Serat Optik (Optical Fiber)

Serat Optik

Serat optik atau optical fiber merupakan suatu kabel yang berfungsi untuk mentransmisikan sinyal-sinyal digital dalam bentuk gelombang cahaya. Susunan utama serat optik ialah sebagai berikut:

1. core, merupakan serabut kaca mikroskopis yang berdiameter sekitar 10 μm – 60 μm. Di bagian inilah cahaya ditransmisikan. core dibuat dari kaca murni untuk membuat daya serapnya menjadi sekecil mungkin dan ukurannya dibuat setipis mungkin agar tak mudah patah/retak.
2. cladding, serat kaca yang membungkus core. Seperti halnya core, cladding juga terbuat dari kaca murni dan indeks biasnya lebih kecil daripada core agar dapat memantulkan kembali cahaya yang mengarah keluar dari core kembali kedalam core lagi.
3. Buffer, terbuat dari resin atau plastik untuk menambah kekuatan untuk kabel serat optik, walaupun tidak memberikan peningkatan terhadap sifat gelombang pandu optik pada kabel tersebut. Namun lapisan resin ini dapat menyerap cahaya dan mencegah kemungkinan terjadinya kebocoran cahaya yang keluar dari selubung inti. Serta hal ini dapat juga mengurangi cross talk yang mungkin terjad.
4. jacket atau pembungkus terluar, terbuat dari karet kuat yang membungkus buffer (bisa lebih dari satu) untuk melindungi serat optik dari kelembaban dan gangguan luar.

Pembagian serat optik dapat dilihat dari 2 macam perbedaan :

1. Berdasarkan mode yang dirambatkan :
   1. Single mode : serat optik dengan inti (core) yang sangat kecil (biasanya sekitar 8 – 10 mikron), diameter intinya sangat sempit mendekati panjang gelombang cahaya yang masuk ke dalamnya tidak terpantul-pantul ke dinding selongsong (cladding). Bahagian inti serat optik single-mode terbuat dari bahan kaca silika (SiO2) dengan sejumlah kecil kaca Germania(GeO2) untuk meningkatkan indeks biasnya. Untuk mendapatkan performa yang baik pada kabel ini, biasanya untuk ukuran selongsongnya adalah sekitar 15 kali dari ukuran inti (sekitar 125 mikron). Kabel untuk jenis ini paling mahal, tetapi memiliki pelemahan (kurang dari 0.35 dB per kilometer), sehingga memungkinkan kecepatan yang sangat tinggi dari jarak yang sangat jauh. Jenis single mode digunakan untuk mentransmisikan sinar laser (1.300 nm – 1.550 nm)
   2. Multi mode : serat optik dengan diameter core yang agak besar (sekitar 62,5 mikron) yang membuat laser di dalamnya akan terpantul-pantul di dinding cladding yang dapat menyebabkan berkurangnya bandwidth dari serat optik jenis ini. Multi mode dapat mentransmisikan sinar inframerah dari LED dengan panjang gelombang 850 nm hingga 1.300 nm.
2. Berdasarkan indeks bias core
   1. Step indeks : pada serat optik step indeks, core memiliki indeks bias yang homogen.
   2. Graded indeks : indeks bias core semakin mendekat ke arah cladding semakin kecil. Jadi pada graded indeks, pusat core memiliki nilai indeks bias yang paling besar. Serat graded indeks memungkinkan untuk membawa bandwidth yang lebih besar, karena pelebaran pulsa yang terjadi dapat diminimalkan.

Prinsip Kerja

Serat optik tersusun dari core yang merupakan lintasan bagi impuls cahaya yang diselubungi oleh cladding, buffer dan jacket. Agar dapat mentransmisikan data-data digital untuk komunikasi dan sebagainya diperlukan setidaknya dua core, satu sebagai transmitter (pengirim) dan satu sebagai receiver (penerima). Data yang ingin ditransmisikan dikodekan (encoding) menjadi data digital yang kemudian dibangkitkan dalam bentuk impuls-impuls sinar sebagai fungsi waktu. Sinar dikirimkan dalam bentuk impuls dari suatu pembangkit impuls seperti laser atau LED yang kemudian dijalarkan melalui serat optik (kabel transmitter). Setelah sampai pada penerima, impuls-impuls tadi diterjemahkan kembali (decoding) dalam data digital yang kemudian ditampilkan oleh instrumen digital. encoding dan dan decoding dapat dibangun dalam sistem biner (on-off) yang dikirimkan melalui impuls dengan periode tertentu.

Transmisi Cahaya dengan Refleksi

Menggunakan rumus pembiasan cahaya yang merambat pada medium yang berbeda di mana n ialah indeks bias medium

Agar cahaya dibiaskan kearah dalam maka θ₂ harus lebih besar daripada θ₁, sehingga n₁ > n₂. Untuk mengurangi cahaya keluar dari core, maka θ₂ haruslah lebih besar daripada 90º sehingga didapatkan sudut minimal bagi θ₁ yaitu:

Jadi agar tidak ada cahaya yang lolos dari core maka sudut cahaya terhadap garis normal θ harus lebih besar dari sin^-1 (n₂/n₁), atau jika sudut datang diukur dari bidang pantul α = 90º - θ.

Persoalan kemudian ialah apakah cahaya bisa lolos dari core sehingga menyebabkan energy loss melalui pemantulan ini? Jika sudut awal sinar, θ₁ > θ_C, maka sinar akan dipantulkan dengan sudut

Karena n₁/n₂ > 1 dan nilai sin x semaikin besar jika x semakin besar dalam rentang 0º – 90º maka:

Untuk 0° < θ < 90°. Jika dilakukan kalkulasi arcus sinus terlihat pada suatu nilai θ2 akan mencapai maksimum dan mengecil lagi hingga tak terlihat efek pemantulan. Dengan pengamatan sederhana, diperoleh bahwa rumus ini berlaku untuk sudut lebih besar daripada 90° karena nilai sin(90° – x ) = sin(90° + x), dan yang terjadi ialah sin(90 + x). Mengingat hubungan yang nampak pada gambar diketahui α₁ = 90° – θ₁ dan α₂ = 90° – θ₂ sehingga

Jadi didapatkan sudut pantul (diukur dari garis normal) selalu lebih besar daripada sudut datang, sehingga jika pulsa cahaya terus terefleksi berkali-kali, sudut datangnya akan semakin besar sehingga akan selalu lebih besar dari critical angle. Dengan kata lain sudut pantul diukur dari bidang pantul (α) semakin melandai. Jadi asalkan sudut awal dari cahaya lebih besar dari critical angle dan serat optik dalam keadaan lurus, cahaya tidak akan mungkin keluar dari core yang biasa disebut total internal reflection. Namun demikian, dimungkinkan munculnya sudut θ yang lebih kecil daripada θ_C yakni ketika serat optik dalam keadaan bengkok (bending).

Pelemahan Intensitas (attenuation)

Dalam perambatannya melalui serat optik, cahaya mengalami pelemahan intensitas akibat adanya cahaya yang “kabur" ke luar selama perjalanan (loss energy). Penyebab pelemahan intensitas ini dapat digolongkan menjadi dua, yakni faktor intrinsik dari serat optik dan faktor ekstrinsik (misalnya pada instalasi).

Pelemahan akibat faktor intrinsik dapat disebabkan oleh adsorbsi cahaya oleh pengotor dalam material core. Pengotor paling utama yang menyebabkan serapan ini adalah ion OH-, yang menyerap cahaya paling banyak pada panjang gelombang sekitar 1.250 nm dan sekitar 1.380 nm. Oleh karena itu, panjang gelombang cahaya yang digunakan (disebut daerah kerja) harus menghindari daerah sekitar situ. Selain adsorbsi, faktor internal lain yang berpengaruh adalah hamburan Rayleigh (Rayleigh scattering). Hamburan Rayleigh ialah hamburan yang disebabkan oleh partikel yang ukuran linearnya jauh lebih kecil daripada panjang gelombang cahaya. Besarnya pelemahan oleh hamburan Rayleigh berbanding terbalik dengan λ⁴. Dengan demikian daerah kerja serat optik harus menghindari panjang gelombang pendek, karena memiliki pelemahan akibat hamburan yang besar. Berdasarkan faktor adsorbsi dan hamburan, daerah kerja yang digunakan pada serat optik pada umumnya berada di 1.300 nm atau 1.550 nm. Faktor intrinsik lain adalah microbend ng, variasi diameter core, dan cacat pabrik lainnya.

Sekarang giliran faktor eksternal. Faktor eksternal yang dapat menyebabkan hilangnya energi cahaya antara lain bengkokan (bending) dan penyambungan, baik penyambungan antar kabel maupun penyambungan ke konektor. Bengkokan dapat menyebabkan hilangnya energi karena bengkokan berarti mengubah sudut kritis serat optik menjadi lebih besar. Akibatnya, makin sedikit berkas cahaya yang dapat direfleksi, selebihnya keluar menembus cladding. Adapun sambungan menyebabkan hilangnya energi karena sambungan yang tidak presisi (tidak pas, agak meleset) atau perbedaan indeks bias antara dua serat yang disambungkan karena adanya pengotor yang terperangkap antara sambungan (biasanya air atau udara).

Untuk mengukur pelemahan energi ini digunakan suatu fraksi yang menyatakan perbandingan intensitas cahaya yang diteruskan serat optik ke ujung lain (output) dibanding intensitas cahaya yang masuk ke serat optik (input), yang biasanya ditulis sebagai koefisien pelemahan, α.

Dengan x adalah panjang serat optik, I(x) adalah intensitas cahaya yang tersisa dalam serat sepanjang x, I₀ adalah intensitas awal (sumber) dan α adalah koefisien pelemahan. Perhatikan bahwa nilai dari α selalu negatif. Selain itu, juga dapat α dinyatakan dalam satuan dB/km, yakni:

Dari kedua hubungan di atas diperoleh α(dB/km) = 4,343 α.