ANALISA RUGI-RUGI PELENGKUNGAN PADA SERAT OPTIK SINGLE MODE TERHADAP PELEMAHAN INTENSITAS CAHAYA Yovi Hamdani, Ir. M. Zulfin, MT Konsentrasi Teknik Telekomunikasi, Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara (USU) Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 INDONESIA e-mail: yovie77@gmail.com ABSTRAK Pelengkungan yang terjadi pada sebuah kabel serat optik sangat berpotensi menimbulkan rugi daya yang cukup serius dan lebih jauh lagi menyebabkan pecahnya serat optik. Oleh karena itu perlu dilakukan pengukuran pengaruh pelengkungan serat optik terhadap rugi daya yang dihasilkan ketika serat optik dilengkungkan. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui perubahan intensitas cahaya keluaran yang melalui serat optik plastik. Tulisan ini hanya membahas mengenai perhitungan keluaran cahaya yang telah dipengaruhi oleh lekukan pada serat optik. Dari analisa yang dilakukan dengan panjang kabel fiber optik 100 m, redaman sebesar 0,2 db/km dan radius pelengkungan yang bervariasi dengan radius pelengkungan sebesar 15 cm, 10 cm, 7 cm, 5 cm dan 2,25 cm, maka diperoleh rugirugi pelengkungan serat optik berturut-turut : -0,366 db, -0,312 db, -0,689 db, -0,914 db dan -1,658 db. Kata Kunci : Rugi-rugi, Serat, Pelengkungan, Redaman, Radius 1. Pendahuluan Semakin padatnya terowonganterowongan (subduct) kabel saat ini untuk mengurangi kemacetan membutuhkan kabel-kabel yang lebih kecil yaitu dengan menggunakan fiber optik. Teknologi fiber optik merupakan suatu jaringan konstruksi media yang menyediakan bandwidth besar yang tidak dipengaruhi interferensi gelombang elektromagnetik, bebas korosi dan rugi-rugi minimal untuk transportasi data. Karena fiber optik mampu mentransmisikan sinyal yang jauh, maka dalam instalasi fiber optik dibutuhkan beberapa lilitan untuk menjaga fiber tersebut sewaktu memuai karena panas. Dari lilitan tersebut akan terjadi rugi-rugi yang disebut rugi-rugi pelengkungan (macrobend). Dalam Tulisan ini akan dianalisa perhitungan rugi-rugi yang terjadi akibat pelengkungan serat optik tersebut. 2. Struktur Dasar Kabel Serat Serat optik terbuat dari bahan dielektrik yang berbentuk seperti kaca (glass). Di dalam serat inilah energi listrik diubah menjadi cahaya yang akan ditransmisikan sehingga dapat diterima di ujung unit penerima (receiver) melalui transducer. Pada Gambar 1 dapat dilihat struktur dasar kabel serat optik. 1
Gambar 1 Struktur Dasar Kabel Serat Struktur serat optik terdiri dari : 1. Inti (core) Bagian yang paling utama dinamakan bagian inti (core), dimana gelombang cahaya yang dikirimkan akan merambat dan mempunyai indeks bias lebih besar dari lapisan kedua. Terbuat dari kaca (glass) yang berdiameter antara 2μm-125μm, dalam hal ini tergantung dari jenis serat optiknya. 2. Cladding Cladding berfungsi sebagai cermin yaitu memantulkan cahaya agar dapat merambat ke ujung lainnya. Dengan adanya cladding ini cahaya dapat merambat dalam core serat optik. Cladding terbuat dari bahan gelas dengan indeks bias yang lebih kecil dari core. Cladding merupakan selubung dari core. Diameter cladding antara 5μm-250μm, hubungan indeks bias antara core dan cladding akan mempengaruhi perambatan cahaya pada core, yaitu mempengaruhi besarnya sudut kritis. 3. Jaket (coating) Coating berfungsi sebagai pelindung mekanis pada serat optik dan identitas kode warna terbuat dari bahan plastik. Berfungsi untuk melindungi serat optik dari kerusakan. sekitar 9x10-6 meter atau 9 mikro meter. Pada Gambar 2 dapat dilihat bagaimana perambatan gelombang terjadi pada sistem single-mode fibers. Cahaya yang merambat secara paralel di tengah membuat terjadinya sedikit dispersi pulsa. Single-mode fibers mentransmisikan cahaya laser inframerah panjang gelombang 1300-1550 μm). Jenis serat ini digunakan untuk mentransmisikan satu sinyal dalam setiap serat. Serat ini sering dipakai dalam pesawat telepon dan TV (televisi) kabel. Pada Gambar 2 dapat dilihat perambatan gelombang cahaya pada Singel-mode Fibers. Gambar 2 Perambatan Gelombang pada Single-mode Fibers 2. Multi-mode Fibers Multi-mode Fibers mempunyai ukuran inti lebih besar (berdiameter sekitar 6,35x10-5 meter atau 63,5 mikro meter) dan mentransmisikan cahaya inframerah (panjang gelombang 850-1300 nm) dari lampu light-emitting diodes (LED). Pada Gambar 3 dapat dilihat bagaimana perambatan gelombang terjadi pada sistem multi-mode fibers. Serat ini digunakan untuk mentransmisikan banyak sinyal dalam setiap serat dan sering digunakan pada jaringan komputer dan Local Area Networks (LAN). 3. Jenis-jenis Serat Berdasarkan keperluan yang berbedabeda, maka serat optik dibuat dalam dua jenis utama yang berbeda, yaitu singlemode fibers dan multi-mode fibers. 1. Single-mode Fibers Single-mode Fibers mempunyai inti sangat kecil yang memiliki diameter Gambar 3 Perambatan Gelombang pada Multi-mode Fibers 3. Multi-mode Graded Index Pada jenis serat optik ini, core multimode graded index terdiri dari sejumlah lapisan gelas yang memiliki indeks bias 2
yang berbeda, indeks bias tertinggi terdapat pada pusat core dan berangsurangsur turun sampai ke batas corecladding. Akibatnya dispersi waktu berbagai mode cahaya yang merambat berkurang sehingga cahaya akan tiba pada waktu yang bersamaan. Pada Gambar 4 dapat dilihat bagaimana perambatan gelombang terjadi pada sistem multi-mode graded index fibers. Gambar 4 Perambatan Gelombang pada Multi-mode Graded Index Fibers Pada multi-mode Graded Index ini, cahaya merambat karena difraksi yang terjadi pada core sehingga rambatan cahaya sejajar dengan sumbu serat. Dispersi minimum baik jika digunakan untuk jarak menengah, memiliki ukuran diameter core antara 30-60 μm, lebih kecil dari multi-mode step index, dan dibuat dari bahan silica glass dengan harga yang lebih mahal dari serat optik multi-mode step index karena proses pembuatannya lebih sulit.[1] 4. Rugi-rugi karena penggunaaan Serat sebagai Media Transmisi a. Rugi-rugi karena pelengkungan Rugi-rugi ini terjadi pada saat sinar melalui serat optik yang dilengkungkan, dimana sudut datang sinar lebih kecil dari pada sudut kritis sehingga sinar tidak dipantulkan sempurna tapi dibiaskan. Pada Gambar 5, dapat dilihat fiber optik yang melengkung[2]. Gambar 5 Rugi-rugi karena Pelengkungan b. Microbending Loss Rugi-rugi ini termasuk sebagai akibat adanya permukaan yang tidak rata (dalam orde mikro) sebagai akibat proses perbaikan bahan yang kurang sempurna. Pada Gambar 6, dapat dilihat serat optik yang melengkung karena tekanan. Gambar 6 Rugi-rugi karena Microbending Pembengkokan dapat pula terjadi secara tidak sengaja seperti misalnya fiber optik yang mendapat tekanan cukup keras sehingga cahaya yang merambat di dalamnya akan berbelok dari arah transmisi dan hilang. Hal ini tentu saja menyebabkan atenuasi. c. Splicing Loss Rugi-rugi ini timbul karena adanya gap antara dua serat optik yang disambung. Hal ini terjadi karena dimensi serat optik yang demikian kecil sehingga penyambungan menjadi tidak tepat sehingga sinar dari bahan serat optik ke serat optik lainnya tidak dapat dirambatkan seluruhnya. Ada beberapa kesalahan dalam penyambungan yang dapat menimbulakn rugi-rugi splicing, yaitu: 1) Sambungan kedua serat optik membentuk sudut. 3
2) Kedua sumbu berimpit namun masih ada celah diantara keduanya. 3) Ada perbedaan ukuran antara kedua serat optik yang disambung[3]. d. Rugi-rugi Coupling Rugi rugi ini timbul karena pada saat serat optik dikopel/disambungkan dengan sumber cahaya atau photo detektor. Hal ini dapat terjadi karena energiyang diradiasikan oleh sumber optik dapat dimasukkan ke dalam serat optik. [4] 5. Numerical Aperture (NA) Numerical Aperture adalah ukuran atau besarnya sinus sudut pancaran maksimum dari sumber optik yang merambat pada inti serat yang cahayanya masih dapat dipantulkan secara total, dimana nilai NA juga dipengaruhi oleh indeks bias core dan cladding. Ilustrasi numerical aperture dapat dilihat pada Gambar 7 [5]. Gambar 7 Numerical Aperture 6. Atenuasi / Redaman pada Serat Redaman atau Atenuasi adalah rugirugi yang terjadi karena adanya kotoran pada bahan pembuat kaca atau core. Kemurnian kaca tersebut harus sangat steril agar transmisi pada serat optik tidak mengalami rugi-rugi. Pada saat ini, atenuasi pada serat optik adalah 0,2 db. Kemurnian serat optik ini adalah yang terbaik untuk saat ini. Atenuasi sangat berpengaruh besar terhadap rugi-rugi transmisi serat optik. 7. Rugi-rugi Pelengkungan Serat Pada saat pemasangan serat optik pada suatu saluran transmisi akan ada beberapa kondisi yang akan mengubah keadaan fisik dari serat optik tersebut. Misalnya adalah kondisi lapangan/daerah yang berkelok-kelok dan mengharuskan kabel dipasang dengan pelengkungan. Selain itu, tekanan secara fisis dari lingkungan maupun kesalahan instalasi juga akan berpengaruh dalam mengubah kondisi fisik serat optik. Pelengkungan makro adalah pelengkungan kabel optik dengan radius pelengkungan yang mempengaruhi banyaknya pelemahan sinyal yang berpropagasi dalam inti. Adanya pelengkungan dengan radius pelengkungan lebih besar dari radius inti serat optik mengakibatkan sebagian sinyal hilang terutama dalam pelengkungan serat optik. Macrobending dapat diketahui dengan menganalisis distribusi modal pada serat optik. Pada serat optik melengkung, medan pada sisi yang jauh harus bergerak lebih cepat untuk mengimbangi kecepatan medan di inti. Banyaknya sinyal efektif yang masih dapat ditransmisikan diperoleh dari persamaan(1)[6] : { [ ( ) ]}...(1) Untuk jumlah total sinyal yang ada pada serat optik yang tidak melengkung diperoleh dari persamaan(2) : ( )...(2) Dimana : M = Jumlah total sinyal yang ada pada serat optik yang tidak melengkung K = 2π/λ 4
λ = Panjang gelombang (850 nm) R = Radius pelengkungan α = Redaman/Atenuasi = Profil graded index (0,01) a = Radius serat optik (12 µm/2=6 µm) 6. Macrobend / Pelengkungan Serat Macrobend adalah pelengkungan serat optik dengan radius yang lebih panjang jika dibandingkan dengan radius serat optik. Redaman ini dapat diketahui dengan menghitung lengkungan pada serat optik. Banyaknya sinyal efektif yang masih dapat ditransmisikan adalah M eff yang menggunakan persamaan (1). Untuk menghitung M eff, terlebih dahulu dihitung M yang merupakan jumlah total sinyal yang ada pada serat optik yang tidak melengkung yang diperoleh dari persamaan (2), yaitu[6] : ( ) ( ) ( ) Setelah mendapatkan hasil dari M, dapat dilanjutkan perhitungan M eff yang akan dihitung menurut radius pelengkungan serat optik. Untuk menghitung nilai M eff menggunakan persamaan (1). Setelah dilakukan perhitungan pada serat optik yang melengkung dengan radius lengkungan 15 cm, 10 cm, 7 cm, 5 cm dan 2,25 cm didapat hasil yang berbeda pada setiap berkas cahaya yang melewati lengkungan tersebut. Hasil dari perhitungan tersebut dapat dilihat pada Tabel 1. Tabel 1 Hasil Perhitungan Rugi-rugi pelengkungan dengan Radius Lekukan yang Berbeda No α a (db) (db) (cm) Hasil (db) 1 0,2 15-0,366 2 0,2 10-0,312 3 0,2 7-0,689 4 0,2 5-0,914 5 0,2 2,25-1,658 7. Kesimpulan Dari hasil analisa, didapat kesimpulan-kesimpulan sebagai berikut : 1. Atenuasi berpengaruh besar terhadap rugi-rugi pelengkungan serat optik. Makin kecil atenuasi yang terjadi pada serat optik, makin kecil rugirugi pelengkungan (macrobend) yang terjadi pada serat optik. 2. Radius pelengkungan serat optik sangat berpengaruh terhadap rugirugi yang terjadi pada transmisi serat optik. Semakin besar radius lekukan pada serat optik maka semakin kecil rugi-rugi pelengkungan yang terjadi.. 8. Refrensi [1] Ptolemy (ca. 100-ca. 170) Eric Weinstein s World of Scientific Biography. [2] Allard, C. Frederick 1989, Fiber Optics Handbook for Engineers and scientists, McGraw-Hill [3] Brown, T.G 2000, Optical Fibers and Fiber Optic Communications, in Handbook of Optics, Chapter 1, vol IV, hal. 1.44-1.47, SA Press. McGraw-Hill [4] H. Kogelnik, 1964, Coupling and Conversion Coefficients for Optical Modes in Quasi- Optics, 5
Microwave Research Institute Symposia Series, 14, New York: Polytechnic Press, hal. 333-347. [5] Thomas, Sri, Widodo, 1995, Optoelektronika Komunikasi Serat, Cetakan Pertama, Andi Offset, Yogyakarta. [6] Dasar Sistem Komunikasi, Optical Access Network, PT. Telekomunikasi Indonesia, Tbk 6