fiber optik

2.3 Berdasarkan indeks bias core :

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

2.3.2 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.

2.4.  Perambatan Cahaya Di Dalam Serat Optik

Berlainan dengan telekomunikasi yang mempergunakan gelombang elektromagnet maka pada serat optik gelombang cahayalah yang bertugas membawa sinyal informasi. Pertama-tama microphone merubah sinyal suara menjadi sinyal listrik. Kemudian sinyal listrik ini dibawa oleh gelombang pembawa cahaya melalui serat optik dari pengirim (transmitter) menuju alat penerima (receiver) yang terletak pada ujung lainnya dari serat. Modulasi gelombang cahaya ini dapat dilakukan dengan merubah sinyal listrik termodulasi menjadi gelombang cahaya pada transmitter dan kemudian merubahnya kembali menjadi sinyal listrik pada receiver. Pada receiver sinyal listrik dapat dirubah kembali menjadi gelombang suara. Tugas untuk merubah sinyal listrik ke gelombang cahaya atau kebalikannya dapat dilakukan oleh komponen elektronik yang dikenal dengan nama komponen optoelectronic pada setiap ujung serat optik.

 

Gambar 4. proses pengiriman data pada fiber optik

Dalam perjalanannya dari transmitter menuju ke receiver akan terjadi redaman cahaya di sepanjang kabel serat optik dan konektor-konektornya (sambungan). Karena itu bila jarak ini terlalu jauh akan diperlukan sebuah atau beberapa repeater yang bertugas untuk memperkuat gelombang cahaya yang telah mengalami redaman. 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 5. Perjalanan sinyal cahaya dalam fiber optik

Konsep perambatan cahaya di dalam serat optik, dapat ditinjau dengan dua pendekatan yaitu optik geometrik dimana cahaya dipandang sebagai sinar yang memenuhi hukum-hukum geometrik cahaya (pemantulan dan pembiasan) dan optic fisis dimana cahaya dipandang sebagai gelombang elektro-magnetik (teori mode).

 

2.5   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,

      lihat gambar

.

Gambar 6. Bound ray dan unbound ray

Pada gambar (6), serat optik adalah jenis step indeks, dimana indeks bias, n1, lebih besar dari indek bias kulit, n2, Unbound rays dibiaskan keluar dari inti, sedangkan bound rays akan terus menerus dipantulkan dan merambat sepanjang inti, dianggap permukaan batas antara inti dan kulit sempurna/ideal (namun akibat ketidak-sempurnaan ketidak-sempurnaan permukaan batas antara inti dan 4kulit maka akhirnya sinar akan keluar dari serat). Secara umum sinar-sinar meridian (mengikuti hukum pemantulan dan pembiasan).

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, θc, sehingga sinar dapat merambat sepanjang serat. Lihat gambar (7) di bawah ini :

 

Gambar 7. sudut kritis

Sudut θa adalah sudut maksimum sinar yang memasuki serat agar sinar dapat tetap merambat sepanjang serat (dipandu), sudut ini disebut sudut tangkap (acceptanceangle). Lihat gambar (8) di bawah ini :

 

 

Gambar 8 . Sudut tangkap

Numerical aperture (NA) adalah ukuran kemampuan sebuah serat untuk menangkap cahaya, juga dipakai untuk mendefenisikan acceptance cone dari sebuah serat optik. Dengan menggunakan hukum Snellius NA dari serat adalah :

 

Karena medium dimana tempat cahaya memasuki serat umumnya adalah udara maka  = 1 sehingga NA = sin θa. NA digunakan untuk mengukur source-tofiber power-coupling efficiencies, NA yang besar menyatakan source-to-fiber power-coupling efficiencies yang tinggi. Nilai NA biasanya sekitar 0,20 sampai 0,29 untuk serat gelas, serat plastik memiliki NA yang lebih tinggi dapat melebihi 0,5.

 

2.6  Tinjauan Optik Fisis

2.6.1 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.

2.6.2. Teori mode selain digunakan untuk menerangkan tipe-tipe gelombang datar yang dapat merambat sepanjang serat, juga untuk menerangkan sifat-sifat serat optic seperti absorpsi, attenuasi dan dispersi.

2.6.3. 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.

2.6.4 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

 

 

c = kecepatan cahaya dalam ruang hampa =  m/det,

f = frekuensi cahaya,

n = indeks bias medium.

 

2.7.  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 :

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

2.            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.

3.            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).

4.            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.

2.8  Aplikasi Fiber Optik (FO) dalam kehidupan sehari-hari

1.      Dipakai dalam dunia penyiaran televisi dimana sinyal siaran diubah dalam bentuk digital dan dikirimkan melalui kabel FO yang dipasang pada studio TV. Dengan demikian penggunaan FO sangat efektif karena menghemat tempat penyimpanan kabel dalam gedung studio TV, tahan terhadap gelombang elektromagnetik sehingga informasi aman dan yang terpenting mampu menyimpan sejumlah besar informasi siaran

2.      Dipakai untuk aplikasi LAN (Local Area Network) yang lebih efektif dan mempunyai kapasitas yang besar terutama untuk sekolah, rumah sakit, kantor,

3.      Dipakai dalam teknologi telepon kabel karena FO memungkinkan terbentuknya jaringan yang sangat luas dalam dunia komunikasi dan sistem informasi sehingga peralihan dari kabel tembaga ke FO akan membawa perubahan pada masyarakat dalam mengakses informasi dengan cepat.

4.      Dipakai untuk mengembangkan saluran FO bawah airUpaya ini merupakan terobosan baru bagi dunia komunikasi karena memberikan peluang bagi benua lain untuk mendapatkan akses data yang cepat dari suatu tempat yang terpisah oleh samudera.

5.      Dipakai untuk memperlancar transmisi satelit yang seringkali mengalami gangguan dalam penerimaan informasi di permukaan bumi. FO dipakai sebagai relay pada alat-alat komunikasi di bumi yang dapat mengirimkan data dalam jumlah besar dengan cepat.

6.      Di dalam dunia kedokteran, kabel FO dipakai untuk operasi dengan menggunakan laser dan juga dipakai sebagai bahan fiberscope, yaitu alat untuk melihat organ-organ pada tubuh manusia tanpa melakukan pembedahan.

7.      Sedangkan dalam dunia industri, FO dipakai sebagai sensor yang memonitor struktur fisik material yang berbeda-beda. Dalam hal ini, FO dipasang pada material misalnya pada bahan pesawat terbang bahkan pada bahan pesawat luar angkasa., sehingga sekecil apapun kerusakan material pada perangkat tersebut dapat dideteksi oleh para ilmuwan dari bumi. Perkembangan dan

 

Gambar 9 Transmisi data oleh fiber optic

3. Kesimpulan

1.      Teknologi serat optik menawarkan kecepatan data yang lebih besar sepanjang jarak yang lebih jauh dengan harga yang lebih rendah daripada system konvensional menggunakan kawat logam (tembaga)

2.      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.

3.      Dalam transmisi data tidak terganggu oleh gejala kelistrikan

4.      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 seratoptik 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.

5.      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.

6.      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 dan Message Output).

 

4. Daftar Pustaka

1.      Fiber Optics Technician’s Manual, Jim Hayes, 1994

2.      Fiber Optic Communications, Joseph C. Palais

3.      http://web.si.its-sby.edu/)

4.       http://www.howstuffworks.com

5.      http://www.digilib.ui.edu/opac/themes/libri2/detail.jsp?id=91296&lokasi=lokal

6.      Tim Elektron HME-ITB elektron@hme.ee.itb.ac.id

7.      http://yulian.firdaus.or.id/2006/11/21/fiber-optic/#comment-38648

8.      fiber optik\Serat optik – Wikipedia Indonesia

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Makalah

Fisika Dalam Kehidupan Sehari-hari

 

FIBER OPTIK SEBAGAI MEDIA TRANSMISI DATA

 

 

 

 

 

 

Oleh

 

Emhadelima                  : 20206036

                  

 

 

 

 

 

          Dosen Pengasuh : Dr. Rena Widita                                                    

 

 

 

 

 

 

 

Prodi Fisika – Fakultas MIPA

Institut Teknologi Bandung

2008