1. PENDAHULUAN - ahambali.staff.telkomuniversity.ac.id · bergetar tegak lurus terhadap arah perambatan b. Kecepatan fasa gelombang elektromagnetik di dalam vakum (udara) adalah c

1. PENDAHULUAN

Konsep Siskom Optik

Perkembangan SKSO

Perbandingan SKSO dengan yang lain

Pengertian Cahaya

Hukum Snell

Hukum Fresnel

Penjalaran Cahaya

Sistem Komunikasi Dasar

3

Transmitter

Receiver

TransmissionChannel

Messagesource

Destination

Noise

Unguided komunikasi

radio,TV, microwave,

komber, dll

Guided CATV,

LAN, PSTN, dllSpeech,

voice, data,

video

Berfungsi untuk

mengubah sinyal

informasi agar

sesuai dengan

medium kanal

transmisi

Berfungsi untuk mendeteksi sinyal dari kanal,

memisahkan bagian informasi dan

membuang noise untuk diteruskan ke tujuan

4

• Optical source

Semiconductor laser or LED

• Modulator

Analog or digital

Direct modulated source or external modulator

• Set of connectors or permanent fiber splice

Join fiber lengths

• Repeater

Electronically detect and regenerate signal

• Optical amplifier

Amplify signal power

• Optical receiver (detector, preamp, logic

circuits)

Recover transmitted signal

Sistem Komunikasi Optik

5

Spektrum Frekuensi Optik

6

Spektrum Frekuensi Optik

Optik adalah gelombang

7

Spektrum Frekuensi Optik

1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700

Panjang Gelombang (nm)

0.1

1.0

10

Ate

nu

asi (

dB

/km

)

Low water peak fiber

Standard water peak fiber

1625-1675 U-band

1565-1625 L-band

1530-1565 C-band1460-1530 S-band

1360-1460 E-band

1260-1360 O-band

DWDM

1310

Raman

CWDM (1270-1610 nm)

Mo

nit

ori

ng

EDFA

1550WWDM (50nm)

9

Spektrum Frekuensi Optik

• Window Optik – range

frekuensi optik dimana

redaman serat optik paling

rendah range frekuensi ini

yang digunakan sebagai

carrier

Window Pertama

800 - 900 nm

Window Kedua

1300 nm

Window Ketiga

1550 nm

10

Sejarah Siskom Optik

• Komunikasi gerakan tangan, mata sebagai detektor dan otak sebagai prosesor

• Komunikasi dengan menggunakan asap

• Lampu mengedip-kedipkan sesuai informasi yang dikirim

• 1880, Graham Bell menemukan sistem komunikasi cahaya disebut photophone menggunakan cahaya matahari yang terpantul dari sebuah cermin tipis termodulasi voice. Di penerima cahaya matahari termodulasi itu jatuh pada cell selenium photoconducting yang langsung mengubahnya menjadi arus listrik

11

12

Ilustrasi Photophone

TransmitterReceiver

15

Kapel Sistina

Asap hitam mengepul dari cerobong asap Kapel Sistina di Vatikan, yang

menandakan bahwa sidang para kardinal pada hari tersebut belum berhasil

menentukan Paus baru untuk memimpin Gereja Katholik sedunia.

EVOLUSI KOMUNIKASI OPTIK

18

19

Perkembangan SKSO

• Evolusi generasi-4 SKSO

0.1

1.0

10

100

1000

19761974 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990

800 nm,

multimode

1300 nm,

singlemode

1550 nm,

singlemode

direct detection

1550 nm,

singlemode

coherent detection

5 Gb/s, 233 km

system with 5

optical amplifiers

capacity

20

Peningkatan Bit rate – Distance Product

21

22

Peningkatan Kapasitas

3 Tb/s

1 Tb/s

300 Gb/s

100 Gb/s

30 Gb/s

10 Gb/s

‘88 ‘90 ‘92 ‘94 ‘96 ‘98 ‘00

10 Tb/s

30 Tb/s

Experimental

• Wide Band OA

• Non-Zero Dispersion Fiber

• Forward Error Correction

• Polarization Multiplexing

• Optical Add/Drop

Increasing Transmission Capacity per Fiber

Lease bandwidth not fiber Source: Lucent Technologies

23

24

NTT was able to achieve 69.1 Tbit/s transmission by

applying wavelength division multiplex (WDM) of 432

wavelengths with a capacity of 171 Gbit/s over a

single 240 km-long optical fiber on March 25, 2010.

World Wide Submarine FO Networks

26

27

South-East Asia and the Far-East

28

Overview Backbone Transport

TELKOM

31

Untung dan Rugi SKSO

32

Perbandingan dengan yang lain

Cahaya dan Propagasi Geometrik

Pengertian Cahaya

Hukum Snell

Hukum Fresnel

Teori Cahaya

Secara umum, cahaya bisa dipandang dengan 3 pendekatan,

yakni :

1. Melihat cahaya sebagai sebuah ray atau geometrical optic,

2. Melihat cahaya sebagai sebuah electromagnetic wave, dan

3. Melihat cahaya dengan sebuah pendekatan teori kuantum.

Parameter optik sebuah material adalah indeks bias. Di udara kecepatan fasa

cahaya adalah 3 x 108 m/s. Kecepatan fasa berkaitan dengan frekuensi dan panjang

gelombang, c = f . Indeks bias didefinisikan sbb :

Tinjauan Geometrikal Optik

phv

cn

Nilai n adalah :

1. Udara n = 1.00,

2. Air n = 1.33,

3. Gelas n = 1.50, dan

4. Berlian n = 2.42.

Teori Cahaya

• Pendekatan optika geometris– Cahaya merambat lurus

– Kecepatan di ruang hampa c=1/ √(εoμo) ≈ 3 x 108 m/s

– Kecepatan di medium lain v = c/n ; n adalah indeks bias medium

– n = c/v =√(εμ)/√(εoμo)

:o Permeabilitas hampa udara = 4π x 10-7 N s2 C-2

:o Permitivitas hampa udara = 8,85 x 10-12 C2 N-1 m-2

n1

n2

i r

t

i = r

Cahaya terus

Cahaya pantul

Cahaya datang Garis normal

Hukum SNELLDengan melihat cahaya sebagai sinar, maka konsep pantulan dan pembiasan dapat

diinterpretasikan dengan mudah. Ketika sebuah sinar memasuki perbatasan dua media

yang berbeda, sebagian sinar dipantulkan kembali.

▪ Cahaya datang, cahaya pantul, dan garisnormal terletakpada bidangdatar

▪ Sudut datang = sudut pantul

Teori Cahaya

n1

n2

i r

t

i = r

2

1

sin

sin

n

n

i

t

– Hukum SNELL mengenai pembiasan

▪ n1<n2 Cahaya terus

dibelokkan mendekati normalCahaya terus

Cahaya pantulCahaya datang

n1

n1

n2

n2

▪ n1>n2 Cahaya terusdibelokkan menjauhinormal

Teori Cahaya– TIR (Total Internal Reflection)

12 3 4

Kondisi ini sudut datang

disebut sudut kritisBila sudut datang > sudut

kritis terjadi TIR

Cahaya datang dari

medium dengan

indeks bias yang

lebih tinggi

Sudut datang semakin

besar, cahaya yang terus

makin menjauhi normal

Sudut terus = 90o

1

2sinn

nc Besarnya sudut kritis diturunkan dari hukum Snell adalah :

Teori Cahaya• TIR (total Internal Reflection)

Teori Cahaya• Pendekatan Gelombang EM

– Cahaya : Gelombang EM f ~ 1014 = 100 THz

E = E0 sin (t – kz) E = E0e-z sin (t – kz)

x

y

z

e-z

Cahaya Sebagai Gelombang Elektromagnetik

Maxwell menyatakan bahwa cahaya adalah

gelombang elektromagnetik. Gelombang

elektromagnetik terdiri dari distribusi medan

elektrik dan medan magnetik yang bergerak

saling tegak lurus. Dalam gambar 9

diilustrasikan bentuk gelombang

elektromagnetik yang merambat dalam suatu

medium.

x

y

z

e-z

E

H

Gambar 9 Ilustrasi Perambatan Gelombang Elektromagnetik

Gelombang elektromagnetik terdiri dari medan

elektrik, dan medan magnetik,E

H

y

z

x

z

azfteHtzH

azfteEtzE

2cos,

2cos,

0

0

Persamaan di atas merupakan gelombang

elektromagnetik yang merambat ke arah z

positif, merambat dalam medium konduktif.

Cahaya Sebagai Gelombang Elektromagnetik

Beberapa karakteristik gelombang elektromagnetik :

a. Gelombang elektromagnetik adalah transversal, artinya medan listrik dan medan magnetik

bergetar tegak lurus terhadap arah perambatan

b. Kecepatan fasa gelombang elektromagnetik di dalam vakum (udara) adalah c = 3 x 108 m/s.

c. Gelombang elektromagnetik di udara tidak mengalami redaman = 0

d. Parameter-parameter gelombang dinyatakan dengan:

= panjang gelombang (m)

= konstanta redaman (Np/m)

= konstanta propagasi (rad/m)

f = frekuensi gelombang (Hz)

e. Gelombang elektromagnetik yang merambat dalam suatu medium konduktif akan mempunyai

karakteristik sbb:

vf < c

< di udara

f tetap

0

f. Karakteristik penting dari gelombang elektromagnetik adalah polarisasi, yaitu : pola pergerakan

medan elektrik yang diamati dari arah perambatan.

Teori Cahaya

• Pendekatan Gelombang EM

– Polarisasi gelombang EM

Polarisasi sirkular Polarisasi elipsPolarisasi linier

HUKUM FRESNEL

Bidang datang : bidang tegak lurus terhadap bidang batas dan melalui arah perambatan cahaya.

Vektor medan listrik tegak lurus arah perambatan cahaya

Polarisasi sejajar bidang datang :

ii

ii

P

nnnn

nnnn

22

1

2

21

2

2

22

1

2

21

2

2

sincos

sincos

θt

θi

θr

Er

Et

Ein2n1

P : Paralelle

ρ : Koefisien refleksi

Polarisasi tegak lurus bidang datang :

θt

θi

θr

Er

Et

Ei

n1 n2

ii

ii

S

nnn

nnn

22

1

2

21

22

1

2

21

sincos

sincos

ρ : Koefisien refleksi

S : Senkrecht

Reflektansi :2

R

1

2tan00n

nR BP θB : Sudut BREWSTER

Sudut Kritis :

10sin

1sinsinsin

sin

22

1

2

2

22

2

22

1

1

2

SPi

iCiCi

C

nn

Rnn

n

n

Anti refleksi :

n1 n2 n3312

22

231

22

231

0

][

][

nnnR

nnn

nnnR

ρ : Koefisien refleksi

n1 = 1 dan n2 = 1.5

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1 7 13 19 25 31 37 43 49 55 61 67 73 79 85

SUDUT DATANG

RE

FL

EK

TA

NS

I

Rp Rs

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1 7 13 19 25 31 37 43 49 55 61 67 73 79 85

RE

FL

EK

TA

NS

I

SUDUT DATANG

n1 = 1.5 dan n2 = 1

Rp Rs

Tinjauan Teori Kuantum

Teori gelombang untuk cahaya cukup untuk menjelaskan semua fenomena yang

melibatkan transmisi cahaya. Akan tetapi, dalam menjelaskan hubungan cahaya dan

materi, seperti dispersi, emisi dan absorpsi cahaya, teori gelombang dan teori partikel

tidak cukup.

Teori kuantum mengindikasikan bahwa radiasi optik mempunyai karakteristik partikel

sebagaimana karakteristik gelombang. Energi cahaya selalu mengeluarkan atau

menyerap foton atau quanta. Energi foton bergantung pada frekuensi f. Hubungan energi

dan frekuensi adalah sbb:

hfE

di mana h adalah konstanta Planck, besarnya = 6.625 x 10-34 J.s.

Ketika cahaya jatuh pada sebuah atom, sebuah foton dapat mentransfer energinya ke

sebuah electrón dalam atom tsb, sehingga membuatnya meloncat ke level energi yang

lebih tinggi. Dalam proses ini sebagian atau seluruh energi foton diberikan pada elektron.

Energi yang diserap electrón harus sama besar dengan energi yang dibutuhkan elektron

untuk melompat ke level energi yang lebih tinggi. Sebalikya elektron yang telah

tereksitasi dapat turun ke level energi yang lebih rendah dengan mengeluarkan energi

yang sama dengan energi yang digunakan untuk eksitasi.

Teori Cahaya

• Pendekatan Teori Kuantum– Cahaya merupakan serangkaian energi yang

terkuantisasi secara diskrit yang disebut quanta

atau photons

– Energi cahaya bergantung pada frekuensi

– Dapat menjelaskan fenomena dispersi, emisi,

dan absorpsi

hfE h = konstanta Plack = 6,626 x 10-34 [J.s]

f = frekuensi [Hz]

1 eV = 1,6 x 10-19 J

Untuk mendapatkan daya 1μW berkas cahaya pada panjang

gelombang 0,85 μm, dibutuhkan berapa photon per detik ?

Contoh :

Waktu pengamatan = 1s

Daya yang dihasilkan : 1 μW

Energi yang dbutuhkan untuk mendapatkan daya sebesar diatas = P.t = 1 μW . 1 s = 1 μJ (Energi total)

Energi satu photon : 2,34 x 10-19 J

Jadi jumlah photon-nya : energi total/ energi 1 photon = 1 μJ / 2,34.10-19 J = 427 x 1010 photon

Jawab :

Penjalaran Cahaya

Gambaran Umum Serat Optik

❖ Serat optik adalah suatubumbung gelombang yang berisidielektrik dengan indeks biastertentu yang digunakan untukmerambatkan energi elektromagnetik pada frekuensi antara 300 – 600 Tera Hertz (frekuensioptik). Serat optik terdiri dari core (inti) dan cladding (selubung inti).

❖ Fungsi inti adalah sebagaipenyalur gelombang cahaya, dancladding berfungsi untukmemperkecil rugi-rugi permukaanserta mengarahkan gelombangcahaya tersebut.

core

cladding

coat

Dari gelas atau plastik

Dari plastik & diberi warna, bisa > 1 lapisan

Gambar Struktur Serat Optik

Jenis Serat Optik

• Berdasarkan variasi dari komposisi material (bahan) penyusun

core-nya, fiber optik dibagi menjadi dua

– Step-index fiber : nilai indeks biasnya sama (uniform) dari center (core)

sampai core boundary dan kemudian berubah (step)

di bagian cladding

– Gradded-index fiber : indeks bias bervariasi secara radial dari center

sampai ke cladding

• Step dan graded index fiber dibagi menjadi dua

– Single mode : hanya terdiri dari satu mode selama propagasinya

– Multimode : terdiri dari banyak (ratusan) modes selama propagasinya

3

2

1

Keuntungan & Kekurangan

• Keuntungan multimode dibandingkan singlemode

fiber:

– Radius core (jari-jari inti) yang lebih lebar

mempermudah pada saat launching daya optik ke

fiber (kopling) dan mempermudah pada saat

penyambungan (connecting) dengan fiber yang sama

– Sumber optik yang bisa digunakan pada multimode

fiber adalah LED source, sedangkan single mode

harus menggunakan LASER diode, dimana dengan

menggunakan LED mempunyai daya optik yang

lebih rendah, lebih mudah fabrikasi, lebih murah,

masa berlaku operasinya lebih lama

• Kekurangan multimode adalah menimbulkandispersi intermodal– Dispersi intermodal bisa didiskripsikan sebagai

berikut: ketika pulsa optik di launch kedalam fiber,daya optik didistribusikan pada semua mode yangdigunakan. Masing-masing mode bisa berpropagasidengan kecepatan yang berbeda sehingga mode-mode yang membawa pulsa optik tadi datang/sampai di fiber end dengan sedikit perbedaan waktu(delay) hal ini menyebabkan terjadi pelebaran pulsakarena penjalarannya selama melalui media fibertersebut.

– Efek dispersi intermodal tersebut bisa dikurangidengan menggunakan gradded index fiber

• Keuntungan singlemode fiber adalah memilikibandwidth yang lebih lebar dan tidak ada efekdispersi intermodal

• 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

66

• Single mode Step Index

Cladding

Core 8-12m

n2

125m

n1

Profil indeks

bias

a

67

SI Fiber (Step Index)

• Semakin besar sudut masuk semakinkecil sudut datang pada batas inti-kulit semakin panjang lintasan dalamserat optik.

• Cahaya menjalar dibedakanberdasarkan jumlah modus yang menjalar, semakin kecil sudut datangcahaya semakin kecil nomor modus cahaya yang menjalar.

• SO menyalurkan 1 modus single mode

• SO menyalurkan > 1 modus multimode

maks

n1

n2

0

n2

n1

1

68

SM Fiber (Single Mode)

2

2

)( oW

r

oeErE

Parameter penting/dasar dari SM fiber adalah MFD (Mode Field Diameter).

MFD ditentukan dari distribusi medan modus dari modus fundamental LPo1.

Pada SM fiber tidak semua cahaya yang merambat pada fiber melalui inti.

r : jari-jari

EO : amplitudo medan listrik pada r`= 0

WO : lebar distribusi medan listrik

)879.2619.165.0( 62/3 VVaWo

69

Distribusi cahaya di SM fiber diatas panjang gelombang cut off-nya.

Untuk distribusi Gaussian MFD sebesar lebar 1/e2 dari daya optis.

70

Dua polarisasi dari modus fundamental H11 pada fiber SM

71

• Step Index Multimode

Cladding

Core 50-200m

n2

125-

400m

n1

Profil indeks

bias

a

Karakteristik

Serat Optik

• Karakteristik Mekanis

– Strength

– Static fatigue

• TIR (Total Internal

Reflection)

Cladding

Core

73

Higher-order mode Lower-order mode

Representasi berkas multiple mode

Gradded-index fiber nilai indek bias core-nya menurun secara

kontinyu sesuai dengan kenaikan radial distance (r) dari

center of fiber sampai ke core-cladding boundary, kemudian

pada bagian cladding nilai index biasnya akan kontsan

arnnn

ara

rn

rn

........,.........)1(21

0....................,.........21)(

211

1

1

21

21

22

21

2 n

nn

n

nn

Keterangan:

r : radial distance

a : jari-jari core (inti)

∆ : beda indek bias relatif

: index profile ( 1,.....∞)

Plot the refractive-index profile of n1 to n2 as a function of radial distance r ≤ a forgradded-index fibers that have α values of 1, 2, 4, 8, and ∞ (step index). Assume thefibers have a 25-μm core radius, n1=1,48 and ∆=0,01

Soal

Serat Optik• Bagaimana cahaya merambat dalam serat optik ?

76

78

NA = sin maks = 21

2

2

2

1 nnn

1

21

2

1

2

2

2

1

2 n

nn

n

nn

Step index fiber

∆ : beda indeks bias relatif

maks

n1

n2

79

NAnnV aa

22

2

2

12

/2

/

/

12

2

2

2

1

2

2

2

k

nkn

dengan

nn

nkb

V-parameter menentukan jumlah modus yang menjalar dalam SO

Konstanta propagasi normalisasi b :

Mode cut off jika β/k = n2

β : konstanta propagasi

V-parameter

80

Panjang gelombang cut off :

Single mode fiber : V ≤ 2,405

Atau V cut off : VC = 2,405

222 12

2

2

1

CC

CV

annn

V

a

81

82

Grafik β/k terhadap V untuk beberapa modus orde terendah

V-Number and Fiber Modes

2.405

84

Fiber Modes

85

2

2

2

1

2 nn

2

22 22

2

2

12

22

2

Vnn

aAM

Jumlah mode yang masuk ke fiber :

Solid acceptance angle dari fiber :

[Sterad]

86

Daya mengalir pada Step Index

2

1

3

4

1

MP

P

P

P

P

P

clad

coreclad

Contoh :

Fiber step index a = 10 μm, n1 = 1,48; ∆ = 0,001; λ = 1,3 μm;

Hitung V; Ω; M; Pclad/P; λc;

Jika ∆ = 0,03, hitung M dan Pclad/P;

87

Grafik aliran daya pada kulit dari fiber Step Index terhadap V

88

• Graded Index

1

21

2

1

2

2

2

1

0.......;.........21

;.......)1(21

2

)(1

211

n

nn

n

nn

rnar

a

rn

arnnn

Cladding

Core 50-100m

n2

125-

140m

n1

Profil Indeks

bias

r

a

89

GI Fiber (Graded Index)

Perbandingan NA dari fiber yang memiliki profil α yang berbeda

90

Untuk V besar Jumlah modus M = V2/4 atau setengah dari jumlah mode pada SI fiber

GI Fiber (Graded Index)

V cut off :

21405,2 CV

Untuk α = 2 pada GI :

harga VC = 3,401 atau √2 kali lebih besar dari pada SI.

Harga λC akan 1/(√2) lebih pendek dari pada SI

Jumlah modus :

2

12

1

22 2

22

annkaM

91

Latihan :

Fiber graded index, α = 2, a = 10 μm,

n1 = 1,48; ∆ = 0,001; λ = 1,3 μm;

Hitung n(r); NA(r); Vc; M; λc;