Transmisi Cahaya Pada Serat Optik. Karakteristik Serat Optik a.

berkurang dan pada akhirnya semua mode cahaya akan tiba pada waktu yang bersamaan di penerima ujung serat optik.

2.1.3. Transmisi Cahaya Pada Serat Optik.

Serat optik mengirmkan data dengan media cahaya yang merambat melalui serat kaca. Lintasan cahaya yang merambat di dalam serat : ƒ Sinar merambat lurus sepanjang sumbu serat tanpa mengalami gangguan. ƒ Sinar mengalami refleksi, karena memiliki sudut datang yang lebih besar dari sudut kritis dan akan merambat sepanjang serat melalui pantulan-pantulan. ƒ Sinar akan mengalami refraksi dan tidak akan dirambatkan sepanjang serat karena memiliki sudut datang yang lebih kecil dari sudut kritis. . Gambar 2.4 : Lintasan cahaya dalam serat optik. Pemanduan cahaya dalam serat optik menggunakan pantulan internal total yang terjadi pada bidang batas antara 2 media dengan indek bias yang berbeda yaitu n1 dan n2. Bila indek bias n1 dari medium pertama lebih kecil dari indek bias medium kedua, maka sinar akan dibiaskan pada media berindeks bias besar dengan sudut i2 terhadap garis normal, hubungan antara sudut datang i1 dan sudut bias i2 terhadap indeks bias dielektrik dinyatakan oleh hukum Snell: a b 2 c Universitas Sumatera Utara = 2 1 SinI SinI 1 2 n n 2.1 Gambar 2.5 : Sinar cahaya datang pada antar muka indek bias Dari gambar terlihat bahwa cahaya dibiaskan menjauhi garis normal.Jika sudut datang terus diperbesar sehingga sudut bias sejajar dengan bidang batas sudut bias 90 ˚ maka apabila sudut datang terus diperbesar setelah sudut bias 90˚, maka tidak ada lagi cahaya yang dibiaskan tetapi dipantulkan sempurna. Sudut datang pada saat sudut biasnya 90 ˚ disebut sudut kritis dan pada saat ini pemantulan yang terjadi adalah pemantulan total sempurna. Dari persamaan 2.1 nilai sudut kritis diberikan oleh : I 1 lim = arc sin ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ 1 2 n n 2.2 Universitas Sumatera Utara

2.2.4. Karakteristik Serat Optik a.

Numerical Aperture NA Numerical Aperture merupakan parameter yang merepresentasikan sudut penerimaan maksimum dimana berkas cahaya masih bisa diterima dan merambat didalam inti serat. Sudut penerimaan ini dapat beraneka macam tergantung kepada karakteristik indeks bias inti dan selubung serat optik. Gambar 2.6 : Proses masuknya cahaya kedalam serat optik. Jika sudut datang berkas cahaya lebih besar dari NA atau sudut kritis maka berkas tidak akan dipantulkan kembali ke dalam serat melainkan akan menembus cladding dan akan keluar dari serat loss. Semakin besar NA maka semakin banyak jumlah cahaya yang diterima oleh serat. Akan tetapi sebanding dengan kenaikan NA menyebabkan lebar pita berkurang, dan rugi penyebaran serta penyerapan akan bertambah. Oleh karena itu, nilai NA besar hanya baik untuk aplikasi jarak-pendek dengan kecepatan rendah. Besarnya Numerical Aperture NA dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut : Λ = − = = 2 sin 1 2 2 2 1 n n n NA maks θ 2.3 Dimana : = 1 n Indeks bias inti 2 n =Indeks bias cladding Δ = Beda indeks bias relatif Universitas Sumatera Utara

b. Redaman

Redaman atau atenuasi adalah besaran pelemahan energi sinyal informasi dari fiber optik yang dinyatakan dalam dB. Redamanatenuasi serat optik merupakan karakteristik penting yang harus diperhatikan mengingat kaitannya dalam menentukan jarak pengulang repeater, jenis pemancar dan penerima optik yang harus digunakan. Besarnya atenuasi atau rugi-rugi daya dinyatakan oleh persamaan berikut : km dB P P L out in log 10 ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ = α 2.4 Dimana: L = Panjang serat optik km in P =Daya yang masuk kedalam serat out P =Daya yang keluar dari serat Redaman serat biasanya disebabkan oleh karena absorpsi, hamburan scattering dan mikro-bending. Semakin besar atenuasi berarti semakin sedikit cahaya yang dapat mencapai detektor dan dengan demikian semakin pendek kemungkinan jarak span antar pengulang. • Absorpsi. Absorpsi merupakan sifat alami suatu gelas. Pada daerah-daerah tertentu gelas dapat mengabsorpsi sebagian besar cahaya seperti pada daerah ultraviolet. Hal ini disebabkan oleh adanya gerakan elektron yang kuat. Demikian pula untuk daerah inframerah, terjadi absorpsi yang besar. Ini disebabkan adanya getaran ikatan kimia. Oleh karena itu sebaiknya penggunaan fiber optik harus menjauhi daerah ultraviolet dan inframerah. Penyebab absorpsi lain adanya transmisi ion-ion logam dan ion OH. Ion OH ini ternyata memberikan sumbangan absorpsi yang cukup besar. Semakin lama usia suatu fiber maka bisa diduga akan semakin banyak ion OH di dalamnya yang menyebabkan kualitas fiber menurun. Universitas Sumatera Utara • Hamburan Seberkas cahaya yang melalui suatu gelas dengan variasi indeks bias di sepanjang gelas tadi, sebagian energinya akan hilang dihamburkan oleh benda benda kecil yang ada di dalam gelas. Hamburan yang disebabkan oleh tumbukan cahaya dengan partikel tersebut dinamakan hamburan Rayleigh. Besarnya hamburan Rayleigh ini berbanding terbalik dengan pangkat empat dari pangjang gelombang cahaya yaitu : 1 . Sehingga dapat disimpulkan untuk lamda kecil, hamburan Rayleigh besar dan sebaliknya. • Mikro-bending Atenuasi lainya adalah atenuasi yang disebabkan mikro-bending yaitu pembengkokan fiber optik untuk memenuhi persyaratan ruangan. Namun 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. Dispersi

Dispersi adalah pelebaran pulsa yang terjadi ketika sinyal merambat sepanjang serat optik. Dispersi akan membatasi lebar pita bandwidth dari serat. Dispersi yang terjadi pada serat secara garis besar ada dua yaitu dispersi intermodal dan dispersi intramodal dikenal dengan nama lain dispersi kromatik disebabkan oleh dispersi material dan dispersi wavegiude. 2.1.5.Keuntungan dan Kerugian Serat Optik • Keuntungan Serat Optik Universitas Sumatera Utara ƒ Mempunyai lebar pita frekuensi bandwith yang lebar.Frekuensi pembawa optik bekerja pada daerah frekuensi yang tinggi yaitu sekitar 13 10 Hz sampai dengan 16 10 Hz, sehingga informasi yang dibawa akan menjadi banyak. ƒ Redaman sangat rendah dibandingkan dengan kabel yang terbuat dari tembaga ƒ Kebal terhadap gangguan gelombang elektromagnet. Fiber optik terbuat dari kaca atau plastik yang merupakan isolator, berarti bebas dari interferensi medan magnet, frekuensi radio dan gangguan listrik. ƒ Dapat menyalurkan informasi digital dengan kecepatan tinggi. ƒ Kemampuan fiber optik dalam menyalurkan sinyal frekuensi tinggi, sangat cocok untuk pengiriman sinyal digital pada sistem multipleks digital dengan kecepatan beberapa Mbits hingga Gbits.Ukuran dan berat fiber optik kecil dan ringan.Diameter inti fiber optik berukuruan micro sehingga pemakaian ruangan lebih ekonomis. ƒ Terbuat dari kaca atau plastik sehingga tidak dapat dialiri arus listrik terhindar dari terjadinya hubungan pendek ƒ Sistem dapat diandalkan 20 – 30 tahun dan mudah pemeliharaannya. •

b. Kerugian Serat Optik

ƒ Konstruksi fiber optik lemah sehingga dalam pemakaiannya diperlukan lapisan penguat sebagai proteksi. ƒ Karakteristik transmisi dapat berubah bila terjadi tekanan dari luar yang berlebihan. ƒ Tidak dapat dialiri arus listrik, sehingga tidak dapat memberikan catuan pada pemasangan repeater. 2.2.FIBER BRAGG GRATING. Sebuah fiber Bragg Grating FBG adalah sebuah variasi periodik dari indeks refraktif yang ada pada sebagian panjang fiber optik. Fiber Bragg Grating FBG merupakan suatu jenis reflektor Bragg yang terdistribusi dalam bentuk segmen-segmen atau kisi Universitas Sumatera Utara dalam serat optik. FBG memantulkan beberapa panjang gelombang cahaya tertentu dan meneruskan sisanya, dimana hal ini dapat terjadi karena adanya penambahan suatu variasi periodik terhadap indeks bias core serat optik. Dengan karakteristik yang dimilikinya tersebut, FBG dapat difungsikan sebagai filter optik optical filter yakni untuk menghalangi panjang gelombang cahaya tertentu yang diinginkan atau sebagai reflektor panjang gelombang cahaya spesifik. Gambar diatas menunjukkan priode Λ yang dimiliki oleh sebuah fiber bragg grating . Secara harfiah grating kisi berarti kumpulan ruang teratur yang pada dasarnya merupakan elemen indentik dan pararel yang dipandang cahaya sebagai reflektor. Pada gambar diatas gtratingnya adalah uniform, sehingga Λ priode bragg grating nya adalah konstan. Adanya grating tersebut di dalam fiber menyebabkan fiber bragg grating merefleksikan panjang gelombang cahaya yang hanya memenuhi kondisi bragg dan mentransmisikan semua panjang gelombang yang lain. Input Refleksi Transmisi Gambar 2.7: Struktur fiber bragg grating beserta spektrum transmisi dan refleksinya. Universitas Sumatera Utara Gambar 2.8: Skematis prinsip kerja sebuah FBG. Bragg grating tersebut dibuat di dalam fiber optik itu sendiri tanpa merubah bentuk fiber dan menjadikannya komponen di dalam fiber. Pembentukan grating terjadi ketika fiber optik diarahkan cahaya UV dengan karakteristik panjang gelombang dan intensitas yang tergantung pada material core. 2.2.1.Prinsip Kerja FBG. FBG bekerja berdasarkan pada prinsip refleksi bragg. Mekanisme kerja dari FBG ditunjukkan dalam Gambar2.8. Dalam inti core suatu fiber optik dibuat kisi-kisi yang mempunyai jarak antar kisi tertentu. Kisi-kisi ini, oleh cahaya, dipandang sebagai reflektor yang membentuk resonator, dimana puncak transmisi dari resonator tersebut tergantung jarak antar kisi-kisinya. Ketika cahaya melalui daerah yang secara priodik berubah-ubah dari indeks refraktif tinggi dan rendah, maka sebagian cahaya akan direfleksikan untuk setiap panjang gelombang yang memenuhi kondisi Bragg, sedangkan wilayah yang lainnya akan ditransmisikan. Panjang gelombang yang ditransmisikan disebut panjang gelombang Bragg. Universitas Sumatera Utara Gambar 2.8 diatas adalah skematis prinsip kerja FBG yang mengilustrasikan bahwa hanya panjang gelombang yang memenuhi kondisi Bragg direfleksikan, secara parsial direfleksikan pada tiap interface diantara daerah tersebut, sedangkan panjang gelombang yang lain diluar fase ditransmisikan diteruskan. Kondisi untuk refleksi tinggi, dikenal sebagai kondisi Bragg ,berkenaan dengan panjang gelombang yang direfleksikan, maka panjang gelombang Bragg Bragg λ dengan priode grating Λ dan indeks refraktif rata-rata eff n diperoleh sesuai dengan persamaan Bragg yaitu: Λ = eff Bragg n 2 λ 2.5 Salah satu fenomena yang menarik dari FBG ini adalah sangat sensitif terhadap perubahan lingkungan seperti suhu, tekanan dan tarikan. Apabila terjadi perubahan jarak kisi karena sesuatu hal misalnya tekanan maupun suhu, maka puncak transmisinya akan berubah. Dari karakteristik inilah maka FBG banyak dikembangkan menjadi sensor suhu maupun sensor strain. 2.2.2.APLIKASI FBG. Pembagian aplikasi utama pada produksi komersial FBG, berdasarkan material corenya yaitu: • Sistem komunikasi fiber optik. ƒ Wavelenght Stabilizer untuk pump laser. ƒ Narroband WDM adddrop filter. ƒ Dispersion Compensation. ƒ Gain-Flattening filter. ƒ Filter Grating Laser. Universitas Sumatera Utara • Fiber Grating sensor. Dalam aplikasinya sebagai sensor pengukuran yang biasanya bisa diukur oleh fiber bragg grating adalah temperatur dan strain. Dalam beberapa literatur menunjukkan FBG sensor bisa digunakan untuk preasure dan dynamic magnetik field. Gambar 2.10 : Fiber bragg grating diberi pengaruh suhu dan strain. Gambar 2.10 menunjukkan pemberian pengaruh suhu dan strain pada fiber bragg grating mengakibatkan adanya perubahan priode grating yang akan mempengaruhi panjang gelombang Bragg. Sifat ini memungkinkan FBG dapat digunakan untuk sensor strain. Bragg grating sensor beroperasi berdasarkan pada properti fiber bragg grating untuk merubah karakteristik panjang gelombang yang sesuai terhadap strain dan temperatur glass fiber. Secara umum fiber bragg grating bisa dengan mudah dimultiplex untuk banyak sensor dalam fiber optik.Sistem seperti ini mempunyai kemampuan perluasan yang lebih tinggi dimana banyak sensor bisa ditambahkan ke sistem untuk pengukuran yang lebih. Terdapat beberapa aplikasi untuk sensor, umumnya sering digunakan untuk memonitoring keadaan struktur sipil,seperti gedung,jembatan dan bendungan. Universitas Sumatera Utara Sensor fiber bragg grating mempunyai banyak keuntungan tergantung pada properti spesifiknya,seperti: • Ukuranya kecil dan sederhana. • Imunitas terhadap interferensi elektromagnetik, material dielektrik dan kemungkinan sensing dan multiplexing pasif sensor network yang terdistribusi. • FBG dapat melakukan banyak fungsi didalam fiber optik seperti refleksi dan pemfilteran dan insertion loss yang kecil. • Respon spektrum dari FBG bergantung pada perubahan lingkungan suhu dan tekanan, karena baik indeks refraktif dari fiber dan dimensi fisiknya berubah sesuai suhu maupun tekanan, yang mempengaruhi panjang gelombang Bragg. • Sebuah fiber bragg grating yang dimanufaktur dengan tepat juga menawarkan reflektivitas yang tinggi dan bandwith yang sempit pada bragg wavelenghtnya. Biasanya fiber bragg grating mempunyai reflektivitas lebih besar dari 75 . Reflektivitas yang tinggi menawarkan jumlah daya optik yang cukup untuk bisa dideteksi oleh photodiodes. Karakteristik unik fiber bragg grating sensor akan menghasilkan sebuah panjang gelombang bragg unik yang independen dari intensitas optik yang digunakan sistem. Selain kelebihan FBG juga mempunyai beberapa kekurangan yaitu: • Dalam aplikasi dibutuhkan recover sinyal refleksi yaitu optical sirculator agar tidak menimbulkan noise. • Secara prinsip, spektrum refleksi dari FBG saling melengkapi dengan spektrum transmisi, apa yang tidak direfleksikan ditransmisikan. Pada panjang gelombang yang lebih pendek dari Bragg λ ,bagaimanapun FBG biasanya mengalami loss transmisi tambahan diamana tidak ada cahaya sesuai yang direfleksikan. Loss itu disebabkan oleh cahaya yang direfleksikan kedalam mode cladding pada fiber. • Respon spektrum dari FBG sangat tergantung terhadap perubahan lingkungan suhu atau tekanan pada aplikasi bukan sensor ini merugikan. Untuk mencegahnya grating bisa disusun dalam material negative-expansion atau pada material kombinasi yang menyediakan effective negative thermal Universitas Sumatera Utara expansion, diatur untuk mencegah panjang gelombang Bragg berubah karena suhu. Atau dengan cara lain yaitu menggunakan Thermoelectric Coller yang dapat dikontrol secara aktif.

2.2.3. Tipe-tipe struktur Grating.