Aplikasi In-line Amplifier EDFA Pada Sistem Transmisi Panjang Gelombang Tunggal dan Transmisi Berbasis WDM

Transkripsi

1 Aplikasi In-line EDFA Pada Sistem Transmisi Panjang Gelombang Tunggal dan Transmisi Berbasis WDM Octarina Nur Samijayani 2), Ary Syahriar 1)2) 1) Center of Information Technology and Communication, Agency for the Assessment and Application of Technology of the Republic of Indonesia 2) Electrical Engineering Department, University Al-Azhar Indonesia Abstraksi EDFA merupakan penguat optik yang berperan penting pada sistem telekomunikasi optik, terutama untuk transmisi jarak jauh, sehingga dapat mendukung pengiriman informasi dengan kapasitas besar pada jaringan backbone. Untuk mengantisipasi kehilangan daya, in-line amplifier ditempatkan pada saluran transmisi. Pada aplikasi ini, EDFA dapat mendukung penguatan sinyal dengan gain yang besar, baik untuk menguatkan sinyal dengan sistem transmisi panjang gelombang tunggal ataupun transmisi berbasis WDM. Namun dalam penerapanya desain parameter EDFA akan berbeda untuk kedua sistem transmisi tersebut. Hal ini berkaitan dengan karakteristik keluaran EDFA untuk menguatkan sinyal dengan panjang gelombang yang berbeda, karena adanya perbedaan tingkat absorbsi dan emissi berdasarkan karakteristik ion erbium. Makalah ini akan membandingkan desain EDFA untuk sistem transmisi kanal tunggal berbasis TDM dan juga transmisi dengan multipleksing berbasis WDM. Beberapa faktor penting dalam perancangan EDFA untuk aplikasi sistem WDM adalah perataan tingkat gain untuk setiap sinyal dengan panjang gelombang yang berbeda. Desain EDFA untuk melewatkan hanya satu panjang gelombang, akan lebih mengutamakan faktor gain yang besar serta noise figure yang kecil. Beberapa faktor nonlinear amplifier juga sangat perlu diperhatikan untuk mempertahankan SNR. Kata Kunci : In-line EDFA, Transmisi Panjang Gelombang Tunggal, WDM 1. PENDAHULUAN Perkembangan Teknologi Informasi dan Komunikasi sangat berkaitan dengan kebutuhan pengiriman informasi jarak jauh. Dunia telekomunikasi semakin berkembang seiring kebutuhan masyarakat untuk melakukan komunikasi dari tempat yang saling berjauhan dengan kapasitas besar dan akses yang cepat. Salah satu teknologi yang mampu mendukung kebutuhan tersebut adalah komunikasi optik. Pada konfigurasi jaringan telekomunikasi, transmisi serat optik digelar pada jaringan backbone. Pada dunia komunikasi optik, jarak bentang transmisi akan terbatasi oleh adanya rugi-rugi transmisi, yang disebabkan oleh kehilangan daya karena faktor dispersi dan losses. Meskipun power losses pada serat optik cukup rendah, namun untuk transmisi jarak jauh, daya yang hilang akan terakumulasi dan menyebabkan sinyal semakin melemah hingga sisi receiver. Untuk itu peranan penguat optik sangatlah penting untuk menguatkan kembali intensitas sinyal pada saat ditransmisikan. Fungsi amplifier yang diletakkan disisi transmisi disebut sebagai in-line amplifier. EDFA merupakan salah satu penguat optik yang kompatible dengan serat optik, dan dapat menghasilkan gain yang besar (mencapai >20dB) dengan noise figure yang kecil, sehingga sesuai untuk digunakan sebagai in-line amplifier. Saat ini sistem komunikasi optik banyak diterapkan dengan sistem transmisi berbasis Time Division Multiplexing (TDM) pemisahan setiap kanal dengan domain waktu [6]. Secara teknis, sistem transmisi ini hanya menggunakan satu panjang gelombang untuk semua kanal informasi, yang disebut dengan Sistem Transmisi Panjang Gelombang Tunggal. Pada perkembangan selanjutnya, untuk memenuhi semakin meningkatnya kebutuhan kapasitas informasi, sistem transmisi pada komunikasi optik mendukung teknik multiplikasi sinyal yang dikenal dengan teknik Wavelength Division Multiplexing (WDM). Transmisi WDM memanfaatkan cahaya dengan panjang gelombang yang berbeda-beda sebagai kanal-kanal informasi, seluruh panjang gelombang tersebut ditransmisikan melalui sebuah serat optik [6].

2 2. PEMBAHASAN Salah satu aplikasi EDFA adalah sebagai in-line amplifier yang sangat mendukung komunikasi jarak jauh. Aplikasi ini juga banyak diterapkan pada jaringan bawah laut. Salah satu penerapan EDFA sebagai in-line amplifier yakni untuk transmisi jarak lebih dari 2223km dengan bitrate 2.5Gb/s menggunakan 25 EDFA, dengan jarak antar amplifier 80km. Penerapan ini dapat menghasilkan total gain lebih dari 440dB [1]. Pemilihan EDFA sebagai penguat optik yang lebih efisien, karena dapat bekerja dengan baik untuk menguatkan sinyal dengan panjang gelombang 1.5µm, panjang gelombang dengan loss yang paling kecil. Namun, untuk memenuhi kebutuhan amplifikasi untuk Jaringan Akses Lokal yang biasanya menggunakan pajang gelombang 1.3µm (oleh perusahaan telekomunikasi di Indonesia) [6], amplifier didesain dengan memberikan doping neodymium sehingga dapat melakukan amplifikasi untuk range µm. Salah satu keunggulan EDFA ialah mampu beroperasi pada range panjang gelombang yang cukup lebar, C-band dan L- band. Namun hasil penguatan EDFA untuk setiap panjang gelombang akan menghasilkan level yang berbeda. Hal inilah yang menjadi perhatian utama dalam penerapan EDFA pada sistem transmisi WDM. Sehingga desain konfigurasi EDFA untuk transmisi sistem WDM dan Transmisi Panjang Gelombang Tunggal akan berbeda. untuk in-line amplifier transmisi WDM diperlukan gain yang lebih besar, noise figure yang rendah, beroperasi pada daya sinyal yang sangat tinggi, dengan sangat mengutamakan kerataan gain untuk sinyal dengan panjang gelombang yang berbeda. Beberapa kriteria keluaran EDFA dirangkum pada tabel dibawah ini. Tabel 1. Kriteria in-line amplifier untuk Transmisi Panjang Gelombang Tunggal dan Transmisi WDM [2] Tipe Transmisi Panjang Gelombang Tunggal inline amplifier Transmisi WDM inline amplifier Gain Noise Figure Daya Sinyal Sedang Rendah Sedang Tinggi Rendah Sangat kuat Kerataan Gain Tidak Penting Penting Gain yang besar dapat diperoleh dengan mengunakan serat Erbiun Doped Fiber (EDF) yang lebih panjang atau dengan konsentrasi erbium yang besar, dan dapat pula diusahakan dengan menggunakan daya pemompa yang lebih besar. Namun dengan pemilihan faktor tersebut yang semakin besar, maka noise figure yang dihasilkan juga akan semakin besar. Sehingga kita harus memperhatikan nilai optimum setiap parameter untuk mendapatkan hasil keluaran EDFA yang sesuai dengan aplikasi yang diinginkan. Desain In-line untuk Transmisi panjang gelombang tunggal dan Transmisi WDM Parameter utama dalam mendesain EDFA adalah bahan serat optik, karakteristik serat waveguide, profil konsentrasi ion erbium, panjang serat yang digunakan, sumber pemompa (termasuk daya, panjang gelombang dan konfigurasinya), serta penggunaan komponen aktif atau pasif yang terintegrasi. Komponen aktif meliputi pengontrol gain otomatis elektronik, sedangkan komponen pasif seperti WDM coupler, dan isolator. Karakteristik serat optik meliputi panjang, diameter inti serat, cutoff wavelength dll, dapat diperoleh dengan memodelkan secara numerik untuk mendapatkan performa EDFA yang baik. Desain amplifier bergantung dari aplikasi yang akan digunakan, dan pemilihan semua parameter merupakan faktor yang sangat penting. Secara umum tujuan desain amplifier adalah gain yang besar, daya sinyal keluaran yang besar, noise figure yang kecil, reliabilitas, serta kerataan spektrum gain. Beberapa kriteria output EDFA yang sesuai untuk in-line amplifier Transmisi panjang gelombang tunggal adalah noise figure yang rendah, beroperasi pada daya sinyal yang cukup tinggi dengan gain yang cukup tinggi. Sedangkan Selain pemilihan parameter EDFA, hasil keluaran juga dipengaruhi oleh beberapa faktor nonlinear dari amplifier. Beberapa faktor nonlinear yang mempengaruhi penurunan kwalitas amplifier meliputi noise Amplified Spontaneous Emission (ASE), dispersi kromatik, Self Phase Modulation (SPM), Group Velocity Distortion (GVD), Four Wave Mixing (FWM), Stimulated Brillouin Scattering (SBS), serta efek polarisasi. Sedangkan faktor nonlinear yang spesifik terjadi pada transmisi WDM adalah Stimulated Raman Scattering (SRS), Cross Phase Modulation (XPM) yang berkaitan dengan interferensi antar sinyal untuk panjang gelombang yang bersebelahan. Pada sistem transmisi panjang gelombang tunggal, FWM menyebabkan interferensi antara pulsa sinyal dengan noise ASE dari amplifier. Sedangkan XPM, FWM, SRS pada sistem transmisi WDM menyebabkan interferensi antara pulsa sinyal dengan ASE, dan juga antara pulsa sinyal dengan panjang gelombang yang bersebelahan. Sehingga secara keseluruhan efek nonlinear amplifier yang mungkin terjadi untuk in-line amlifier dengan transmisi WDM adalah lebih besar daripada untuk transmisi panjang gelombang tunggal. 2

3 Transmisi panjang gelombang tunggal dan WDM Noise ASE Dispersi kromatik SPM + GVD FWM (signal+ase) SBS Efek polarisasi Penurunan kwalitas transmisi: Distorsi Spektral Distorsi Temporal Crosstalk Transmisi WDM FWM SRS XPM Gambar 1. Faktor penurunan kwalitas transmisi yang terjadi pada transmisi panjang gelombang tunggal dan transmisi WDM [2]. Beberapa faktor nonlinear tersebut akan semakin bertambah besar (terakumulasi) dengan penggunaan serat EDF yang semakin panjang. Oleh karena itu beberapa faktor diatas sangat perlu diperhatikan dalam menentukan panjang EDF dalam mendesain EDFA untuk hasil yang optimum. Untuk lebih meningkatkan performa in-line amplifier, dapat digunakan beberapa EDFA yang dirancang secara seri. Hal ini bertujuan untuk mengahsilkan gain yang lebih besar serta noise figure yang rendah. Performa in-line amplifier juga diharapkan dapat menguatkan sinyal dari saluran transmisi dengan jumlah kanal dan bit rate yang besar. Namun berdasarkan beberapa percobaan, dengan tetap mempertahankan niali SNR, ternyata gain yang dihasilkan akan lebih rendah bila kita menggunakan bit rate yang lebih tinggi [2]. Selain itu dengan jarak transmisi yang semakin panjang, total gain dari amplifier akan semakin berkurang. Untuk itu kita harus menempatkan beberapa amplifier disepanjang saluran transmisi dengan jarak tertentu untuk tetap mempertahankan besar gain yang diinginkan. Sehingga perancangan EDFA sebagai in-line amplifier harus disesuaikan dengan bit rate transmisi dan panjang saluran transmisi untuk menentukan jumlah EDFA dan jarak antar amplifier yang dipasang sepanjang saluran transmisi. In-line - Transmisi panjang gelombang tunggal Komunikasi serat optik diterapkan dengan menggunakan teknik multipleksing berbasis time domain (TDM) dimana setiap kanal memanfaatkan satu panjang gelombang untuk mengirimkan informasi. Sejak tahun 1989, banyak dilakukan penelitian dan percobaan untuk in-line amplifier transmisi jarak jauh dengan satu panjang gelombang. Penelitian berkembang untuk meningkatkan bit rate, jarak transmisi, dan jumlah kanal informasi. Salah satu percobaan yang mendemonstrasikan EDFA untuk transoceanic, untuk jarak transmisi km, bit rate 2.5Gb/s, dengan modulasi pulsa NRZ, menghasilkan Bit Error Rate (BER) 10-9 [4]. Untuk percobaan ini digunakan EDFA dengan panjang gelombang pemompa 1480nm menggunakan konfigurasi counterpump. Dapat dibayangkan dengan implementasi ini, kita dapat menggelar komunikasi dengan jarak yang sangat jauh. Berikut ini beberapa percobaan EDFA untuk transmisi panjang gelombang tunggal yakni pada 1.5µm. Tahun Tabel.2. Perkembangan EDFA pada Transmisi Panjang Gelombang Tunggal [2] Bit Rate (Gb/s) Panjang Transmisi Kapasitas (Gb/s. km) Jarak Antar / In-line -Transmisi WDM Percobaan selanjutnya semakin berkembang untuk meningkatkan jumlah kanal informasi. Peningkatan jumlah kanal dapat dilakukan dengan menggunakan teknik transmisi WDM. Namun perancangan EDFA untuk transmisi ini lebih kompleks karena beberapa faktor dispersi tidak hanya terjadi untuk satu sinyal, namun juga harus diperhatikan pengaruhnya terhadap sinyal dengan pusat panjang gelombang disebelahnya (interferensi antar sinyal dengan panjang gelombang berbeda). Penggunaan EDFA pada transmisi WDM harus memperhatikan tingkat bit rate, karena dengan bit rate yang semakin tinggi akan meningkatkan peluang terjadinya noise atau interferensi antar sinyal. Hal ini akan berkaitan dengan semakin meningkatnya BER. Untuk itu pada perancangan amplifier untuk transmisi multiwavelentgh ini sangat penting memperhatikan nilai optimum dari setiap parameter transmisi. Tahun Tabel.3. Perkembangan EDFA pada Transmisi WDM [2] kanal Bit Rate Gb/s Panjang Transmisi Kapacitas (Gb/s km) Jarak Antar , ,111 11, , , , , , , , , ,300 1,488, / , , , , , ,850 1,844, ,200 2,304,

4 Selain itu masalah yang menjadi perhatian penting, yang merupakan karakteristik EDFA untuk transmisi WDM adalah tingkat gain yang tidak sama untuk panjang gelombang yang berbeda. Hal ini disebabkan karena perbedaan tingkat absorpsi dan emisi dari EDFA. Gambar 2 menunjukan hasil penguatan sinyal dengan panjang gelombang yang berbeda ( nm). 3. KESIMPULAN EDFA dapat digunakan sebagai in-line amplifier pada sistem transmisi panjang gelombang tunggal dan sistem transmisi WDM. Performa EDFA pada sistem transmisi tertentu dipengaruhi oleh pemilihan parameter EDFA, dan komponen yang terintegrasi. Selain itu juga perlu diperhatikan efek nonlinear amplifier yang dapat menyebabkan dispersi sinyal. Desain EDFA untuk kedua jenis transmisi tersebut cukup berbeda. Efek nonlinearitas EDFA untuk transmisi WDM akan lebih besar, yang berkaitan dengan dispersi sinyal yang dapat menginterferensi sinyal dengan panjang gelombang berbeda. Sedangkan untuk transmisi panjang gelombang tunggal efek nonlinear hanya akan menyebabkan dispersi pada sinyal tunggal. Selain itu perataan tingkat gain merupakan desain penting untuk EDFA dengan transmisi WDM. Gambar 2. Gain untuk beberapa sinyal dengan panjang gelombang yang berbeda dengan daya pemompa yang berbeda [5]. Hasil percobaan diatas dilakukan dengan menggunakan panjang gelombang pemompa 980nm, dengan panjang EDF 16m, untuk daya sinyal input -25dBm. Dapat dilihat bahwa tingkat gain yang tidak merata untuk setiap panjang gelombang yang berbeda, dan dengan penggunaan daya pemompa yang lebih kuat meskipun menghasilkan gain yang lebih besar, namun semakin memperbesar perbedaan tingkat gain. Sehingga pada perkembangan selanjutnya banyak dilakukan penelitian untuk meratakan tingkat gain untuk setiap pulsa sinyal dengan panjang gelombang yang berbeda. Beberapa teknik perataan gain adalah: a Glass composition methods, perataan dilakukan dengan pemilihan komposisi bahan serat optik yang akan didoping erbium (seperti silica, fluoride, tellurite dll), karena untuk setiap tipe serat optik yang berbeda akan b dihasilkan tingkat spektrum gain yang berbeda. Passive element methods, perataan dilakukan dengan mengunakan komponen optik pasif filter (seperti FBG, Mach-Zender filter, interferometer filter) dengan memanfaatkan karakteristik superposisi gain dari hasil keluaran amplifier dan filter. c Hybrid methods, perataan dilakukan dengan menggunakan multistage amplifier secara serial ataupun paralel, dengan memanfaatkan superimpose dari spektral gain yang dihasilkan dari setiap jenis amplifier yang digunakan. Berdasarkan perbandingan desain EDFA untuk transmisi panjang gelombang tunggal dan transmisi WDM, dapat disimpulkan pula bahwa perancangan EDFA untuk transmisi WDM membutuhkan komponen lebih untuk melakukan fungsi perataan gain. 4. DAFTAR PUSTAKA [1]. Agrawal, P Govind, Fiber-Optic Communication Systems. John Willey & Sons, Inc ( ). [2]. Becker,P.C. Erbium-Doped Fiber s: Fundamentals and Technology, Academic Press, London ( ). [3]. Cheng Cheng. A global design of an erbium-doped fiber and an erbium-doped fiber amplifier. Optics & Laser Technology ( ). [4]. N. S. Bergano, J. Aspell, C. R. Davidson, P. R. Trischitta, B. M. Nyman, and F. W. Kerfoot, "A 9000 km 5 Gb/s and 21,000 km 2.4 Gb/s feasibility demonstration of transoceanic EDFA systems using a circulating loop". Conference on Optical Fiber Communication, Vol. 4, ( ). [5]. Thabiso J. Nhlapo. Gain Equalization of Erbium Doped Fibre s with tuneable Long-Period Gratings. Rand Afrikaans University (23-45). [6].. Dasar Sistem Komunikasi Optik. OPTICAL ACCESS NETWORK. Bandung. PT. Telekomunikasi Indonesia,Tbk :

5 5