PENGENALAN OPTICAL AMPLIFIER DI DALAM SISTEM KOMUNIKASI OPTIK

Transkripsi

1 JETri, Volume 4, Nomor 2, Februari 2005, Halaman 17-24, ISSN PENGENALAN OPTICAL AMPLIFIER DI DALAM SISTEM KOMUNIKASI OPTIK Sunarto Dosen Jurusan Teknik Elektro-FTI, Universitas Trisakti Abstract Attenuation an Optical Communication Lk always causes the transmitted signal power become as lower as the length of the fiber become longer. For a long distance communication lk like submare cable needs a repeater to amplify the optical signal power that transmitted the fiber. The most popular repeater long distance communication lk is Optical Repeater with its Optical Amplifier. This paper is an troduction of an Optical Amplifier. The most important part of an optical amplifier is the Active Medium. The active medium of an amplifier normally consist of 10 to 30 m length of optical fiber that has been slightly doped (e.g., 1000 ppm weight) with a rare earth element such as erbium (Er) for 1550 nm wavelength and Praseodymium (Pd) for 1300 nm wavelength, and the host fiber material can be either standard silica, fluorite-based glass or multi-component glass. The optical amplifier that consists of fiber doped with Erbium is called EDFA (ERBIUM DOPED FIBER AMPLIFIER). The simplified energy level concept of an EDFA and its basic operation how the photon signal could be amplified when come through the active medium is simply troduced. Besides, the basic architecture of an EDFA, three configurations of the pumpg direction of pump laser to the active medium and the amplifier ga of an ADFA are also described. Keywords: Optical repeater, active medium, EDFA (erbium doped fiber amplifier) 1. Pendahuluan Pada suatu sistem komunikasi jarak jauh, repeater adalah suatu bagian yang akan memperkuat dan memperbaiki signal yang sudah menurun karena jarak yang jauh. Dalam sistem komunikasi optik, repeater dapat berupa Repeater Elektronik atau dapat berupa Repeater Optik. Repeater elektronik mempunyai beberapa kelemahan karena signal pertama-tama mengalami konversi dari optik ke listrik, kemudian diperkuat secara elektronik dan sesudah itu koversi kembali dari listrik ke optik, akibatnya terjadi penurunan kualitas pada signal. Disampg itu akan sangat kompleks dan mahal untuk sistem yang high.speed dan multi wave length. Untuk mengatasi hal i, banyak usaha telah dilakukan, sehgga diperoleh suatu repeater yang serba optik yaitu signal optik yang sudah

2 JETri, Tahun Volume 4, Nomor 2, Februari 2005, Halaman 17-24, ISSN lemah tidak dikonversi lagi ke listrik melakan langsung diperkuat secara optik (Optical Amplifier) sehgga diperolah signal optik keluaran yang sudah diperkuat. Optical Amplifier i tidak hanya diaplikasikan pada pot to pot lk jarak jauh seperti kabel bawah laut (submare cable), dimana Optical Amplifier i ditempatkan di tengah-tengah laut, saat i juga banyak digunakan untuk jargan LAN dengan berbagai kemungkan konfigurasya. Karena perkembangan teknologi transmisi dalam WDM (Wavelength Division Multiplexg) maupun D-WDM (Dense-Wavelength Division Multiplexg) yang mana membutuhkan daya yang mak besar, maka suatu High Power Optical Amplifier yang mencapai daya 1,5 Watt juga telah dikembangkan. 2. Optical Amplifier Dalam optical amplifier tidak ada konversi signal dari optik ke listrik dan sebaliknya, sehgga degradasi signal akibat konversi dan penguatan secara elektronik dalam repeater tidak mungk ada. Secara umum terdapat 4 tipe optical amplifier yaitu (Selvarajan, 2002: ): a. EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) b. FRA (Fiber Raman Amplifier) c. SLA (Semiconductor Laser Amplifier) d. Integrated optical amplifier Optical Amplifier merupakan devais yang dapat bekerja bidirectional dan cukup lear untuk operasi multi wavelength seperti pada sistem Wave Length Division Multiplexg (WDM). Blok diagram suatu Basic Operation dari Generic Optical Amplifier dapat dilihat pada gambar 1. pada halaman berikut i. Bagian terpentg dari optical amplifier adalah Active Medium. Active medium i merupakan potongan fiber yang telah diberi sedikit dopg (yaitu 1000 ppm berat) dengan unsur-unsur tanah jarang (Rare Earth Elements) seperti Erbium (Er) dan Ytterbium (Yb) yang bekerja pada wdow 1550 nm, sedangkan untuk wdow 1300 nm digunakan unsur Neodymium (Nd) dan Prasedymium (Pd). 18

3 Sunarto, Perbandgan Pengenalan Optical Amplifier Di Dalam Sistem Komunikasi Optik Fiber-to-amplifier couplers Optical put signal Active medium source Amplified optical put Gambar 1. Basic Operation dari Generic Optical Amplifier (Senior, 1992: 123) 3. Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA) EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) adalah suatu system optik yang dapat mengurangi biaya serta mengkatkan network performance dalam sistem komunikasi optik. Beberapa keuntungan dari EDFA adalah sebagai berikut (Selvarajan, 2002: ): a. High ga (~ 50 db) b. High put power (> 100 mw) c. Low noise figure (~ 4 db) d. Less ga variation e. Wide band operation baik untuk WDM f. Low sertion loss g. Cross talk immunity di dalam sistem multichannel h. Low power untuk pumpg source. EDFA adalah Optical Amplifier yang bekerja pada panjang gelombang 1550 nm dan memiliki active medium berupa fiber silica sepanjang 10 meter 30 meter yang diberi sedikit dopg unsur Erbium (Er). Optical Amplifier i menggunakan Optical g dengan menggunakan cahaya (photon) dengan panjang gelombang yang lebih pendek. Untuk memahami cara kerja dari EDFA i lihat diagram level enersi dan berbagai proses transisi dari ion Er 3+ dalam Silica yang 19

4 transition transition Spontaneous emission Stimulated absorption Stimulated emission JETri, Tahun Volume 4, Nomor 2, Februari 2005, Halaman 17-24, ISSN disederhanakan yang ditunjukkan oleh gambar 2 pada halaman berikut i. Sebagaimana konsep level enersi dari suatu atom selalu terdiri dari Ground state Band, Excited state Band dan Band Gap, maka pada ion Er 3+ i terdapat suatu band tambahan yang disebut Metastable Band. Energy 4 11/ / 2 band Fast nonradiative Decay to lower state Metasble band 4 15/ 2 Ground-state band Gambar 2. Simplified energy-level dari berbagai proses transisi untuk ion Er 3+ dalam Silica. (Gerd Keiser, 2000: ) Metastable Band berada di atas Ground-State Band kurang lebih 0,814 ev s/d 0,841 ev dihitung dari level bawah dari Ground State Level, i bersesuaian dengan panjang gelombang photon 1527 nm s/d 1477 nm, sedangkan Band berada 1,27 ev di atas level bawah Ground State Band yang bersesuaian dengan panjang gelombang 980 nm, Band i sangat sempit. Band Gap antara level bawah Metastable Band dengan level atas dari Ground-State Band adalah kurang lebih 0,775 ev, hal i bersesuaian dengan panjang gelambang 1600 nm. Suatu laser pump dengan panjang gelombang 980 nm digunakan untuk mengeksitasi ion-ion Er dari ground state level bawah ke pump level, hal i tampak pada proses (1) dalam gambar 2. Ion-ion yang terseksitasi i 20

5 Sunarto, Perbandgan Pengenalan Optical Amplifier Di Dalam Sistem Komunikasi Optik akan segera decay (kurang lebih 1 μs) dari pump level ke metastable band ditunjukkan oleh proses (2). Selama transisi i enersi dilepas dalam bentuk panas atau vibrasi, ion-ion terseksitasi yang berada di metastable band cendrung berkumpul di level bawah dari metastable band. Kemungkan panjang gelombang laser pump yang la adalah 1480 nm, energi photon i agak mirip dengan photon signal hanya sedikit lelih tggi. Energi photon 1480 nm yang diserap akan mengeksitasi elektron dari ground state dan langsung ke metastable band bagian level atas seperti tampak pada proses (3), elektron-elektron i cendrung turun ke level lebih bawah dari metastable band tampak pada proses (4) dan kemudian kembali ke ground state tanpa adanya rangsangan photon signal dari luar seperti ditunjukkan oleh proses (5). Transisi i disebut Spontaneous Emission dan merupakan noise dalam optical amplifier. Proses (6) menunjukkan adanya photon signal yang diserap oleh ion-ion sehgga naik ke level metastable band. Kemudian photon signal i akan mentrigger ion-ion teresksitasi yang berada di metastable band untuk kembali ke ground state secara bersama-sama dengan menghasilkan emisi photonphoton baru yang sama dengan photon signal. Beda level antara metastable level dengan ground state level akan menghasilkan emisi terrangsang (stimulated emission) yang besar pada panjang gelombang antara nm. Disi akan tampak terjadi penguatan signal sacara optik. 4. Arsitektur EDFA Sebuah Optical Amplifier terdiri dari sepotong doped fiber, satu atau lebih pump laser, sebuah passive wavelength coupler, optical isolator dan tap coupler seperti ditunjukkan oleh gambar 3 berikut: WSC EDFA laser (a) 21

6 JETri, Tahun Volume 4, Nomor 2, Februari 2005, Halaman 17-24, ISSN WSC EDFA laser (b) WSC EDFA laser WSC laser (c) Gambar 3. Tiga kemungkan konfigurasi EDFA (Gerd Keiser, 2000: ). (a). codirectional pumpg. (b). counterdirectional pumpg. (c). dual pumpg WSC (Wavelength Selector Coupler) berfungsi untuk memasukkan kombasi daya pump dan signal ke dalam fiber untuk pasangan panjang gelombang 980/1550 nm atau 1480/1550 nm. coupler i sangat sensitif terhadap panjang gelombang dan tipikal split rasio 99 : 1 atau 95 : 5 di kedua pihak dari optical amplifier untuk membandgkan signal put dan signal put yang telah diperkuat. (Optical Isolator) berfungsi untuk mencegah pemantulan signal yang telah diperkuat kembali ke dalam devais, hal mana akan menambah noise dan menurunkan effisiensi. Cahaya pump biasanya dijeksikan ke fiber dalam arah yang sama dengan arah signal, cara i dikenal dengan codirectional pumpg dan ditunjukkan oleh gambar 3a. Bila arah cahaya pumpg berlawanan dengan arah signal seperti dalam gambar 3b, maka disebut counterdirectional pumpg. Bila kombasi keduanya diatas diaplikasikan bersama-sama, maka i disebut dual pumpg, ditunjukkan oleh gambar 3c. Dual pumpg memiliki ga resultan yang lebih besar diantara ketiganya. Codirectional 22

7 Sunarto, Perbandgan Pengenalan Optical Amplifier Di Dalam Sistem Komunikasi Optik pumpg memiliki noise performance yang baik namun memiliki ga yang palg kecil. Disampg itu pumpg dengan 980 nm lebih baik dibandgkan dengan pumpg 1480 nm karena noise yang lebih kecil dan dapat mencapai populasi versi yang lebih besar. 5. Optical Amplifier Ga Suatu parameter pentg dari optical amplifier adalah amplifier ga (G) yang didefisikan sebagai berikut: G P s, (1) P s, Dimana: P s, : daya put signal P s, : daya put signal dari optical amplifier Daya ouput signal tergantung pada daya put dari laser pump dan panjang gelombang dari cahaya signal dan panjang gelombang cahaya laser pump dan dyatakan dengan persamaan yang disebut prciple of energy conversion sebagai berikut: (2) p P s, Ps, Pp, s Dimana: p : panjang gelombang dari cahaya laser pump s : panjang gelombang dari cahaya signal P p, : daya dari laser pump. Dari persamaan (2) tampak bahwa enersi yang diserap oleh EDFA tidak mungk lebih besar dari enersi laser pump. Kombasi kedua persamaan diatas menghasilkan persaman berikut: ppp, G 1 (3) P s s, 23

8 JETri, Tahun Volume 4, Nomor 2, Februari 2005, Halaman 17-24, ISSN Untuk daya signal (P s, ) yang sangat besar akan diperoleh unity ga yaitu G = 1 dan optical amplifier i seolah-olah transparan bagi signal 6. Kesimpulan a. Repeater dalam Sistem Komunikasi Optik dapat berupa repeater elektro-optik maupun repeater optik. Pada repeater optik signal optik yang sudah lemah langsung diperkuat tanpa dikonversikan ke dalam listrik terlebih dahulu, repeater i dikenal dengan Optical Amplifier. b. Medium aktif dari Optical Amplifier adalah sepotong fiber yang diberi sedikit dopg unsur-unsur tanah jarang seperti: Erbium (Er) untuk panjang gelombang 1550 nm dan Praseodymium (Pd) untuk panjang gelombang 1300 nm. Medium aktif i merupakan bagian ti dari Optical Amplifier. c. Cahaya pumpg dapat di masukkan kedalam fiber searah dengan arah signal (codirectional pumpg), berlawanan arah dengan arah signal (counterdurectional pumpg) atau kombasi keduanya (dual pumpg). d. Daya optik keluaran dari optical amplifier sangat tergantung pada daya laser pump, panjang gelombang cahaya signal dan panjang gelombang cahaya laser pump, dimana penambahan daya pada daya put tidak mungk melebihi daya dari laser pump. Daftar Pustaka 1. A Selvarajan, S Kar, T Srivas Optical Fiber Communication. Mc Graw Hill International Edition. 2. Gerd Keiser Optical Fiber Communications. Mc Graw Hill International Edition. 3. J.W Senior, Optical Fiber Communications. New Jersey: Prentice Hall International series Optoelectronics. 24