SIMULASI PERGESERAN DISPERSI PADA SERAT OPTIK MODA TUNGGAL. Mutia Dwi Purnama*, Saktioto, Dedi Irawan

Transkripsi

1 SIMULASI PERGESERAN DISPERSI PADA SERAT OPTIK MODA TUNGGAL Mutia Dwi Purnama*, Saktioto, Dedi Irawan Mahasiswa Program S1 Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Riau Kampus Bina Widya Pekanbaru, 28293, Indonesia ABSTRACT A shift transmission in a single mode optical fiber by using standard optical fiber Corning SMF-28e+ has been simulated. The parameters are refractive indices, core and cladding radii and wavelength. The core radii are varied from 1.1 µm 5.1 µm. The method used in OptiFiber Software is to calculate the mode waveguide dispersion, material dispersion and total dispersion. The results showed that the core radius of 2.1 µm is located at the zero dispersion wavelength of µm. The spreading material on the wavelength of 1.55 µm has spread material increases when the core radius is smaller. The waveguide dispersion and total dispersion at wavelength of 1.55 µm have the lowest spread in the radius of 2.1 µm. This occurs because the number of signals entering the optical source in optical fiber core is large, so there would be a time difference light propagation radiating at the core and the cladding fiber. Keywords: Single Mode Optical Fiber, Dissemination Intramoda, OptiFiber Software. ABSTRAK Telah dilakukan simulasi pergeseran dispersi pada serat optik mode tunggal yang menggunakan standar serat optik Corning SMF-28e+. Parameter yang diginakan adalah indeks bias, inti dan selubung serta panjang gelombang. Radius inti divariasikan dari 1.1 µm µm. Metode yang digunakan adalah software OptiFiber untuk menghitung dispersi pandu gelombang, dispersi material serta dispersi total. Hasil penelitian menunjukan pada radius inti 2,1 µm dispersi nol terletak pada panjang gelombang 1,5748 µm. Dispersi material pada panjang gelombang 1,55 µm memiliki dispersi material yang meningkat ketika radius inti semakin kecil. Dispersi pandu gelombang dan dispersi total pada panjang gelombang 1,55 µm memilki nilai dispersi terendah pada radius 2,1 µm. Hal ini terjadi karena banyaknya sinyal-sinyal sumber optik yang masuk pada inti serat optik, sehingga akan memunculkan perbedaan waktu peramabatan cahaya yang menjalar pada inti dan selubung serat. Kata Kunci: Serat Optik Mode tunggal, Dispersi Intramoda, Software OptiFiber. 1

2 PENDAHULUAN Sistem komunikasi serat optik berkembang pesat pada teknologi telekomunikasi. Dalam bidang telekomunikasi dibutuhkan komunikasi berkecepatan tinggi dan berkapasitas besar. Salah satu kebutuhan itu ada pada penerapan kabel serat optik sebagai media transmisi. Teknologi serat optik akan memberikan kemungkinan yang lebih baik bagi jaringan telekomunikasi, terutama dalam hal komunikasi data (Wahyudi, 2010). Sistem komunikasi berbasis serat optik dapat berfungsi sebagasi media transmisi karena memiliki sifat linier. Serat linier merupaka serat yang dapat mempertahankan panjang gelombang yang bergantung pada parameter bahan suatu serat. Sifat linier dari serat optik memberikan dua efek utama pada perambatan cahya optik yaitu dispersi dan absorpsi. Dispersi pada serat optik merupakan peristiwa melebarnya pulsa optik yang merambat sepanjang serat optik (Agrawal, 2002). Absorpsi pada serat optik merupakan peristiwa penyerapan sebagain cahaya optik yang terjadi akibat ketidak murnian bahan serat optik yang digunakan (Zuliandri, 2014). Pulsa optik terdiri dari rentang frekuensi-frekuensi optik, karena indeks bias bergantung pada frekuensi maka komponen-komponen frekuensi yang berbeda pada pulsa optik tersebut akan bergerak dengan kecepatan grup yang berbeda, fenomena ini disebut dispersi kecepatan grup (Group-Velocity Dispersion, GVD). GVD ini menimbulkan dispersi, dimana ketika pulsa optik dimasukan kedalam sebuah serat optik, pulsa mengalami pelebaran. Dispersi menyebabkan pulsa-pulsa yang bersebelahan akan tumpang tindih dan membatasi kecepatan pengeriman data (Endra, 2005). Berbagai metode telah ditemukan dan digunakan dalam perancangan guna mengurangi dispersi dan distorsi sehingga didapatkan optimalisasi proses transmisi dalam serat. Salah satunya adalah dengan serat yang mengalami pergeseran dispersi (Dispersion Shifted Fiber, DSF) (Barake, 1997). DSF adalah jenis serat optik yang dibuat untuk mengoptimalkan baik dispersi rendah dan atenuasi rendah (Agarkar, 2011). Pada penelitian ini, parameter DSF akan disimulasikan pada OptiFiber yang merupakan suatu perangkat lunak sistem optik. OptiFiber dapat menghitung dan menampilkan banyak parameter penting yang dapat di ubah ubah. OptiFiber juga dapat menghitung dispersi serat pada rentang panjang gelombang yang diingikan. METODOLOGI PENELITIAN Simulasi pergeseran dispersi pada penelitian ini dilakukan dengan menggunakan software OptiFiber. Nilai yang diinput adalah berdasarkan informasi yang diperoleh dari produk Corning SMF-28e+. Dalam penelitian ini hasil akhir yang di dapat adalah karakteristik grafik beserta nilai dispersi nol pada panjang gelombang tertentu. Berikut data yang terdapat pada Corning SMF-28e+ untuk kebutuhan simulasi. Tabel 1. Nilai parameter input Jenis Parameter Nilai Parameter Radius inti 4.1 µm Radius selubung µm Panjang gelombang (λ) 1310 nm Numerical Aperture (NA) 0.14 Indeks bias efektif (N eff ) n 1 = n 2 =

3 Tahapan Penelitian Dalam simulasi pergeseran dispersi nol, software OptiFiber akan di operasikan untuk mendapatkan grafik beserta nilai disprsi nol pada panjang gelombang tertentu. Adapun langkah-langkah yang akan dilakukan adalah: 1. Menentukan profil serat dengan membentuk daerah 0 (Region 0) yang mewakili inti serat dan membentuk daerah 1 (Region 1) yang mewakili selubung searat denagn menginput nilai-nilai paramater Corning SMF- 28e+ seperti radius dan indeks bias inti pada daerah 0, radius dan indeks bias selubung pada daerah 1, serta panjang gelombang. 2. Untuk menemukan dispersi panjang gelombang nol, pada penelitian ini modes yang digunakan adalah LP Modes (Matrix Method) dan dengan menginput nilai panjang gelombang dari 1.3 µm sampai 1.6 µm dengan iterasi sebanyak 100 kali. 3. Untuk mendapatkan dispersi panjang gelombang nol dilakukan optimalisasi profil dengan menginput nilai radius inti pada daerah 0 (Region 0) seminimum mungkin yaitu dari 0.99 µm sampai 6.1 µm dengan iterasi sebanyak 60 kali. 4. Mengkalkulasi semua langkah di atas sehingga diperoleh karakteristik grafik beserta nilai dispersi nol pada panjang gelombang tertentu. Simulasi yang dilakukan untuk pergeseran dispersi pada serat optik mode tunggal Corning SMF-28e+ dalam penelitian ini adalah memperkecil nilai radius inti dengan rentang panjang gelombang 1,3 µm 1,6 µm.pada penelitian ini juga akan di analisa bagai mana perbandingan bentuk grafik dispersi awal dan grafik yang mengalami pergeseran dispersi. 1. Menetapkan Profil Serat (Defining Fiber Profile) Menetapkan profil serat merupakan langkah pertama yang dilakukan dalam penelitian ini. Pertama dari menu File klik New untuk membuka projek baru, kemudian klik icon Fiber Profile di dalam Navigator. Gambar tampilan Navigator. Gambar 1. Navigator pemandu proses input. Pada perancangan profil serat terdapat dua jenis profil. Pertama, Profil Indeks Bias (Refrective Index Profile) yaitu metode untuk menentukan geometri serat. Kedua profil konsentrasi dopan (Dopant Concentration Profile) merupakan metode untuk menentukan komposisi material serat. Berikut tampilan tipe profil Gambar (2) 3

4 panjang gelombang awal yaitu 1.3 µm, lalu klik Ok. Proses tadi akan memperoleh grafik perbandingan antara jarak radial dan indeks bias, yang menggambarkan bagianbagian dari serat optik. 1. Menemukan Dispersi Nol pada Panjang Gelombang Gambar 2. Tipe profil untuk mendefenisikan profil indeks bias. Pada penelitian ini akan digunakan profil indeks bias (Refractive index) karena metode ini digunakan ketika parameterparameter serat yang dibutuhkan telah diketahui, yaitu seprti indeks, radius inti dan selubung serta panjang gelombang. Berikut tampilan dari kotak dialog profil indeks bias distribusi Gambar (3.5) Setelah menetapkan profil serat, selanjutnya akan dilakukan penghitungan ulang profil serat untuk mengetahui profil serat yang dibuat adalah mode tunggal step indeks. Langkah pertama tentukan motode pemecah mode yang akan di guakan. Gambar 4. Kotak dialog penghitungan ulang profil serat. Gambar 3. Tampilan kotak dialog yang akan digunakan untuk menetapkanprofil serat (Fiber Profile). Pada kotak dialog Fiber Profile terdapat fitur-fitur penting untuk menetapkan profil serat optik yang akan dibentuk. Klik Add sebanyak dua kali sehingga akan muncul Region 0 dan Region 1. Selanjutnya klik Region 0 untuk memasukan data dari inti serat optik Corning SMF-28e+, Setelah selesai klik Apply. Dengan cara yang serupa klik Region 1 untuk memasukan data dari selubung serat optik Corning SMF- 28e+, dan klik Apply. Masukkan nilai Gambar 4 merupakan kotak dialog yang menghitung kendali mode LP serat. Pemecah mode (Mode Solver) yang akan digunakan pada penelitian ini adalah LP modes (Matrix Method), karena metode ini sangat akurat terutama dalam perhitungan dispersi dan turunan lainnya dengan panjang gelombang tertentu. Tekan Recalculate, program ini memberikan indeks modal pada panjang gelombang tertentu dan menunjukkan preview dari bidang modal. Lalu klik Ok untuk keluar dari kotak dialog Modes. Setelah memastikan mode serat yang dipilih, selanjutnya menghitung sifat dasar mode. Berikut tampilan kotak dialognya. 4

5 Pada Gambar 3.6 scan yang digunakan adalah Region 1, karena pada tahap ini untuk menghitung karakteristik dispersi vs. panjang gelombang yang merupakan hasil akhir yang diinginkan atau tujuan dari penelitian. Pilihan pada kotak dialog Calculate yang digunakan hanyalah group Delay and Dispersion. Parameter pada Region 1 akan diubah nantinya dan program akan menhitung. Gambar 5. Kotak dialog sifat dasar mode. Untuk menghitung sifat dasar mode pilih Wavelength pada jendela Scan lalu ketik nilai yang sudah di tentukan pada kolom From 1.3, To 1.5 dan Step 100 pada jendela Parameters. Ceklis parameter Group Delay and Dispersion pada jendela Calculate lalu tekan tombol Calculate untuk mendapatkan grafik dispersi pada panjang gelombang tertentu. HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil dari simulasi pergesearan dispersi dengan panjang gelombang tertentu dan dengan memvariasikan radius inti menggunakan software OptiFiber telah diperoleh. Berikut ini adalah hasil yang diperoleh dari software OptiFiber. 2. Optimasi Profil Untuk mencapai dispersi nol pada panjang gelombang tertentu misalnya pada 1550 nm, program OptiFiber bisa mencapai itu dengan mengubah besar radius dari inti. Gambar 6. Contoh kotak dialog yang digunakan untuk mendapatkan nilai dispersi nol dengan parameter yang divariasikan. Gambar 7. Grafik dispersi pada radius inti 4,1 µm. Pada radius ini, sinyal optik menjalar masuk sejajara sumbu serat optik pada panjang gelombang 1,3359 µm, karena dispersi nol pada panjang gelombang 1,3359 µm dengan kemiringan 0,08815 [ps/nm 2.km]. Hasil dispersi dari simulasi parameter Corning SMF-28e+ menggunakan Software OptiFiber mendekati nilai dispersi spesifikasi dispersi nol terletak pada panjang gelombang kecil dari 1,304 µm dan besar dari 1,324 µm dengan kemiringan kecil dari 0,092 [ps/nm 2.km]. Diketahui pada panjang gelombang 1,55 µm di radius 4,1 µm, nilai dispersi material 18,9085 [ps/nm.km], nilai dispersi pandu gelombang -3,34104 [ps/.nm.km], dan 5

6 dispersi total 15,5242 [ps/nm.km]. Dispersi akan semakin besar ketika panjang gelombang makin besar karena adanya variasi indeks bias sebagai fungsi yang tidak linier dari panjang gelombang serta adanya veriasi kecepatan grup terhadap panjang gelombang suatu mode. Semakin besar dispersi yang dihasilkan maka bit rate maksimal yang digunakan dalam satu jarak akan berkurang. Gambar 8. Grafik dispersi pada radius inti 2.1 µm. Pada Gambar 4.4 radius inti di perkecil dari 4,1 µm menjadi 2,1 µm, dengan memperkecil radius inti 48% mengakibatkan dispersi nol terletak pada panjang gelombang 1,5748 µm dengan kemiringan 0,07723 [ps/nm 2.km], dimana menjelaskan sinyal optik menjalar masuk sejajar sumbu serat optik pada panjang gelombang 1,5748 µm, sehingga dispersi nol mengalami pergeseran karena diameter inti mengecil. Diketahui pada panjang gelombang 1,55 µm pada radius 2,1 µm, nilai dispersi material 19,4295 [ps/nm.km], dispersi pandu gelombang -20,8433 [ps/nm.km], dan dispersi total -18,62047 [ps/nm.km]. Pada radius ini mengakibatkan semakin sedikit variasi indeks bias sebagai fungsi yang tidak linier dari panjang gelombang dan meningkatnya variasi kecepatan grup terhadap panjang gelombang suatu mode pada selubung inti. Karena dispersi total pada panjang gelombang 1.55 µm sangat kecil sehingga sesuai dengan panjang gelombang sistem komunukasi jarak jauh yang dapat mentransmisikan data dengan data rate tinggi. Gambar 9. Grafik dispersi pada radius inti 1.1 µm. Pada Gambar 4.5 radius inti di perkecil dari 4,1 µm menjadi 1,1 µm, dengan memperkecil radius inti 73% mengakibatkan dispersi nol terletak pada panjang gelombang 1,3569 µm dengan kemiringan 0,1261 [ps/nm 2.km], dimana menjelaskan sinyal optik menjalar masuk sejajar sumbu serat optik pada panjang gelombang 1,3569 µm, sehingga dispersi nol mengalami pergeseran karena diameter inti mengecil. Diketahui pada panjang gelombang 1,55 µm di radius 2,1 µm, nilai dispersi material 19,4295 [ps/nm.km], dispersi pandu gelombang -20,8433 [ps/nm.km], dan dispersi total -18,62047 [ps/nm.km]. Pada radius ini mengakibatkan banyaknya variasi indeks bias sebagai fungsi yang tidak linier dari panjang gelombang dan meningkatnya variasi kecepatan grup terhadap panjang gelombang suatu mode pada selubung inti. Karena pulsa cahaya banyak menjalar pada selubung serat. Seperti yang terlihat pada ke-lima grafik diatas, hubungan antara dispersi dengan panjang gelombang adalah berbanding lurus. Dengan kata lain dispersi akan semakin besar untuk satu panjang gelombang yang semakin besar. Panjang gelombang sangat berpengaruh terhadap besar kecilnya dispersi khususnya untuk dispersi total. Panjang gelombang akan mempengaruhi besar dispersi sinyal dari lebar spektral sumber optik. Pada satu rentang panjang gelombang, apabila semkin kecil lebar spektral maka sumber semakin koheren. Hal ini disebabkan 6

7 karena cahaya yang masuk kedalam serat terdiri dari berbagai panjang gelombang dan berhubungaan dengan lebar spektral sinar yang memasuki serat optik. Maka semakin besar panjang gelombang dan semakin besar pula dispersi yang terjadi. Besarnya lebar spektral akan dipengaruhi oleh sumber cahaya yang akan digunakan. Pada panjang gelombang 1,55 µm memiliki dispersi yang lebih tinggi dari pada 1,3 µm. Faktor dispersi mempengaruhi perkembangan sistem transmisi pada serat optik mode tunggal. Dalam teori, pada panjang gelombang 1,3 µm memilki dispersi nol dengan redaman serat yang sangat tinggi. Sementara, pada panjang gelombang 1,55 µm memiliki dispersi besar dengan redaman kecil. Sehingga pada jenis serat dispersi yang mengalami pergeseran, mengalami dispersi tinggi yang terjadi pada panjang gelombang 1,55 µm dapat digeser sehingga dispersinya nol dengan memperkecil diameter inti dari serat optik mode tunggal. Hubungan antara dispersi dengan panjang gelombang adalah berbanding lurus. Artinya dispersi akan semakin besar untuk satu panjang gelombang yang semakin besar. Panjang gelombang sangat mempengaruhi pada besar kecilnya dispersi khususnya dispersi total atau dispersi intramoda. Pada radius inti 2,1 µm, dispersi total yang dishailkan sangat kecil dibandingkan dengan dispersi total pada radius inti lainnya, sehingga pada radius ini sesuai bila digunkan untuk transmisi data dengan data rate tinggi dan jarak jauh. 1. Hasil Dispersi Intramoda pada Panjang 1.55 µm Pada panjang gelombang 1,55 µm dengan variasi radius inti memiliki nilai dispersi total, pandu gelombang dan material. Nilai dispersi diambil pada satu panjang gelombang tertentu yaitu 1,55 µm: Radial (µm) Table 2. Dispersi Material Dispersi Material [ps/nm.km] 1,1 19,7807 2,1 19,4295 3,1 19,0742 4,1 18,9085 5,1 18,8287 Gambar 10. Grafik dispersi material Pada Gambar 4.6, grafik menerangkan semakin kecil radius inti semakin besar dispersi materialnya. Dispersi material bergantung pada variasi indeks bias sebagai fungsi yang tidak linier dari panjang gelombang. Table 3. Dispersi Pandu Gelombang Radial (µm) Dispersi Pandu Gelombang [ps/nm.km] 1,1-0,8656 2,1-20,8433 3,1-10,2459 4,1-3, ,1-0,

8 inti 2,1 yaitu sebesar -1,7999 [ps/nm.km]. Dispersi total dipengaruhi oleh dispersi material dan dispersi pandu gelombang karena dispersi total merupakan dispersi kromatik atau dispersi intramoda yang berpengaruh besar atau dominan dalam jaringan optik terutama pada jaringan serat optik mode tunggal. KESIMPULAN Gambar 11. Grafik dispersi pandu Pada Gambar 4.7, grafik menerangkan dispersi pandu gelombang terendah pada radius inti 2,1 µm yaitu sebesar -20,8433 [ps/nm.km]. Dispersi pandu gelombang terjadi akibat dari karakteristik perambatan mode sebagai fungsi perbandingan antara radius inti serat dan panjang gelombang. Radial (µm) Tabel 4. Dispersi total Dispersi Total [ps/nm.km] 1,1 18,9386 2,1-1,7999 3,1 8,6204 4,1 15,5242 5,1 18,5227 Gambar 12. Grafik total Pada Gambar 4.8, grafik menerangkan dispersi total terendah terletak pada radius Berdasarkan hasil peneltian dan analisa serta kajian pustaka dari dispersi intramoda pada serat optik moda tunggal Corning SMF-28e+ dengan menggunakan software OptiFiber pada radius inti 5,1 µm, 4,1 µm, 3,1 µm, 2,1 µm, 1,1 µm, dan dengan rentang panjang gelombang 1,3 µm 1,6 µm. maka beberapa hal yang dapat disimpulkan bahwa: 1. Dispersi nol terendah terletak pada panjang gelombang 1,3359 µm ketika diradius inti normal 4,1 µm. Sedangkan pada variasi radius inti, nilai dispersi nol terendah terletak pada panjang gelombang 1,5748 µm diradius inti 2,1 µm. Sehingga pada radius inti 2,1 µm, cahaya hanya merambat dalam satu modus saja yaitu sejajara dengan sumbu serat optic pada panjang gelomabang 1,5748 µm. 2. Pada panjang gelombang 1,55 µm dispersi material terendah terletak pada radius inti 5,1 µm yaitu 18,8287 [ps/nm.km], dan terbesaar pada radius 1,1 µm yaitu 19,7807 [ps/nm.km]. Dimana hal ini di pengaruhi oleh variasi indeks bias sebagai fungsi yang tidak linier dari panjang gelombang. 3. Pada panjang gelombang 1,55 µm dispersi pandu gelombang terendah terletak pada radius inti 2,1 µm yaitu - 20,8433 [ps/nm.km], dan tebesar pada radius 1,1 µm yaitu -0,8565 [ps/nm.km]. Diman hal ini di pengaruhi oleh karakteristik perambatan mod sebagai fungsi 8

9 perbandingan antara radius inti serat dan panjang gelombang. Pada panjang gelombang 1,55 µm dispersi total yang merupakan dispersi intramoda memiliki nilai terendah pada radius inti 2,1 µm yaitu -1,79993 [ps/nm.km] dan nilai terbesar pada radius inti 1,1 µm yaitu 18,9386 [ps/nm.km]. Dimana hal ini dipengaruhi oleh dispersi material dan dispersi pandu gelombang. DAFTAR PUSTAKA Agarkar, A.M, Dhabale, D.R Disign and Profile Optimization for Dispersion Shifted Fiber (DSF). International Journal of Soft Computing and Engineering (IJSCE), ISSN: , Volume-1, Issue-2. Agrawal,G.P Fiber-Optic Communication Systems. New York, USA. Hlm 56. Barake, T. Mohamed A Generalized Analysis of Multiple- Clad Optical Fibers with Arbitrary Step-Index Profiles and Aplications. Electrical Engineering. Endra Study of Higher Order Dispersion Effcts on Soliton Interaction In Dispersion Shifted Fiber. Paper submitte to The 8 th International Confrence On Quality In Research (QIR). Universitas Indonesia. Wahyudi, H. Muhammad Mengenal Teknologi Kabel Serat Optik (Fiber Optik). Bina Sarana Informatika. Jakarta. Zuliandri, M. Rizki Analisa Rayleigh pada Transmisi Serat Optik. Skripsi. Universitas Sumatra Utara. Medan. 9